Meranie energetických profilov: Metodika normalizácie power efficiency malých bezpilotných systémov

Prehľad: prečo riešiť energetické profily malých UAV

Energetický profil malého bezpilotného prostriedku (UAV) opisuje, koľko elektrickej energie spotrebuje v rôznych režimoch letu a pri rôznych konfiguráciách. Je kľúčový pre plánovanie misie, dimenzovanie batérií, výber motorov a vrtúľ, výpočet doletu/endurance a porovnateľné benchmarky medzi platformami. Tento článok ponúka metodiku merania, spracovania dát a normalizácie, aby boli výsledky replikovateľné a porovnateľné naprieč typmi malých UAV (najmä multirotory a malé pevné krídla do ~25 kg MTOW).

Definície a rozsah

• Energetický profil: vektorová charakteristika spotreby výkonu/energie vs. stav (rýchlosť, vertikálna rýchlosť, hmotnosť, hustota vzduchu, vietor, režim letu).
• Režimy letu: idle na zemi, vzlet, stúpanie, cestovný let/loiter/hover, klesanie, pristátie, manéver (otáčanie, akcelerácia).
• Metri ky výstupu: okamžitý elektrický výkon P [W], špecifická energia na vzdialenosť E_m [Wh/km], špecifická energia na vykrytú plochu E_a [Wh/ha] (pre mapovacie misie), energia na jednotku hmotnosti nákladu E_kg [Wh/(kg·km)] a endurance [min].

Meracia architektúra: čo a kde merať

1. Elektrická vetva: vysokopresný inline shunt alebo Hall meranie prúdu a napätia na vstupe ESC/bus hlavnej batérie; vzorkovanie ≥100 Hz pre multirotory a ≥20 Hz pre pevné krídla.
2. Letové veličiny: rýchlosť vzduchu (pitot), GNSS rýchlosť a výška, baro výška, IMU (akcelerácie, uhly), stavové signály (režim autopilota).
3. Prostredie: teplota batérie a okolia, vietor (odhad z rozdielu airspeed vs. ground speed), hustota vzduchu (z tlakovej výšky a teploty).
4. Batéria: SOC (%) a SOH (%), vnútorný odpor (mΩ), teplota článkov.

Kalibrácia a neistoty merania

• Elektrické meranie: kalibrujte shunt/Hall senzor proti referenčnému multimetru v 5–7 bodoch prúdu; cieľová chyba <±1 % FS. Drift teploty kompenzujte teplotným koeficientom v postprocese.
• Čas a synchronizácia: všetky záznamníky synchronizujte na GPS time alebo NTP pred testom; maximálny offset <50 ms.
• Rýchlosť vzduchu: nuluje sa na zemi; kontrola statického tlaku (pitot bez prekážok). Pri nízkych rýchlostiach zvážte limit šumu <2 m/s.
• Chyby prostredia: hustota vzduchu ρ korigovaná podľa ISA: ρ = f(teplota, tlak). Zaznamenávajte reálne podmienky; na normalizáciu použite ρ_ref=1,225 kg/m³.

Testovacie scenáre pre multirotory

1. Hover step-test (bez vetra): 3× 60 s hover pri troch hmotnostiach (m₀, m₀+5 %, m₀+10 %).
2. Stúpacie/klesacie rampy: v_z = {0,5; 1,0; 1,5} m/s počas 30 s, s ustálením 10 s medzi rampami.
3. Loiter vo vetre: kruh R=30 m, vietor 3–6 m/s, 3 min; porovnanie náveterná vs. závetrná fáza.
4. Translačný let: dopredná rýchlosť 5–12 m/s v krokoch 2 m/s, 30 s ustálenie každého kroku.

Testovacie scenáre pre malé pevné krídla

1. Stúpacie/klesacie sklony: ±3°, ±6°, každý 60 s pri konštantnom airspeed.
2. Polára výkonu: kroky airspeed {12–22 m/s} v kroku 2 m/s na hranatom okruhu proti/v smere vetra; priemery z proti smerov eliminujú vietor.
3. Loiter: 25° náklon, polomer 80–120 m, 3 min ustálenie.

Laboratórne a pololaboratórne metódy

• Stacionárny záves (multirotor): váhová plošina + prúdovo-napäťový záznam, z takeoff hmotnosti odvodíte thrust-to-weight a disk loading.
• Motor–vrtuľa na stolici: meranie ťahu, točivého momentu, RPM a príkonu pre mapu T(n,U), η(n,T), validácia ESC nastavení.
• Mikro-veterný tunel: validácia pitot a aerodynamických korekcií malých krídel (ak dostupné).

Parametre misie a stavové veličiny

Symbol	Popis	Jednotka
m	Vzletová hmotnosť (vrátane nákladu)	kg
v	Dopredná rýchlosť (airspeed)	m/s
vz	Vertikálna rýchlosť	m/s
ρ	Hustota vzduchu	kg/m³
P	Elektrický výkon (bus)	W
E	Dodaná energia	Wh
SOC/SOH	Stav nabitia / zdravia batérie	%

Vzorkovanie, filtrovanie a segmentácia letu

1. Sampling: 100–200 Hz elektrika; 50–100 Hz IMU; 10–20 Hz GNSS/airspeed; logujte s časovými značkami v jednej časovej základni.
2. Filtrovanie: moving median 0,2–0,5 s pre prúd/napätie, Savitzky–Golay pre derivácie (RPM, akcelerácie) bez fázového posunu.
3. Segmentácia: podľa autopilot módov + prahové hodnoty (|v_z|<0,2 m/s = ustálený horizontál, |Δv|<0,5 m/s = steady cruise).

Výpočty kľúčových metrík

• Špecifická energia na vzdialenosť: E_m = (∫P dt) / d, kde d je dráha [km]; výstup Wh/km.
• Špecifická energia na plochu (mapovanie): E_a = (∫P dt) / A, kde A je pokrytá plocha [ha].
• Energia na kg nákladu: E_kg = (∫P dt) / (m_payload·d).
• Endurance: t = (C_usable·U_nom) / P_avg, kde použiteľná kapacita berie do úvahy bezpečný SOC min (napr. 20 %).

Normalizácia na podmienky a konfiguráciu

1. Hustota vzduchu: výkon potrebný na ťah škálujte ~ s ρ^α (typicky α≈0,5–0,7 podľa aerodynamiky vrtule/krídla). Normalizujte na ρ_ref=1,225 kg/m³.
2. Hmotnosť: pre multirotor platí v hover približne P ∝ m^3/2/√(A_disk); normalizujte na referenčnú hmotnosť m_ref alebo uvádzajte power loading P/m.
3. Vietor: pre poláru pevného krídla priemery z letov proti a po vetre; pre multirotor uvádzajte vector-corrected Wh/km podľa ground speed a airspeed.
4. Batéria: korigujte na teplotu článkov (výkonový derating pri <10 °C) a SOH; uveďte referenčný C-rate a teplotu (napr. 25 °C, SOH ≥90 %).

Bezrozmerové ukazovatele pre porovnanie platforiem

• Disk loading D_L = m·g / (ΣA_disk) [N/m²], indikuje náročnosť hover pre multirotory.
• Power loading P_L = P / (m·g) [W/N]; nižšie je efektívnejšie.
• L/D efektívne (pevné krídlo): z minima E_m odhadnite praktické L/D.

Praktický príklad: 2 kg quadcopter v hoveri

Konfigurácia: m=2,2 kg (s nákladom 0,4 kg), ΣA_disk=4×0,031 m², ρ=1,2 kg/m³, T=20 °C. Merané P_hover=230 W.

• Power loading: P_L=230/(2,2·9,81)=10,65 W/N.
• Endurance s 4S 10 Ah (≈148 Wh usable pri 80 % využití): t=148/230=0,643 h ≈ 38,6 min (bez rezervy). Pri 20 % SOC rezerve plánujte ~30–32 min.
• Normalizácia na m_ref=2,0 kg: P_ref ≈ P·(m_ref/m)^3/2 = 230·(2,0/2,2)^1,5 ≈ 203 W.

Praktický príklad: pevné krídlo 1,4 kg v cruise

Merania pri v = {14, 16, 18, 20} m/s dali P = {65, 62, 68, 80} W. Minimum E_m je pri 16–18 m/s.

• Pri 16 m/s: E_m = 62 W / (16 m/s) · (3600 s/h) / 1000 = 13,95 Wh/km.
• Batéria 4S 7 Ah (≈103 Wh usable): teoretický dolet ≈ 103 / 13,95 = 7,4 km (plochá trať, bez stúpaní; v praxi 70–80 %).

Energetika mapovacej misie (plošné pokrytie)

1. Parametre: výška letu, šírka záberu senzora, preklad, rýchlosť ground speed.
2. Výpočet plochy: A = (šírka pásu × dĺžka trate × počet pásov)/10 000 [ha].
3. E_a: E_a = ∫P dt / A. Uvádzajte zvlášť letový segment a transfer (vzlet, prelet na oblasť).

Štandardizovaný protokol testu

• Príprava: batérie po odpočinku 30 min po nabití, SOC=100 %, teplota článkov 20–25 °C.
• Miesto: vietor <3 m/s pre hover/cruise baseline; pre veterné testy dokumentujte priemer a variabilitu.
• Opakovania: minimálne 3 opakovania každého bodu; uviesť priemer ±1σ.
• Bezpečnosť: failsafe výška, geofencing, pozorovateľ, postup abort.

Formát dát a minimálne metadáta

Odporúčané CSV stĺpce: timestamp, bus_voltage_V, bus_current_A, power_W, rpm, esc_temp_C, batt_temp_C, soc_pct, soh_pct, gnss_lat, gnss_lon, ground_speed_mps, airspeed_mps, baro_alt_m, vz_mps, mode, payload_mass_kg, air_density_kgm3, ambient_temp_C. Metadáta: typ UAV, vrtule, motory, ESC FW, batéria (chem, S, kapacita, C), MTOW, disk loading, firmware autopilota, verzia meracej zostavy.

Analytické modely a fitovanie kriviek

• Multirotor hover: P ≈ k · (m·g)^3/2 / √(ρ·ΣA_disk) + P_aux (elektronika). Konštantu k fitujte z dát.
• Pevné krídlo: P(v) ≈ a·v³ + b/v + c (indukovaný a profilový odpor + pomocná spotreba). Fit poláry výkonu na získanie minima.
• Stúpanie/klesanie: P_climb = P_level + m·g·v_z/η_prop.

Energetický rozpočet misie

1. Rezervy: 20–30 % kapacity na nepredvídané udalosti (vietor, holding, presnosť pristátia).
2. Aux spotreba: senzory, počítač na palube, stabilizácia gimbalu (typicky 5–20 W) započítať do baseline.
3. Teplotné vplyvy: pri <10 °C počítajte s poklesom dostupného výkonu a nárastom vnútornej impedancie článkov.

Porovnateľné KPI pri publikovaní výsledkov

• Wh/km a Wh/ha pri referenčných podmienkach (ρ, T, vietor).
• W/N (power loading) pri hover a pri cruise.
• Endurance pri SOC min=20 % a so špecifikovaným nákladom.
• Repeatability: σ/μ pre kľúčové body <5 %.

Časté chyby a ako sa im vyhnúť

• Nesynchronizované logy ⇒ použite jednotnú časovú základňu a identifikujte skoky.
• Neznáme SOH batérie ⇒ pravidelne merajte vnútorný odpor a kalibrujte coulomb counter.
• Ignorovanie vetra pri poláre ⇒ lietajte okruhy s priemerovaním proti/po vetre.
• Nevyčlenená aux spotreba ⇒ zmerajte ju na zemi pre baseline.

Bezpečnostné a prevádzkové odporúčania

• Vylúčte obývané oblasti; majte pozorovateľa a plán RTL/Land.
• Monitorujte teplotu ESC a batérie; nastavte alarmy (napr. 70 °C ESC, 60 °C články Li-ion, 55 °C LiPo).
• Udržujte SOC >20 % pri návrate; počítajte s brownout rezervou.

Mini checklist pred meraním

• Kalibrácia prúd/napätie potvrdená (±1 %).
• Batéria na nominálnej teplote, SOH zaznamenané.
• Metadáta konfigurácie uložené.
• Plán bodov (rýchlosti, hmotnosti, režimy) pripravený.
• Synchro času overené; skúšobný záznam 30 s.

Štandardizované energetické profily umožňujú objektívne porovnávať malé UAV, optimalizovať misiu a predvídať výkon v reálnych podmienkach. Kľúčom je disciplinované meranie, transparentná normalizácia (hustota, hmotnosť, vietor, batéria) a publikovanie metrík v jednotných KPI (Wh/km, Wh/ha, W/N, endurance). Vďaka tomu možno cielene voliť komponenty, znižovať energetickú stopu a predlžovať čas vo vzduchu bez kompromisov na bezpečnosti.