基于护栏交互的四旋翼无人机续航提升研究

摘要

为解决四旋翼无人机在高速公路长距离应用中面临的续航瓶颈，提出一种基于护栏交互的依托护栏飞行的新型无人机构型。该构型利用滚轮、夹板等机械结构与护栏持续接触，将部分飞行能耗转移至护栏，从而显著提升续航能力。基于此，在SE(3)空间中建立了包含接触力与摩擦力的混合动力学模型，并结合动量叶素理论构建了能耗评估框架系统的动力学模型，并设计了可主动补偿支撑力与摩擦力的非线性PID控制器。通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的几乎全局渐近稳定性。数值仿真结果表明，与自由飞行相比，依托护栏飞行可将稳态巡航的功率降低约71%,且全过程累计节能比例达56.9%;同时在护栏表面摩擦系数μ∈[0.1,0.8]的大范围变化下，系统仍能实现有效节能，具体来说，在μ=0.8的极端情况下，系统仍能保持41.1%的显著节能收益。研究证实了在不增加额外基础设施成本的前提下，所提构型利用现有交通设施提高四旋翼无人机续航能力的可行性与高效性，为解决高速公路四旋翼无人机的续航难题提供了一种新型解决方案。

关键词

四旋翼无人机 / 高速公路 / 依托护栏飞行 / 轨迹跟踪 / 节能构型 / 续航提升

基金资助

安徽省交通控股集团有限公司科技项目(W2024JSFW0839)