Mejorando la Seguridad Operacional para la Movilidad Aérea Urbana: Un Marco de Estimación de Energía Resistente al Viento para Vehículos Aéreos No Tripulados
Autores: Pang, Jianying; Liang, Xuedong; Liang, Zhentang
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2026
Acceso abierto
Artículo científico
2026
Mejorando la Seguridad Operacional para la Movilidad Aérea Urbana: Un Marco de Estimación de Energía Resistente al Viento para Vehículos Aéreos No Tripulados
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Estudio
Predicción del consumo de energía
Condiciones del viento
Modelos de energía
Arrastre axial
Corrección lateral de actitud
Vector de viento
Aeronave
ángulos de rumbo derivados de cuaterniones
Línea base de potencia inducida
Relación entre velocidad del aire y potencia
Conjunto de datos de vuelo
Cuadricóptero DJI Matrice 100
Error cuadrático medio
Velocidades del viento
Análisis residual
Potencia parasitaria
Formulaciones de corrección de actitud
Controladores de vuelo
Estimación de rango.
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Este estudio tiene como objetivo mejorar la precisión de la predicción del consumo de energía en fase de crucero para vehículos aéreos no tripulados multirrotor que operan bajo condiciones de viento variables. Los modelos energéticos paramétricos existentes suelen retener el vector de velocidad del viento en el marco de referencia terrestre o inercial, y esta representación no distingue entre las contribuciones de arrastre axial a lo largo del fuselaje y las contribuciones de corrección de actitud lateral perpendiculares a él. El marco propuesto aborda esta limitación a través de una transformación de coordenadas informada por la física que proyecta el vector de viento medido en el marco del cuerpo de la aeronave utilizando ángulos de rumbo derivados de cuaterniones, lo que produce componentes de viento axial y lateral separados. Estos componentes ingresan al modelo de potencia como dos predictores adicionales que aumentan la línea base de potencia inducida, con el término axial siguiendo una relación cúbica entre la velocidad del aire y la potencia consistente con las formulaciones de arrastre parásito y el término lateral siguiendo una relación cuadrática consistente con la mecánica de corrección de actitud. El marco se valida en un conjunto de datos de vuelo disponible públicamente, que comprende 188 vuelos de un cuadricóptero DJI Matrice 100 con cargas útiles de 0 a 0.75 kg, velocidades en tierra de 4 a 12 m/s y altitudes de 25 a 100 m. En comparación con la línea base de potencia inducida, el modelo propuesto reduce el error cuadrático medio en un 15.9% y el error cuadrático medio en un 29.7% durante la fase de crucero. La mejora es mayor cuando las velocidades del viento superan los 6 m/s, un régimen en el que los residuos de la línea base aumentan mientras que el modelo propuesto mantiene un perfil de error comparativamente estable. El análisis de residuos indica que los errores de la línea base siguen una tendencia aproximadamente cuadrática en relación con los componentes de viento axial y lateral, consistente con las formulaciones establecidas de potencia parásita y corrección de actitud. La estructura en forma cerrada del modelo propuesto es compatible con la ejecución a bordo en controladores de vuelo, lo que sugiere un camino viable hacia su uso como módulo de predicción de potencia dentro de las rutinas de estimación de rango y dimensionamiento de reservas de energía posteriores.
Descripción
Este estudio tiene como objetivo mejorar la precisión de la predicción del consumo de energía en fase de crucero para vehículos aéreos no tripulados multirrotor que operan bajo condiciones de viento variables. Los modelos energéticos paramétricos existentes suelen retener el vector de velocidad del viento en el marco de referencia terrestre o inercial, y esta representación no distingue entre las contribuciones de arrastre axial a lo largo del fuselaje y las contribuciones de corrección de actitud lateral perpendiculares a él. El marco propuesto aborda esta limitación a través de una transformación de coordenadas informada por la física que proyecta el vector de viento medido en el marco del cuerpo de la aeronave utilizando ángulos de rumbo derivados de cuaterniones, lo que produce componentes de viento axial y lateral separados. Estos componentes ingresan al modelo de potencia como dos predictores adicionales que aumentan la línea base de potencia inducida, con el término axial siguiendo una relación cúbica entre la velocidad del aire y la potencia consistente con las formulaciones de arrastre parásito y el término lateral siguiendo una relación cuadrática consistente con la mecánica de corrección de actitud. El marco se valida en un conjunto de datos de vuelo disponible públicamente, que comprende 188 vuelos de un cuadricóptero DJI Matrice 100 con cargas útiles de 0 a 0.75 kg, velocidades en tierra de 4 a 12 m/s y altitudes de 25 a 100 m. En comparación con la línea base de potencia inducida, el modelo propuesto reduce el error cuadrático medio en un 15.9% y el error cuadrático medio en un 29.7% durante la fase de crucero. La mejora es mayor cuando las velocidades del viento superan los 6 m/s, un régimen en el que los residuos de la línea base aumentan mientras que el modelo propuesto mantiene un perfil de error comparativamente estable. El análisis de residuos indica que los errores de la línea base siguen una tendencia aproximadamente cuadrática en relación con los componentes de viento axial y lateral, consistente con las formulaciones establecidas de potencia parásita y corrección de actitud. La estructura en forma cerrada del modelo propuesto es compatible con la ejecución a bordo en controladores de vuelo, lo que sugiere un camino viable hacia su uso como módulo de predicción de potencia dentro de las rutinas de estimación de rango y dimensionamiento de reservas de energía posteriores.