STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

重量会影响无人机的电池寿命吗?

难度 <! - 4 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 这个项目需要一架无人机。有关详细信息,请参阅材料列表。
费用 平均值($ 50 – $ 100)
安全 操作无人机时必须遵循重要的安全准则。有关详细信息,请参阅程序

摘要

无人机 – 也称为四轴飞行器或无人驾驶飞行器(UAV) – 对于业余爱好者来说是一种越来越受欢迎的玩具。有些公司甚至希望将它们用于商业目的,例如将包裹送到您的家门口!然而,无人机通常具有相当短的电池寿命。包装的附加重量会影响无人机的电池寿命吗?试试这个项目吧!

目的

测量增加的重量是否会影响无人机的电池寿命。

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

引用本页

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菲尼奥,本。”重量会影响无人机的电池续航时间吗?” 科学伙伴,2017年7月28日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Aero_p053/aerodynamics-hydrodynamics/does-weight-affect-drone-battery-life。2019年7月6日访问。

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菲尼奥(2017年7月28日)。体重会影响无人机的电池续航时间吗?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Aero_p053/aerodynamics-hydrodynamics/does-weight-affect-drone-battery-life


最后编辑日期:2017-07-28

简介

你最近可能在新闻中听到了很多无人机这个词。起初,该术语主要用于指远程驾驶的军用飞机(意思是,没有人类飞行员坐在飞机上),但最近”无人机” 也被用来指代驾驶的小型遥控玩具。业余爱好者,如图1所示。这些玩具无人机也经常被称为 quadcopters ,因为它们有四个旋转刀片(参见技术说明) )。许多无人机都有车载摄像头,因此可以用于航空摄影和摄像。有些公司,比如亚马逊和谷歌,甚至想用它们直接送到人们的家门口!

玩具无人机的一个例子,通常称为四轴飞行器,因为它有四个刀片。
图1。玩具无人机的一个例子,通常称为四轴飞行器,因为它有四个刀片。

但是,包裹递送带来了巨大的挑战。许多小型无人机具有短的电池寿命,这意味着无人机在电池耗尽并需要充电之前可以飞行的时间。为了保持在空中,无人机必须产生升力,或向上的力(或推力)克服其重量的向下力(或拉力),因为重力的。这种升力是通过旋转螺旋桨产生的。螺旋桨由电动电动机驱动,它从电池获取电能。增加无人机的重量意味着必须产生更多的升力以保持在空中,这意味着它的螺旋桨必须更快地旋转。旋转这些螺旋桨需要大量的能量,这可以快速耗尽电池。对于小型玩具无人机,电池寿命通常不到10分钟。这限制了无人机可以飞行的距离,特别是如果他们需要往返旅行以退出包裹并返回。

在这个项目中,你将通过在其框架上贴上硬币来增加无人机的重量。然后,您将测量无人机在电池耗尽之前可以飞多长时间,为电池充电,然后使用不同数量的硬币再次尝试。这将让您收集足够的数据,以了解增加的重量如何影响电池寿命。您准备好开始自己的无人机包裹递送业务了吗?

技术说明

质量与重量

虽然在日常用语中,通常会回答”无人机的重量是多少?” 与”无人机重100克” ,技术上这是不正确的。在公制系统(总是用于科学)中,克是质量的单位,而不是重量。质量和重量不是一回事。重量取决于重力,而在公制系统中,重量取决于牛顿(N)。你在地球上的重量比在月球上重,因为月球的重力比地球重要。然而,质量不依赖于重力。质量是衡量你构成物质(原子)的量度。重力并没有改变,所以你的质量在地球上与在月球上的质量相同。

当您向无人机添加硬币时,您正在增加其质量(您正在添加更多物质)及其重量(因为重力正在拉动该物质)。但是,由于大多数厨房秤都以克为单位,而不是牛顿,因此在为项目记录数据时,应确保参考无人机的”质量” – 而不是重量。


“无人机” 的定义

如引言中所述,”无人机” 一词的使用随着时间的推移而发生了变化。几十年来,业余爱好者一直在驾驶模型飞机 – 主要是小型无线电遥控(RC)飞机和直升机 – 它们并不被称为无人驾驶飞机。很长一段时间,这是一个相当专业的爱好,因为飞机更昂贵,更难飞。娱乐环境中的”无人机” 一词(与军事相对)在2010年初变得普遍,主要是关于四轴飞行器(更通常称为”多旋翼” ,因为有些型号有六个甚至八个叶片),其中许多都包含车载摄像头。技术进步使得四轴飞行器越来越便宜并且更容易让初学者飞行,从而导致其越来越受欢迎。今天,它们是为娱乐和商业目的而飞行的(例如,在体育赛事期间的航空摄影)。更一般地,任何没有机载人员飞行器的飞机也可以称为无人驾驶飞行器(UAV)或无人驾驶航空系统(UAS)。由于与军事技术的关联,一些业余爱好者反对使用”无人机” 这个词来描述这些飞机,但科学伙伴们将坚持目前的流行用法。

术语和概念

  • 雄蜂
  • 四轴
  • 电池寿命
  • 电梯
  • 重量
  • 重力
  • 电机
  • 质谱

问题

  • 您认为增加无人机的重量会影响其电池续航时间吗?
  • 无人机的真实世界(非娱乐性)用途是什么?
  • 人们和组织使用无人机(例如,个人,企业,政府)?
  • 如果没有负责任地使用无人机会导致什么问题?

参考书目

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

材料和设备

  • 无人机,通常也被称为”四轴飞行器” 。有各种各样的无人机可供选择 Amazon.com
    • 无人机可以在各种价位上购买 – 从适合您手掌的小型廉价玩具到价值数千美元的大型专业型号。学习驾驶无人机可能需要一些练习,所以如果你刚刚开始,Science Buddies建议使用更便宜的模型。你不想让你的全新千元无人机卡在一棵树上!
  • 可选:为您的无人机配备一个或多个备用电池。这样您就可以在需要为电池充电之前进行多次试验来加速实验。我们建议至少进行9次试验,总计和许多无人机电池需要1小时以上的时间才能充电,飞行时间不到10分钟。在计划实验时请考虑到这一点。
  • 没有障碍物的大型开放区域,您可以安全地驾驶无人机。该位置应该很容易到达,因为您必须多次往返来为飞行之间的无人机电池充电。以下是推荐无人机进行科学项目的推荐场所示例:
    • 在你自己的院子里,如果你的院子足够大,你就不会冒着撞到窗户,树木,电线,过往车辆或行人的危险。所需的空间将取决于无人机的速度和您飞行的技能。如果你不能在没有撞到东西的情况下驾驶你的无人机,你应该移动到更大的空间。
    • 在一个空旷的大片场地,如足球场或棒球场。如果该场地位于私有财产上,请确保您获得业主的许可,或者如果该场地位于公园内,则当地法规允许使用无人机。请成人帮助您咨询当地政府,了解是否有关于在公共场所使用无人机的规定。
    • 在大型室内空间,如体育馆或礼堂,但前提是您不会有损坏窗户,照明或其他固定装置的风险。在飞到室内之前,请确保获得建筑物所有者的许可。
    • 当附近有其他人,或者没有受到保护的人,或靠近有车辆的道路时,在停车场或游乐场等公共场所驾驶你的无人机。
  • 如果你将在户外飞行无人机,天气很好(不要在雨,雪或大风中飞行你的无人机)
  • 厨房秤
  • 双面泡棉胶带
  • 各种硬币,因此您可以为质量增加的两个不同试验添加大约10%和20%的无人机质量。
    • 你需要多少硬币取决于无人机的质量。例如,对于100克玩具无人机,您可以使用4个美国便士(每个2.5克,总共10克)和4个美国季度(每个5.6克或总共22.4克)进行两个不同的试验。较大的无人机将能够携带更多的额外质量,较小的无人机将能够携带更少.
  • 秒表
  • 实验室笔记本

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

关于无人机的重要安全信息

  • 无人机飞行很有趣,但如果不负责任地使用它们会很危险。关于无人机娱乐使用的地方,州和联邦法规可能因您所在地或随时间的变化而有所不同。例如,您可能需要注册您的无人机,或被禁止在某些地方(如机场附近或一群人)飞行。在您使用无人机进行科学项目之前,请让成年人帮助您了解您所在地区的适用法律。首先查看美国联邦航空管理局的娱乐无人机操作员网站: https://www.faa.gov/uas/recreational_fliers/
  1. 使用厨房秤测量无人机的质量,包括电池和任何附件,如车载摄像头,将在飞行过程中连接到无人机.
  2. 阅读无人机的用户手册,并在开始实验前练习飞行。特别是,请确保您知道无人机电池电量不足时会发生什么。当电池电量低于一定水平时,一些无人机将自动降落。其他产品具有闪烁LED等功能,可警告操作员电池电量不足。然而,一些无人机没有任何这样的功能,只会继续飞行,直到它们从天而降。由于这个实验的目标是在无人机飞行直到电池耗尽时,如果存在跌落的风险,你要确保它离地面不太高。
  3. 在实验室笔记本中创建如表1所示的数据表。在第一行中,填写您在步骤1中测量的无人机质量,并在”已添加质量” 列中写入”0″ 。

总质量
(g)

试验1试验2试验3平均

飞行时间(分钟:秒)
添加质量
(g)
表1。示例数据表。

  1. 确保无人机的电池已充满电(如果有的话,还包括任何额外的电池)。如果您不确定如何判断电池是否充满电,请阅读无人机的用户手册(例如,许多充电器的指示灯在电池充电时会从红色变为绿色。)
  2. 将您的物资带到您将驾驶无人机的位置。至少,你需要你的无人机充电电池,秒表,钢笔或铅笔,以及实验室笔记本电脑。如果你有额外的电池,你也可以携带你的硬币和双面泡沫胶带,这样你就可以进行多次试验。
  3. 在开始实验之前,您应该决定如何驾驶无人机。例如,您可以让无人机悬停在原地,您可以将它悬挂在圆圈中,或者您可以在两点之间来回飞行(模拟下降和拾取包裹)。您决定做什么将取决于您的技能水平和您可用于飞行的空间。一般情况下,你应该让无人机接近地面(低于20英尺),因为你的目标是飞行直到电池耗尽。无论您做出何种决定,每次试验的飞行模式都保持不变非常重要。不同的飞行模式会导致电池不同程度的耗电,这会使您的结果出现偏差。尽力每次都能持续驾驶无人机。
  4. 飞行无人机,直到电池耗尽。
    1. 启动秒表。
    2. 取下无人机,并按照您的计划从第6步开始飞行。
    3. 继续飞行无人机,直到电池耗尽.
    4. 停止你的秒表。
    5. 在数据表中记录航班时间。
  5. 现在,使用双面泡沫胶带将硬币附加到框架上,为无人机增加质量,如图2所示。
    1. 您添加的硬币数量取决于无人机的大小。对于小型”玩具” 无人机(约100克),您可以为下次试验添加四个便士(总共约10克)。如果您的无人机较大,则应增加质量,如果较小,则应增加质量.
    2. 确保围绕无人机中心对称地附上硬币 。如果你不均匀地分配它们的重量,硬币将使你的无人机很难飞行。
附有双面泡沫胶带无​​人机框架的便士
图2。用双面泡棉胶带固定在无人机框架上的硬币。请注意便士如何均匀分布在无人机的中心周围。

  1. 使用添加的硬币(请记住包含电池)测量无人机的质量,并将新质量记录在数据表的下一行。通过从没有硬币的原始质量中减去新质量来计算增加的​​质量。例如,如果新质量为110 g且原始质量为100 g,则添加质量为110 – 100 = 10 g。
  2. 为无人机的电池充电,或者如果您有额外的电池,请换用新电池.
  3. 使用新质量重复步骤7。请记住将结果记录在数据表中。
  4. 通过添加更多质量重复步骤8-11。同样,您添加的质量将取决于无人机的大小。对于玩具大小的100克无人机,你可以增加四个便士(总共八个),或用四个季度替换四个便士。
  5. 重复步骤4-12两次,每次质量总共进行三次试验.
  6. 计算每个质量的平均飞行时间。如果您首先将时间转换为秒,则会更容易(请记住1分钟内有60秒)。
  7. 分析您的结果。如果您需要帮助,请参阅Science Buddies资源数据分析&amp;图表结论
    1. 制作散点图,在x轴(水平)上以克为单位添加质量,在y轴(垂直)上以秒为单位绘制平均飞行时间。如果您需要帮助制作图表,请参阅创建图表网站。
    2. 增加的质量如何影响无人机的电池寿命?这与您的假设相比如何?
    3. 这会如何影响使用无人机的包裹递送?

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  • 您的飞行路径如何影响电池寿命?例如,如果你将无人机快速飞行而不是让它悬停在原地,会发生什么?
  • 使用更多重量值测试无人机,以获得更多数据点。你最终到达无人机无法升空的地步吗?