CN105398578A - 一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机技术领域，涉及一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，包括启动太阳能飞行器动力系统，太阳能飞行器利用储能电池和太阳光照提供的能量飞到预定高度；太阳能电池板接收太阳光照，产生电能，太阳能飞行器搭载的能源管理系统检测太阳能电池功率；通过推阻平衡关系得到平飞功率和平飞速度；根据太阳能飞行器输入功率与平飞功率的大小关系，控制太阳能飞行器的飞行模式。发明针对太阳能飞行器的特点，根据外界能量输入，控制螺旋桨转速，在太阳能充裕的情况下爬升或平飞，有效储存势能；在太阳能不足的情况下转入下滑状态，通过势能和动能的转化来改变太阳能飞行器飞行速度，实现太阳能飞行器的安全飞行。

Description

一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，涉及一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法。

背景技术

利用平流层稳定的大气环境和太阳能源实现超长航时升力飞行的太阳能飞行器是当前国际研究的热点和前沿领域之一。该飞行器具有可昼夜持续飞行、对地无遮挡覆盖范围大、工作状态稳定、应用成本较低、服务响应速度快等优点，在环境探测、区域通信、边境监控、灾害预警和监测、高分辨率对地观测等任务中具有广阔的应用前景。

太阳能飞行器内安装有能源管理系统，用于监测和管理太阳能飞行器自身储存的能量和接收自外部的能量，比如太阳光照。

如何实现太阳能飞行器跨昼夜长期运行和在平流层高度稳定安全飞行是该领域面临的核心挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种控制方法，实现了太阳能飞行器跨昼夜长期运行和在平流层高度稳定安全飞行。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法。

一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，步骤如下：

S1，启动太阳能飞行器动力系统，太阳能飞行器利用储能电池和太阳光照提供的能量飞到预定高度；

S2，太阳能电池板接收太阳光照，产生电能，太阳能飞行器搭载的能源管理系统检测太阳能电池功率，太阳能电池功率即为太阳能飞行器的输入功率；

S3，根据当前太阳能飞行器的飞行速度、高度和质量，通过推阻平衡关系得到平飞功率和平飞速度；

S4，根据太阳能飞行器输入功率与平飞功率的大小关系，控制太阳能飞行器的飞行模式；

若太阳能飞行器输入功率大于平飞功率时，太阳能飞行器进入爬升模式；太阳能飞行器的升降舵保持飞行器的爬升速度恒定，使飞行器在安全的空速下爬升，飞行器增加飞行高度和重力势能；

若太阳能飞行器输入功率等于平飞功率时，太阳能飞行器进入平飞模式；太阳能飞行器的升降舵保持飞行器的平飞速度恒定，维持飞行器平飞姿态，保持太阳能飞行器稳定的飞行高度和重力势能；

若太阳能飞行器输入功率小于平飞功率时，太阳能飞行器进入下滑模式；太阳能飞行器的升降舵保持飞行器的下滑速度，维持飞行器下滑姿态，此时，能源管理系统减小太阳能电池功率，使用储能电池内的能量。

进一步，太阳能飞行器进入爬升模式时的具体执行步骤如下：

第一步，设置爬升速度，计算太阳能飞行器的需要推力；

第二步，根据太阳能飞行器的需要推力反求螺旋桨转速；

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的爬升速度恒定，使飞行器在安全的空速下爬升，飞行器增加飞行高度和重力势能。

太阳能飞行器进入平飞模式时的具体执行步骤如下：

第一步，根据推阻平衡关系计算太阳能飞行器的需要推力；

第二步，根据太阳能飞行器的需要推力反求螺旋桨转速；

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的平飞速度恒定，维持飞行器平飞姿态，保持太阳能飞行器稳定的飞行高度和重力势能；

太阳能飞行器进入下滑模式时的具体执行步骤如下：

第一步，计算下滑速度；

第二步，计算太阳能飞行器的需要推力；

第三步，根据太阳能飞行器的需要推力反求螺旋桨转速；

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的下滑速度恒定，使飞行器在安全的空速下下滑，飞行器减少高度，重力势能降低；此时，能源管理系统减小太阳能电池功率，使用储能电池内的能量。

本发明针对太阳能飞行器的特点，根据外界能量输入，控制螺旋桨转速，在太阳能充裕的情况下爬升或平飞，有效储存势能，实现能量利用的最大化，具备创新性和实用性；在太阳能不足的情况下转入下滑状态，通过势能和动能的转化来改变太阳能飞行器飞行速度，实现太阳能飞行器的安全飞行。本发明能够有效实现太阳能飞行器的纵向航迹控制，并能在能源利用最大化的条件下保证飞行安全，具有实用性。

附图说明

图1为本发明基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法的流程示意图。

具体实施方案

本发明针对太阳能飞行器受限于外界能量输入的特点，提出了一种太阳能飞行器纵向航迹的安全控制方法。

下面结合附图对本发明进行具体描述，其中“飞行器”表示“太阳能飞行器”。

一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，步骤如下：

S1，启动太阳能飞行器动力系统，太阳能飞行器利用储能电池和太阳光照提供的能量飞到预定高度；

S2，太阳能电池板接收太阳光照，产生电能，太阳能飞行器搭载的能源管理系统检测太阳能电池功率，太阳能电池功率即为太阳能飞行器的输入功率；

S3，根据当前太阳能飞行器的飞行速度、高度和质量，通过推阻平衡关系得到平飞功率P_H和平飞速度V_H，计算公式如下：

$V_H=\sqrt{\frac{2W}{{\mathrm{\ρSC}}_L}}$

$P_H=\frac{W^{3/2}}{K}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ρSC}}_L}}$

其中，默认已知升力系数和阻力系数，W为太阳能飞行器重力，K为太阳能飞行器当前升阻比，ρ为空气密度，S为太阳能飞行器的机翼面积，C_L为太阳能飞行器的升力系数；

S4，根据太阳能飞行器输入功率与平飞功率的大小关系，控制太阳能飞行器的飞行模式；

(一)若太阳能飞行器输入功率大于平飞功率时，太阳能飞行器进入爬升模式：

第一步，考虑安全性，设置爬升速度V_C为0.8V_H，计算太阳能飞行器的需要推力T：

$V_V=\frac{\mathrm{\Δ}P}{W}=\frac{P-P_H}{W}$

$sin\mathrm{\γ}=\frac{V_V}{V_C}$

T＝D+Wsinγ

其中，ΔP为剩余功率，V_V为爬升率，γ为航迹倾角，D为阻力，T为需用推力；

第二步，根据太阳能飞行器的需要推力T反求螺旋桨转速ω：

T＝K_p1ω²-K_p2ωV_C

其中，K_p1，K_p2为螺旋桨参数，由螺旋桨制作厂家提供或实验测得。

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的爬升速度恒定，使飞行器在安全的空速下爬升，飞行器增加飞行高度和重力势能。太阳能电池转换的富余电能为储能电池充电。

闭环反馈回路的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_V=V_C^{\′}-V_A\\ {\mathrm{\δ}}_e=k_p{e}_V+k_i\∫e_{V}dt+k_d\frac{{\mathrm{de}}_V}{dt}\end{array}\right.$

其中，e_V为速度偏差，V′_C为飞行器的理论爬升空速值，V′_C＝V_C，V_A为飞行器的当前实测空速值，δ_e为升降舵偏角，k_p、k_i、k_d分别为闭环反馈回路的比例、积分和微分系数，k_p、k_i、k_d的值由人为给出或多次实验测得。

(二)若太阳能飞行器输入功率等于平飞功率时，太阳能飞行器进入平飞模式：

第一步，根据推阻平衡关系计算太阳能飞行器的需要推力T：

T＝D

其中，D为阻力，T为需用推力；

第二步，根据太阳能飞行器的需要推力T反求螺旋桨转速ω：

T＝K_p1ω^２-K_p2ωＶ_Ｈ

其中，K_p1，K_p2为螺旋桨参数，由螺旋桨制作厂家提供或实验测得。

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的平飞速度恒定，维持飞行器平飞姿态，保持太阳能飞行器稳定的飞行高度和重力势能，此时，太阳能电池转换的富余电能为储能电池充电；

闭环反馈回路的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_V=V_H^{\′}-V_A\\ {\mathrm{\δ}}_e=k_p{e}_V+k_i\∫e_{V}dt+k_d\frac{{\mathrm{de}}_V}{dt}\end{array}\right.$

其中，e_V为速度偏差，V_H′为飞行器的理论平飞空速值，V′_H＝V_H，V_A为飞行器的当前实测空速值，δ_e为升降舵偏角，k_p、k_i、k_d分别为闭环反馈回路的比例、积分和微分系数，k_p、k_i、k_d的值由人为给出或多次实验测得。

(三)若太阳能飞行器输入功率小于平飞功率时，太阳能飞行器进入下滑模式；

第一步，计算下滑速度V_d，

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=\sqrt{\frac{2W}{{\mathrm{\ρSC}}_R}}\\ C_R=\sqrt{C_L^2+C_D^2}\end{array}\right.$

其中，ρ为空气密度，S为太阳能飞行器的机翼面积，C_L为太阳能飞行器的升力系数，C_D为太阳能飞行器的阻力系数，C_R为空气动力系数。

第二步，计算太阳能飞行器的需要推力T：

$V_V^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}P}{W}=\frac{P-P_H}{W}$

$sin\mathrm{\γ}=\frac{V_V^{\′}}{V_d}$

T＝D+Wsinγ

其中，ΔP为剩余功率，V′_V为下降率，γ为航迹倾角，D为阻力，T为需用推力；

第三步，根据太阳能飞行器的需要推力T反求螺旋桨转速ω：

T＝K_p1ω²-K_p2ωV_d

其中，K_p1，K_p2为螺旋桨参数，由螺旋桨制作厂家提供或实验测得。

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的下滑速度恒定，使飞行器在安全的空速下下滑，飞行器减少高度，重力势能降低。此时，能源管理系统减小太阳能电池功率，使用储能电池内的能量。

闭环反馈回路的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_V=V_d^{\′}-V_A\\ {\mathrm{\δ}}_e=k_p{e}_V+k_i\∫e_{V}dt+k_d\frac{{\mathrm{de}}_V}{dt}\end{array}\right.$

其中，e_V为速度偏差，V′_d为飞行器的理论下滑空速值，V_A为飞行器的当前实测空速值，δ_e为升降舵偏角，k_p、k_i、k_d分别为闭环反馈回路的比例、积分和微分系数，k_p、k_i、k_d的值由人为给出或多次实验测得。

Claims (4)

1.一种基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，其特征在于，步骤如下：

S1，启动太阳能飞行器动力系统，太阳能飞行器利用储能电池和太阳光照提供的能量飞到预定高度；

S2，太阳能电池板接收太阳光照，产生电能，太阳能飞行器搭载的能源管理系统检测太阳能电池功率，太阳能电池功率即为太阳能飞行器的输入功率；

S3，根据当前太阳能飞行器的飞行速度、高度和质量，通过推阻平衡关系得到平飞功率和平飞速度；

S4，根据太阳能飞行器输入功率与平飞功率的大小关系，控制太阳能飞行器的飞行模式；

若太阳能飞行器输入功率大于平飞功率时，太阳能飞行器进入爬升模式；太阳能飞行器的升降舵保持飞行器的爬升速度恒定，使飞行器在安全的空速下爬升，飞行器增加飞行高度和重力势能；

若太阳能飞行器输入功率等于平飞功率时，太阳能飞行器进入平飞模式；太阳能飞行器的升降舵保持飞行器的平飞速度恒定，维持飞行器平飞姿态，保持太阳能飞行器稳定的飞行高度和重力势能；

若太阳能飞行器输入功率小于平飞功率时，太阳能飞行器进入下滑模式；太阳能飞行器的升降舵保持飞行器的下滑速度，维持飞行器下滑姿态，此时，能源管理系统减小太阳能电池功率，使用储能电池内的能量。

2.根据权利要求1所述基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，其特征在于，太阳能飞行器进入爬升模式时的具体执行步骤如下：

第一步，设置爬升速度，计算太阳能飞行器的需要推力；

第二步，根据太阳能飞行器的需要推力反求螺旋桨转速；

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的爬升速度恒定，使飞行器在安全的空速下爬升，飞行器增加飞行高度和重力势能。

3.根据权利要求2所述的基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，其特征在于，太阳能飞行器进入平飞模式时的具体执行步骤如下：

第一步，根据推阻平衡关系计算太阳能飞行器的需要推力；

第二步，根据太阳能飞行器的需要推力反求螺旋桨转速；

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的平飞速度恒定，维持飞行器平飞姿态，保持太阳能飞行器稳定的飞行高度和重力势能。

4.根据权利要求3所述的基于纵向航迹的太阳能飞行器安全控制方法，其特征在于，太阳能飞行器进入下滑模式时的具体执行步骤如下：

第一步，计算下滑速度；

第二步，计算太阳能飞行器的需要推力；

第三步，根据太阳能飞行器的需要推力反求螺旋桨转速；

太阳能飞行器的升降舵通过闭环反馈回路保持飞行器的下滑速度恒定，使飞行器在安全的空速下下滑，飞行器减少高度，重力势能降低；此时，能源管理系统减小太阳能电池功率，使用储能电池内的能量。