[發(fā)明專利]基于MPC序列凸優(yōu)化的混合電動無人機(jī)能源管理方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211524941.6
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN116244888A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉莉;田維勇;張曉輝;賀云濤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06Q10/04;G06F17/11;G06F111/04
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.基于MPC序列凸優(yōu)化的混合電動無人機(jī)能源管理方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟一：給出混合無人機(jī)的飛行軌跡，給出等效系數(shù)σ、信賴域大小ε、收斂誤差ξ、預(yù)測時域N_p、邊界條件s_min,s_max,u_min,u_max；

步驟二：由于太陽能電池具有最高的輸出優(yōu)先級，通過鋰電池和燃料電池補(bǔ)充剩余需求功率P_sd，根據(jù)混合電動無人機(jī)的飛行軌跡，計算預(yù)測時域內(nèi)的太陽能電池功率P_pv[k]、需求功率P_D[k]和剩余需求功率P_sd[k]，其中k＝1,…,N_p為預(yù)測時刻，根據(jù)計算預(yù)測時域內(nèi)的太陽能輸出功率P_D[k]和剩余需求功率P_sd[k]，能夠最大限度利用太陽能，使得功率分配結(jié)果更加合理高效；根據(jù)當(dāng)前鋰電池的電量初始化迭代開始時鋰電池的初始電量SOC_t；根據(jù)上一時刻燃料電池輸出功率和剩余需求功率對預(yù)測時域內(nèi)的參考序列進(jìn)行初始化；

所述混合電動無人機(jī)的能源形式包括太陽能電池、燃料電池、鋰電池；

步驟三：以鋰電池的電量SOC、燃料的電池氫氣消耗量鋰電池等效氫氣消耗量m_eb作為狀態(tài)變量，以鋰電池輸出功率P_b和燃料電池輸出功率P_fc為控制量，構(gòu)建混合能源系統(tǒng)狀態(tài)方程；利用步驟二初始化得到的參考序列對混合能源系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行凸化，即在參考序列的信賴域范圍內(nèi)進(jìn)行一階Taylor多項(xiàng)式展開，得到凸化后的混合能源系統(tǒng)狀態(tài)方程；進(jìn)一步以燃料電池氫氣消耗量和鋰電池等效氫氣消耗量m_eb為優(yōu)化目標(biāo)，以凸化后的混合能源系統(tǒng)狀態(tài)方程、邊界條件約束、初始條件約束構(gòu)建混合能源系統(tǒng)功率分配模型；

步驟四：利用凸優(yōu)化方法對步驟三構(gòu)建的混合能源系統(tǒng)功率分配模型進(jìn)行混合電動無人機(jī)能源管理迭代優(yōu)化，迭代過程中，若優(yōu)化求解獲得的功率分配結(jié)果滿足預(yù)設(shè)迭代收斂準(zhǔn)則，則迭代過程終止，取當(dāng)前結(jié)果為最優(yōu)功率分配結(jié)果，轉(zhuǎn)入步驟五；否則，返回步驟三并繼續(xù)迭代至功率分配結(jié)果收斂；由于步驟三構(gòu)建的混合能源系統(tǒng)功率分配模型中所有約束條件和目標(biāo)函數(shù)是凸化的，在信賴域內(nèi)基于凸優(yōu)化方法進(jìn)行穩(wěn)定高效的迭代優(yōu)化，得到混合能源系統(tǒng)功率分配結(jié)果；通過引入MPC滾動優(yōu)化策略對凸優(yōu)化后混合能源系統(tǒng)功率分配模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化預(yù)測時域內(nèi)的混合能源系統(tǒng)功率分配結(jié)果，進(jìn)一步降低迭代優(yōu)化過程的運(yùn)算量和復(fù)雜度，提高混合電動無人機(jī)能源管理的在線實(shí)時優(yōu)化能力。

2.如權(quán)利要求1所述的基于MPC序列凸優(yōu)化的混合電動無人機(jī)能源管理方法，其特征在于：還包括步驟五，根據(jù)步驟四優(yōu)化得到的混合能源系統(tǒng)功率分配結(jié)果應(yīng)用于混合能源系統(tǒng)，將預(yù)測時域內(nèi)的功率分配結(jié)果用于控制燃料電池的輸出功率，而太陽能電池通過MPPT控制器始終保持最大輸出功率工作點(diǎn)，最大限度利用太陽能，降低能量消耗，提高飛行航時；無人機(jī)沿著軌跡向前飛行，更新無人機(jī)狀態(tài)信息以及混合能源系統(tǒng)狀態(tài)信息，并返回步驟二，進(jìn)行滾動優(yōu)化求解，直至無人機(jī)完成飛行任務(wù)。