一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法與流程

2023-05-05 16:51:46

本發明屬於航跡規劃技術領域，涉及太陽能無人機飛行策略以及航跡優化系統，具體涉及一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法。

背景技術：

太陽能無人機(solar-poweredunmannedaerialvehicles,簡稱suav)是以太陽能為主要能量來源，通過儲能電池供電來最大限度地維持無人機飛行的一種無人飛行器。太陽能無人機巡航時間長，飛行高度高，覆蓋範圍廣，具有常規飛行器不可替代的優點。針對太陽能航空器的研究，是我國新世紀航空工業重點發展的一個新領域，也是我國航空工業的一大研究熱點。

當前的太陽能無人飛行器主要通過搭建高度優化的機體結構以及光伏系統來提高飛行器的飛行時長。通過對太陽能無人機各系統的優化，以實現晝夜長航時飛行。

航跡規劃是飛行器任務規劃系統的核心之一，是一門伴隨著現代信息技術而發展起來的高新技術。航跡規劃是在綜合考慮無人飛行器(unmannedaerialvehicle,簡稱uav)到達時間、能量消耗、威脅以及飛行區域等因素的前提下，為飛行器規劃出一條最優(最滿意)的飛行航跡，以保證圓滿完成飛行任務。

傳統的無人機規划算法多是在已知部分或者全局地圖信息的情況下，尋找從已知起點到目標點的最優路徑的方法。常用的航跡算法分為基於概率圖的規劃方法、基於單元分解的規劃方法、人工勢場法、數學規劃方法、基於進化計算的規劃方法等。

太陽能無人機的所有能源來源於光伏充電的儲能電池，因此，如何在有限的太陽輻射功率和光伏模塊鋪設條件下，設計有效的飛行航跡以實現太陽能無人機的持續飛行，是太陽能無人機航跡規劃的核心技術。

另一方面，太陽能無人機的結構事先經過了高度優化，自身具有嚴格的飛行性能約束，航跡規劃時必須考慮uav的物理限制，主要包括最大拐彎角、最大爬升/俯衝角、最大仰角、最小航跡段長度，最低飛行高度等，與傳統的無人機航跡規劃類似，太陽能無人機在進行航跡規劃時，需要結合無人機的物理限制來保證無人機的正常飛行。

目前太陽能無人機航跡規划算法的研究主要通過給定飛機部分物理參數，給定起點和終點，求解從起點到終點，能量獲取最大的一條航跡，但是，在上述的研究中，研究人員假定的條件比較理性化，與實際情況有一定的差距，很少針對實際的晝夜環境對太陽能無人機的航跡進行規劃。

晝夜循環飛行包括白天飛行和夜晚飛行，不同日期下的晝夜環境各不相同，如何規劃飛行航跡十分關鍵。

技術實現要素：

本發明提供一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法，通過該方法能夠在不同的日期和地域情況下，生成滿足晝夜循環飛行的航跡，對於太陽能無人機進行全天候巡航具有重要的應用價值。

本發明的一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法，包括以下步驟：

步驟1：初始化飛行環境和太陽能無人機的物理參數。

飛行環境包括具體飛行的日期、起飛的空間地理坐標、飛行區域光照輻照度的統計數據，太陽能無人機的物理參數包括最大拐彎角、最大爬升/俯衝角、最低飛行高度、最大仰角、不同爬升角和仰角下的飛行速度和氣動消耗。

步驟2：計算特定日期，不同時刻下的太陽高度角和方位角變化數據。

根據步驟1中初始化的飛行的日期和起飛的空間地理坐標，計算當天的日出時間、日落時間以及不同時刻下太陽的高度角和方位角。

步驟3：不同的太陽方位角和高度角下，計算無人機處於不同的飛行姿態(飛機的俯仰角、滾轉角和偏航角)時，鋪設的光伏模塊的輸出功率。

根據無人機的機翼結構與光伏模塊的輸出功率曲線，結合太陽光輻照度和太陽方位(太陽高度角和方位角)，給出無人機不同姿態下，光伏模塊的輸出功率。

對所述的光伏模塊的輸出功率進行統計，整理為功率輸出表，在之後的計算中，不再重複計算不同姿態下所能獲得的能量，只需要在功率輸出表中進行取值即可，大幅度提高了計算效率。

步驟4：根據不同時刻的太陽方位角和高度角，計算對應的最優的飛行姿態。

每一天中不同時刻太陽的高度角和方位角均在不斷地變化，因此，結合步驟2計算的不同時刻下太陽的高度角和方位角，再結合步驟3中的計算結果，得到光伏模塊的輸出功率。結合無人機的氣動耗能與重力耗能，計算得到不同姿態下的能量代價值，從中篩選出最優的代價值，最終得到相對應的飛行姿態。

步驟5：根據不同時刻的飛行姿態，組合成白天太陽能無人機的飛行航跡。

在步驟4中，已經計算得到了不同時刻下，太陽能無人機最優的飛行姿態，再結合無人機自身的物理參數，對無人機的姿態序列進行優化，再結合速度表，得到白天太陽能無人機的航跡序列，將航跡序列進行組合，得到白天太陽能無人機的飛行航跡。

步驟6：在夜晚，太陽能無人機以最小的能耗保持飛行，並計算晚上的飛行航跡。

白天太陽下山前，無人機的儲能電池基本處於滿電量狀態，而夜晚的時間近乎等於白天的光照時間，因此必須保證在第二天太陽升起後，儲能電池還可以供無人機飛行一段時間，不難得出以下結論：為了實現太陽能無人機的晝夜循環巡航，太陽能無人機需要儘可能的在晚上轉為低功耗飛行模式，再根據無人機本身的動力系統，利用低功耗下的飛行速度計算得到夜晚飛行的飛行航跡。

步驟7：根據夜晚飛行的電量消耗給出儲能電池的重量規格，返回步驟1進行重新初始化。

根據無人機本身的動力系統，利用無人機在夜晚的飛行航跡，計算得到夜晚的電量消耗，進而給出儲能電池的重量規格，並將儲能電池參數重新帶入初始化模塊中，進行航跡更新。

所述步驟4中，為了實現太陽能無人機的長時間巡航，本發明提出在進行航跡規劃時，選取不同時刻所對應的最優的俯仰角、滾轉角和偏航角，使得鋪設的光伏模塊所輸出的功率最大，最大限度的對儲能電池進行充電。

本發明一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法的優點在於：提出了一種太陽能無人機航跡規劃方法，可以實現無人機的晝夜循環飛行。

(1)考慮到不同日期和時刻下的太陽高度角和方位角均不同，本發明針對不同的太陽光照條件，計算無人機處於不同姿態下時，光伏模塊的輸出功率，可以最大限度的提升無人機的續航時間。

(2)本發明提出了一種新的太陽能無人機航跡規劃方法，相比於傳統航跡規划算法，太陽能無人機核心問題是能源補給問題，本發明從續航問題對飛行航跡進行了規劃，降低了太陽能無人機實現晝夜巡航的門檻，有利於後續的載荷模塊設計。

(3)本發明提出在夜晚保持最小的能耗進行飛行，結合無人機自身的氣動參數，計算出夜晚的飛行航跡。通過此方法可以快速有效的得到夜晚的飛行航跡。

(4)利用夜晚無人機的飛行消耗，可以對所必須攜帶儲能電池的重量進行估計，以滿足和實現太陽能無人機晝夜循環巡航的要求。

附圖說明

圖1為本發明一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法的整體步驟流程圖。

圖2白天太陽運行軌跡示意圖。

圖3無人機動力學模型。

圖4無人機白天飛行航跡示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明提供的一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法進行詳細說明。

本發明提供了一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法，通過該方法能夠在不同的日期和地域情況下，生成滿足晝夜循環飛行的航跡，使得太陽能無人機能夠全天候巡航。

所述的一種基於晝夜循環飛行的太陽能無人機航跡規劃方法，如圖1所示流程，包括以下步驟：

步驟1：初始化飛行環境和太陽能無人機的物理參數。

飛行環境包括具體飛行的日期、起飛的空間地理坐標、飛行區域光照輻照度的統計數據，太陽能無人機的物理參數包括最大拐彎角、最大爬升/俯衝角、最低飛行高度、最大仰角、不同爬升角和仰角下的飛行速度和氣動消耗。

步驟2：計算特定日期、不同時刻下的太陽高度角和方位角變化數據。

根據步驟1中初始化的飛行的日期和起飛的空間地理坐標，計算當天的日出時間、日落時間以及不同時刻下太陽的高度角和方位角。白天太陽的運行軌跡示意圖如圖2所示，在不同的時刻，太陽的高度角和方位角均不同。

步驟3：計算不同的太陽方位角和高度角下，無人機處於不同的飛行姿態時，鋪設的光伏模塊的輸出功率。

根據無人機的機翼結構與光伏模塊的功率輸出曲線，結合太陽光輻照度和太陽方位，給出無人機不同姿態下，光伏模塊的輸出功率，無人機動力學模型如圖3所示。

在圖3中，包含兩個坐標系，分別為地面坐標系(xyz)和機體坐標系(xyz)，φ表示無人機的滾轉角，ψ表示無人機的偏航角，γ表示無人機的俯仰角。θ表示太陽光入射角。令e表示太陽的高度角，a表示太陽的方位角。太陽光在地面坐標系中的位置定義為：

太陽光在機體坐標系中可由下式計算得到：

其中，r1(φ)、r2(γ)和分別代表地面坐標系與機體坐標系間相對應的三個坐標軸的旋轉矩陣。入射角θ由公式(3)給出：

其中，za表示機體坐標系中豎直方向上的坐標軸，由公式(4)給出：

za＝[0,0,1]t(4)

已知太陽高度角和方位角，以及太陽能無人機的飛行姿態，可以計算出太陽光的入射角，繼而根據太陽光的輻照度計算得到光伏模塊的輻照度，結合光伏模塊的固有參數，得到光伏模塊的輸出功率。

步驟4：根據不同時刻的太陽高度角和方位角，計算對應的最優的飛行姿態。

每一天中不同時刻太陽的高度角和方位角均在不斷地變化，因此，結合步驟2計算的不同時刻下太陽的高度角和方位角，再結合步驟3中的計算結果，得到光伏模塊輸出功率，結合無人機的氣動耗能與重力耗能，計算得到不同姿態下的能量代價值，從中篩選出最優的代價值，最終得到相對應的飛行姿態。

根據步驟3中的計算公式，計算無人機處於不同姿態角時(姿態變化範圍受無人機物理參數約束)，光伏模塊的輸出功率，結合能量消耗，得出不同姿態下的能量結餘，選取其中最優的數值，並記錄對應的飛行姿態(即能力結餘最大對應的飛行姿態)。

步驟5：根據不同時刻的飛行姿態，確定白天太陽能無人機的飛行航跡。

在步驟4中，已經計算得到了不同時刻下，太陽能無人機最優的飛行姿態，再結合無人機自身的物理參數，對無人機的姿態序列進行優化，然後利用速度表，得到白天太陽能無人機的航跡序列，將航跡序列進行組合，得到白天太陽能無人機的飛行航跡。無人機白天飛行航跡示意圖如圖4所示。

在圖4中，曲線為無人機的飛行航跡，飛行爬升曲線主要是受到太陽能無人機的啟動約束而變得平緩。

步驟6：在夜晚，太陽能無人機以最小的能耗保持飛行，並計算晚上的飛行航跡。

白天太陽下山(日落)前，無人機的儲能電池基本處於滿電量狀態，而夜晚的時間近乎等於白天的光照時間，因此必須保證在第二天太陽升起後，儲能電池還可以供無人機飛行一段時間，不難得出以下結論：太陽能無人機需要儘可能的在晚上轉為低功耗飛行模式，再根據無人機本身的動力系統，利用低功耗下的飛行速度計算得到夜晚飛行的飛行航跡，夜晚無人機的速度可以認為是勻速飛行，繼而根據飛行時間計算飛機的飛行航跡。

步驟7：根據夜晚飛行的電量消耗給出儲能電池的重量規格，返回步驟1，改變初始時刻電池的重量(無人機重量發生改變，繼而會影響無人機的氣動性能)。

重複步驟2～7，直至無人機所攜帶的電池規格可以滿足過夜的需求。

結合圖4以及夜晚無人機飛行的航跡，可以得到初步規劃的飛行航跡，該飛行航跡結合了太陽運行規律與無人機自身的物理參數，保證了航跡的有效性，另外，本發明本身屬於離線航跡規劃方法，但是在設計過程中，由於對已知參數的表格化，本方法可以快速的規劃出可行的飛行航跡，方便之後的航跡規劃的在線擴展。