分级能源以延长多旋翼无人机飞行时间

电池等能源在消耗后质量不会减少，不同于基于燃烧的燃料。我们提出分级能源的概念，即分阶段消耗能源并抛离已用级，以在飞行中逐步减少飞行器质量，从而降低功耗并进而增加飞行时间。给出了飞行时间对储能质量的分析，以展示分级对多旋翼的续航益处。我们考虑了离散分级中的两个具体问题——给定一定数量的能源时的最优分级顺序，以及将给定储能质量预算最优划分成给定数量级的问题。然后我们推导了两种连续分级情况的结果——驱动螺旋桨的内燃机和火箭发动机。值得注意的是，我们表明由内燃机驱动的多旋翼在实现飞行时间上存在与可用燃料质量无关的上限，但火箭推进不存在此类限制。最后，我们通过定制的两级电池供电四旋翼飞行实验验证了分析。该四旋翼可使用定制设计的机构在飞行中消耗后抛离电池级，并使用下一级继续悬停。实验飞行时间与根据我们的飞行器分析所预测的时间吻合良好。与使用单级电池相比，我们使用两级电池实现了 19% 的飞行时间增加。