[發(fā)明專利]一種固定翼太陽能無人機航時估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710647920.6
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107368090B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王宏倫;黃宇;李娜;姚鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 趙文穎

1.一種固定翼太陽能無人機航時估計方法，包括以下步驟：

步驟一：統(tǒng)計太陽能無人機能量生產(chǎn)狀況，即太陽能無人機每個飛行日的能量生產(chǎn)總量；

具體為：

獲取太陽能無人機每個飛行日的能量生產(chǎn)總量E_uav：

其中，n_day為指定太陽日天；t₀取0，t_f取86400，t表示時間；P_in表示當(dāng)前太陽能無人機能量生產(chǎn)功率，具體為：

P_in＝η_solSP_s(λ)

其中，P_s(λ)表示飛機姿態(tài)角為(ψ,θ,φ)時翼面單位面積太陽輻射強度；η_sol為太陽能電池效率；S為機翼面積，P_s(λ)具體為：

其中，I_b表示單位水平面上受到的太陽直接輻射強度，I表示太陽輻射常數(shù)，I₀表示太陽常數(shù)；τ_b表示直射光學(xué)深度；m_r表示空氣質(zhì)量比，b表示直射空氣質(zhì)量指數(shù)，b＝1.219-0.043τ_b-0.151τ_d-0.204τ_bτ_d；I_d表示單位水平面上受到的太陽直接散射強度，τ_d表示散射光學(xué)深度；d表示散射空氣質(zhì)量指數(shù)，d＝0.202+0.852τ_b-0.007τ_d-0.357τ_bτ_d；I_h表示單位水平面上受到的太陽總輻射強度，I_h＝I_bsinα_e+I_d；α_e表示太陽高度角；λ為太陽光進入太陽能飛行器翼面的入射角；φ為太陽能無人機滾轉(zhuǎn)角；ρ_r表示地面反射率；

步驟二：計算能量消耗狀況，即飛機每個飛行日能量消耗量；

具體為：

獲取飛機每個飛行日[t₀,t_f]時間段內(nèi)，無人機能量消耗總量E_out(t₀,t_f)：

其中，P_propul為電動推進系統(tǒng)所需功率；P_av為無人機機載電子設(shè)備消耗功率；P_pld為任務(wù)載荷所需功率消耗；

其中，η_prop為螺旋槳效率；η_mot電機及減速箱動力傳輸效率；η_ctrl驅(qū)動器效率；V為飛行速度；D為飛行阻力：

其中，ρ、α分別為空氣密度、零升力系數(shù)、攻角引起的升力系數(shù)以及攻角；m為飛機質(zhì)量；g為重力加速度；C_D為阻力系數(shù)；為零升阻力系數(shù)；K為空氣動力系數(shù)；R_a為展弦比；ε為Oswald效率因子；C_L為升力系數(shù)；

步驟三：基于能量平衡準(zhǔn)則，估計理想條件下的飛行時間窗；

具體為：

理想狀態(tài)下，太陽能無人機能量滿足：

E_uav≥E_propul+E_av+E_pld (27)

其中，E_uav為無人機生產(chǎn)能量；

太陽能無人機航時定義為1年中完成晝夜穿越飛行的飛行日集合，假設(shè)飛行地點選擇在北半球某地，飛行日n_day取值為時，從1月1日開始，1月1日為1，太陽能無人機進行晝夜飛行，即滿足式(27)，且為連續(xù)飛行日，則即為粗略估計的飛行時間窗，即太陽能無人機航時，當(dāng)飛行地點選擇在南半球時，其進行晝夜飛行日取值形式為和

步驟四：考慮實際電池容量，對飛行時間窗精確估計；

具體為：

除滿足能量關(guān)系式(27)，無人機能量存儲能力判斷準(zhǔn)則如式(28)：

其中，為太陽能無人機上午生產(chǎn)功率與消耗功率平衡時刻，為太陽能無人機下午生產(chǎn)功率與消耗功率平衡時刻，E_bat為電池所含能量總額，單位瓦時，按式(29)計算：

E_bat＝C_batU_bat (29)

其中，C_bat為儲能電池容量，單位安時，U_bat為儲能電池標(biāo)稱電壓，將式(29)代入，式(28)整理成如下

然后，利用式(30)，對由步驟三求出的理想狀態(tài)下的飛行時間窗中的所有日期進行篩選，得到新的跨晝夜連續(xù)飛行日組成的集合即為實際可行的飛行時間窗。