[發(fā)明專利]一種固定翼太陽能無人機航時估計方法

有效

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• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107368090B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設計）人: 王宏倫;黃宇;李娜;姚鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文穎

本發(fā)明公開了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；步驟二：計算能量消耗狀況，即飛機每個飛行日能量消耗量；步驟三：基于能量平衡準則，估計理想條件下的飛行時間窗；步驟四：考慮實際電池容量，對飛行時間窗精確估計。本發(fā)明能較為簡便的對太陽能無人機航時進行估計，在地球上幾乎所有地點都能適用，適應范圍非常廣泛。本發(fā)明方法簡單、方便，只需要幾個參數(shù)即可，易于工程應用。

技術領域

本發(fā)明涉及太陽能無人機設計及任務規(guī)劃領域，具體地說，是指一種固定翼太陽能無人機航時估計方法。

背景技術

航時估計對太陽能無人機初期設計評估和后期任務規(guī)劃、決策具有非常重要的價值。太陽能無人機與傳統(tǒng)的飛機不同，它以太陽輻射能為主要能量，傳統(tǒng)飛機則以化石燃料為主，其攜帶能量具有總量可知、能量使用情況也相對容易預測、性能估計方法經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，然而太陽能無人機所攜帶能量總量因需要實時收集太陽輻射能并存儲于儲能電池中，與天氣狀況、飛行狀態(tài)、飛行時間地點等眾多因素相關，估算非常困難，如較長時間的天氣預測本身就是一個非常復雜的問題，尚未得到很好的解決。目前，從搜集到的公開資料來看，關于太陽能無人機的航時估計的研究非常缺少。

傳統(tǒng)飛機性能估計理論中，航時估計歸結為飛機穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)性能指標，按解算方法不同通常可分為解析法和圖解法。解析法根據(jù)飛行器運動學方程、動力學方程以及力學分析，進而將目標變量表述成解析函數(shù)，其數(shù)學推導嚴謹，物理概念清晰，能直接準確求解所需性能參數(shù)的數(shù)學公式而備受重視。圖解法，通過計算若干個數(shù)值組成的數(shù)列，然后從中找出一個所需要的值作為問題的解，該方法以推力法、功率法以及能量法為主,其表示直觀易懂，易于與飛行性能計算原始數(shù)據(jù)相結合，并且適用無法或難以進行解析求解高次方程，在工程應用中得到廣泛應用。

估計太陽能無人機續(xù)航航時時，雖然其飛行質量不發(fā)生改變，但能量總量具有非常大的不確定性，這給太陽能無人機航時估計帶來巨大挑戰(zhàn)，然而，續(xù)航性能對以偵察、監(jiān)視或通信中繼等此類應用為主的太陽能無人機來說，是其評價任務能力最為關鍵指標之一，也是太陽能無人機設計者對太陽能無人機初始設計重點考核指標之一，對其任務決策和設計評估具有重要意義。更為重要的是：對于太陽能無人機而言，怎么來確定這類特殊的飛行器指標體系，來推進其設計、應用規(guī)范化，也將促進太陽能無人機產(chǎn)業(yè)鏈的成熟與進步。其首先要解決的是：怎么定義適合評價太陽能無人機續(xù)航的性能指標，才能較好反映太陽能無人機續(xù)航特征、其評價方式客觀、其指標可計量或統(tǒng)計。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種晴空氣象條件下針對給定機型、飛行地點及飛行時間的固定翼太陽能無人機航時估計方法。此方法利用太陽能無人機能量生產(chǎn)模型解算出太陽能無人機不同地點和時間的能量生產(chǎn)功率，結合無人機任務剖面能量消耗與無人機后備電源能量儲備容量限制，對太陽能無人機以天為能量循環(huán)周期，統(tǒng)計1年365天內(nèi)每天能量平衡狀況，以最終得出太陽能無人機持續(xù)飛行性能。最后，基于太陽能無人機可持續(xù)飛行性能特征，提出太陽能“飛行時間窗”概念，以便更方便描述太陽能無人機續(xù)航。本發(fā)明可用于太陽能飛行器設計、控制及任務規(guī)劃，特別在太陽能飛行器設計和任務規(guī)劃領域中，可利用此方法對太陽能飛行器設計方案及任務規(guī)劃的可行性與合理性進行驗證、分析。

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；

步驟二：計算能量消耗狀況，即飛機每個飛行日能量消耗量；

步驟三：基于能量平衡準則，估計理想條件下的飛行時間窗；

步驟四：考慮實際電池容量，對飛行時間窗精確估計。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)能較為簡便的對太陽能無人機航時進行估計；