[發(fā)明專利]一種太陽能飛機自主尋優(yōu)航跡規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711467054.9
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108107911B
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李可;文東升;胡慶雷;劉猛;孫康文
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京金恒聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 11324
• 代理人: 李強

一種用于長航時太陽能飛行器的基于“隨機森林”算法的路徑尋優(yōu)方法。該方法主要用于長航時太陽能飛機針對氣候環(huán)境的路徑規(guī)劃問題。該方法主要由以下幾部分組成：氣象預(yù)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)動力和能量模型，目標(biāo)函數(shù)(代價函數(shù))及初始條件，出發(fā)/到達(dá)位置及離散網(wǎng)格，隨機森林算法，路徑優(yōu)化結(jié)果(規(guī)劃路徑信息)。該方法通過建立綜合的目標(biāo)函數(shù)，考慮了多方面因素對飛行器飛行安全的影響，可以靈活的分析歷史數(shù)據(jù)提前規(guī)劃飛行任務(wù)，也可以高效快速的進(jìn)行在線飛行路徑修正。該方法不局限于針對氣候環(huán)境的太陽能飛行器的路徑規(guī)劃，對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修正，也可以拓展到諸如高山地區(qū)等環(huán)境的飛行路徑規(guī)劃中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種太陽能飛機自主尋優(yōu)航跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

長航時太陽能飛機是一種利用太陽能作為主要能源供給系統(tǒng)，并能在低、高空連續(xù)飛行數(shù)周以上的無人駕駛飛行器。因其可以完成衛(wèi)星的偵察、預(yù)警、大氣觀測、中繼通信等大部分工作，因此，長航時太陽能飛機目前正受到各航空航天大國的關(guān)注。現(xiàn)今的太陽能無人飛行器，結(jié)合高度優(yōu)化的氣動外形和高效太陽能充電系統(tǒng)，長航時飛行的能力不斷提高。例如，“天空使者”和“西風(fēng)”無人飛行器已經(jīng)實現(xiàn)多天飛行或者是“名義”上的永久飛行。前述兩者可以分別代表當(dāng)前太陽能無人機的兩個發(fā)展趨勢，即低空長航時(LALE)小展弦比飛行器和高空長航時(HALE)大展弦比飛行器。

相比之下，低空長航時小型化的太陽能飛行器，由于自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜性低、體積小、發(fā)射(起飛)方式簡單，更適合搜索和營救、偵查和測繪等任務(wù)。然而上述任務(wù)都需要建立在細(xì)致的任務(wù)路徑上執(zhí)行，為保證任務(wù)完成的效率和質(zhì)量，需要對飛行器的路徑進(jìn)行規(guī)劃，經(jīng)過優(yōu)化算法并分析各方面因素對目標(biāo)函數(shù)取值的影響，從而獲取路徑規(guī)劃的最優(yōu)結(jié)果。太陽能無人機也面臨著許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，例如結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計引起的對環(huán)境條件的敏感性，飛行速度低，對太陽輻照度的嚴(yán)重依賴等，其中太陽輻照度對太陽能電池板的效率有非常大的影響，直接影響著太陽能無人機的工作狀態(tài)。基于上述因素，要使太陽能無人機實現(xiàn)長期良好狀態(tài)的運行，在氣象環(huán)境下執(zhí)行詳細(xì)計劃任務(wù)的能力對于太陽能無人機的長期飛行來說是必不可少而且十分重要的。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種太陽能飛機自主尋優(yōu)航跡規(guī)劃方法，其特征在于包括：

A)確定系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)模型包括：

對太陽能電池板發(fā)電功率、系統(tǒng)功率消耗、電池電量狀態(tài)的評估；

包括地速，空速，風(fēng)速的飛行動力學(xué)參數(shù)；

飛行控制器，其是無人飛行器的邏輯決策單元，依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)決定飛行的空速，

包括云層厚度和分布、降水、風(fēng)向和等級的氣象預(yù)測數(shù)據(jù)，

決定飛行器飛行路線的太陽輻照度，其影響飛行器的太陽能電池板發(fā)電功率和飛行器的飛行參數(shù)，

B)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，其中要求所規(guī)劃的航跡使得所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)的值最小，

目標(biāo)函數(shù)是包括飛行時間、環(huán)境成本、和系統(tǒng)代價的影響因素的加權(quán)組合，其中，

環(huán)境成本是指環(huán)境因素對飛機飛行安全的響應(yīng)，包括強風(fēng)，陣風(fēng)，濕度，降水量和風(fēng)暴，

系統(tǒng)代價包括電池電荷狀態(tài)、功率消耗、功率產(chǎn)生，

為了得到一致的加權(quán)求和，目標(biāo)函數(shù)的影響因素的代價函數(shù)表示為：

其中，

通過調(diào)節(jié)參數(shù)α_k，β_k，ε_k，控制各個因素對于目標(biāo)函數(shù)代價值的影響，α_k，β_k確定了代價值邊界的最低閾值和最高上限，