CN106768123A - 一种无人直升机燃油预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人直升机燃油预估方法，属于无人直升机技术领域。基于查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的一种混合预估方法，包括以下步骤；步骤一、根据无人直升机飞行航线对所述飞行航线分析，确定无人直升机飞行航线包含的过程和阶段；步骤二、预估无人机各阶段的平均油耗率和各阶段的持续时间t(i)并估算每个阶段的平均消耗油量；步骤三、将各阶段的消耗油量进行叠加运算整个飞行过程中燃油消耗量，考虑了温度和风速等因素对燃油预估的影响，大大提高了预估的精度。

Description

一种无人直升机燃油预估方法

技术领域

本发明属于无人直升机技术领域，具体涉及一种无人直升机燃油预估方法。

背景技术

现有的飞机燃油预估模型中采用比较典型的预估模型：有基于能量平衡原理的燃油消耗估计模型、应用能量状态法预估模型，而这些模型考虑因素不全面，基本上不考虑风速、温度对耗油率的影响并且上述模型应用的参数很多基本上都需要通过查阅飞机性能的相关参数图，使用很不方便。除此之外，该模型基本上只考虑巡航或定速阶段的燃油消耗。因此该模型很难在工程中得到应用。

利用神经网络建立了升力和阻力、推力和燃油流量的关系模型，避免了性能图表查询的手工操作，提高了计算速度。但该模型没有考虑飞机运动相关数据，无法直接的估算实际燃油消耗量。Trani应用一定量的性能数据库数据，结合跟飞记录数据，训练神经网络，得到燃油消耗值。但这种方式对性能数据的选择要求高，而且无法考虑气象因素和水平面燃油消耗，飞机在爬升、下降时飞行姿态、飞机气动外形变化较大，数据点采集效果欠佳。而此种方法中神经网络结构收敛速度较慢，预测精度有限。

无人直升机具备悬停、低速飞行等特殊性，在执行任务时，有很多不确定性。上述方法和模型很难在无人直升机上工程应用。

发明内容

本发明的目的:为了解决上述问题，本发明提供一种无人直升机燃油预估方法，基于大量实验试飞数据基础上，采用耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的技术方案，提高了燃油预估精度。

本发明的技术方案:一种无人直升机燃油预估方法，基于查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的一种混合预估方法，包括以下步骤；

步骤一、根据无人直升机飞行航线对所述飞行航线分析，确定无人直升机飞行航线包含的过程和阶段；

步骤二、预估无人机各阶段的平均油耗率和各阶段的持续时间t(i)并估算每个阶段的平均消耗油量；

步骤三、将各阶段的消耗油量进行叠加运算整个飞行过程中燃油消耗量，计算公式如下：

其中GF为燃油消耗量，n为航线飞行包含的飞行阶段，为第i个飞行阶段的平均耗油率，t(i)为第i阶段的持续时间；

优选的，所述步骤二求解每阶段持续时间t(i)过程中，利用空速和地速的差值以及姿态量、航向模拟估算风速和风向且需经多次改变航向进行估算。

优选地，所述步骤二估算每个阶段的平均油耗过程中，需获得每个时刻的瞬时油耗。

优选地，所述估算每个时刻的瞬时油耗采用查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的方法，计算公式如下：

其中RF为耗油率，fS是通过查耗油率数字图表得到的耗油；fR是根据飞行参数分析与统计得到的耗油率，C是比例因子；W为飞行重量，HP为大气高度，Th为大气温度，V为飞行速度。

优选地，所述比例因子C的范围为0到1，随着对飞行参数的分析与统计，有效样本数N不断增加，比例因子C不断增加。

优选地，所述耗油率数字图表为多种典型飞机重量W和高度密度H排列组合得到的空速与耗油率的对应关系图表并存入本地数据库。

优选地，所述飞行参数分析与统计的原理为根据飞行参数、状态，利用数据库中对应该阶段的耗油率关系表并参考数据库中样本数据，利用线性差值算法，得到该阶段/该时刻的耗油率fR。

本发明的技术效果:本发明基于查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的自训练的燃油预估的方法是将两种燃油预估方法相结合的一种混合预估方法，考虑了温度和风速等因素对燃油预估的影响，大大提高了预估的精度。

附图说明

图1为本发明一种无人直升机燃油预估方法的一优选实施例的飞行前燃油预估流程示意图。

图2为为本发明一种无人直升机燃油预估方法的一优选实施例的飞行中燃油预估流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明，请参阅图1至图2；

无人直升机在不同飞行过程中，耗油率明显不同。根据无人直升机的使用特点，此处我们将无人直升机分为如下几个典型飞行过程，分别为：地面开车过程、悬停过程、加速过程、减速过程、爬升过程、下滑过程、定速/巡航过程。每个过程可以包含若干阶段，比如在加速过程中，可以包含加速到V1的阶段，加速到V2的阶段等等。一般过程的每个阶段在时间上是不连续的，比如进入加速过程的加速完成V1阶段后，进入定速巡航过程D1阶段，然后进入加速到V2阶段后，速度稳定后又进入定速巡航过程的D2阶段。当无人直升机的飞行航线确定后，我们对航线进行分析，确定无人直升机包含哪些过程、阶段，然后计算每个阶段的平均耗油率和持续时间，平均耗油率与持续时间相乘得到该阶段的消耗预估油量。最后将每个阶段的预估油量相加即得到整个飞行过程的总油量预估。计算公式如下：

其中GF为燃油消耗量，单位为千克(kg),n为航线飞行包含的飞行阶段，(RF)(i)为第i个飞行阶段的平均耗油率，单位为千克/秒(kg/s)，t(i)为第i阶段的持续时间。

一般情况，风速对持续时间t(i)影响比较大。根据飞行控制中速度的控制策略，一般我们采取空速作为信号控制量。当保持空速不变时，风速对地速影响很大，而无人直升机飞行速度一般比较低，从而很大程度上影响燃油消耗。没有在飞机安装测风速风向的设备情况下，估算出风速和风向对预估燃油消耗量有着重要意义。

根据飞行控制的姿态控制策略，当无人直升机悬停在空中时，风速作为干扰量，飞机为了稳定会调整姿态达到飞机平台稳定，通过姿态的调整量和航向，我们简单估算风速风向。

当飞行过程中，空速和地速的差值以及姿态量、航向模拟估算风速和风向，当飞机多次改变航向时，对风速和风向估算越准确。得到风速和风向后，根据预设航线很容易出t(i)，实时校准对航线的燃油预估值。

在燃油预估方法中，要估算每个阶段的平均油耗，需要获得每个时刻的瞬时油耗。计算瞬时油耗采用查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的方法。计算公式如下：

其中RF为耗油率，单位为千克/秒(kg/s)。fS是通过查耗油率数字图表得到的耗油。fR是根据飞行参数分析与统计得到的耗油率。C是比例因子，范围0到1，代表通过飞行参数分析与统计得到的耗油率对RF影响程度，随着对飞行参数的分析与统计，有效样本数N不断增加，比例因子C不断增加，随着C增加，fR在RF比例越来越大。

fS计算方法：

在获取fS时，飞机起飞重量和高度密度(density height)对耗油率影响很大，不考虑风速的影响。我们这里用到的耗油率数字图表是一种在典型起飞重量和典型高度密度的情况下，空速与耗油率的对应关系表。综合飞机的平台参数和执行任务的场景与性质，我们选取3种典型的飞机重量(W1，W2，W3)，4种典型高度密度(H1 0m，H2 1500m，H3 2000m，H43000m)，这两种典型情况排列组合，得到12张空速与耗油率的对应关系曲线/图表。我们把这12张图表数字化，存入本地数据库。

当一条飞行航线(航线包括飞行总距离，总时间，每个阶段的飞行速度、高度、动作、任务信息等)确定后，根据飞行总距离和时间，选择一个典型起飞重量，然后计算该航线不同飞行阶段的高度密度Hd，Hd是与气压高度Hp和大气温度Th有关。具体计算公式如下：

其中Hd为密度高度，Hp为大气高度(飞行前可用海拔高度等效，飞行过程中根据当前飞行参数显示的飞机参数)，Th为大气温度，如果不能获得高空大气温度，可以用机场环境温度，并结合飞机与机场的高度差，估算出高空中大气温度，δ为密度比，Δ为压力比，θ为温度比。

当选择飞机起飞重量并计算高度密度Hd后，根据该起飞重量下，4个典型高度密度表，利用一维线性差值得到该密度高度下速度与油耗的对应关系，从而得到fS。

fR计算方法：

根据无人直升机使用特点，用户可以直接在地面站监控软件中实时监控飞机平台参数，包括当前油量、飞机姿态、速度(空速、地速)、高度(大气高度、海拔高度等)、阶段状态等参数。

在飞机飞行过程中，根据飞机的参数我们很容易确定飞机的飞行阶段。当飞机开始进入某一飞行阶段时，开始统计进入该阶段的飞机当前燃油剩余量、飞机俯仰角、滚转角、真航向、空速、地速、大气高度、海拔高度、大气温度、退出该阶段的燃油剩余量。然后根据这些参数计算该阶段持续时间、燃油消耗量以及估算出风速和风向。利用数据库技术，将获取和计算的该阶段的参数信息(包括该阶段持续时间、燃油消耗量、大气高度、海拔高度、大气温度、风速、风向、飞机重量等)记录在数据库相应数据表中。

通过不断飞行和试验，数据库中记录的样本数据越来越多，每次飞行结束后，系统自动对数据库每个数据表进行数据统计和分析，修正耗油率数据库关系表，这就我们说的基于飞行参数分析的耗油率自训练的方法。

飞行参数分析与统计的原理是根据现在飞行参数、状态，然后利用数据库中对应该阶段的耗油率关系表并参考数据库中样本数据，利用差值等算法，得到该阶段/该时刻的耗油率fR。

通过飞行参数分析与统计获得耗油率的方法的核心是根据以前的飞行数据，自动建立样本数据库和耗油率关系库。建立数据库时，最重要的一个参数变量是飞机当前的油量，通过飞机当前油量的变化得到某个飞行阶段的耗油量，进而通过算法得到耗油率等信息，因此当前油量的显示准确性对建立数据库表起到至关重要的作用。

目前大部分无人直升机获取当前油量都是通过油箱内的传感器获得。然而实验证明，飞机姿态对油量传感器的测量结果有很大的影响。因此我们需要根据飞机姿态变化，对油量传感器测量结果做进一步修正，该修正方法依然通过实验数据获得。我们将飞机固定在模拟台上，燃油在飞机中加入固定量油(添加的油量我们已知)，然后通过模拟台改变飞机姿态(俯仰和滚转)，然后记录在该姿态下，燃油传感器测量值。经过大量实验数据，拟合出油量显示值、俯仰角、滚转角与真实油量的关系函数，然后通过该函数修正当前油量显示。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：基于查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的一种混合预估方法，包括以下步骤；

步骤一、根据无人直升机飞行航线对所述飞行航线分析，确定无人直升机飞行航线包含的过程和阶段；

步骤二、预估无人机各阶段的平均油耗率和各阶段的持续时间t(i)并估算每个阶段的平均消耗油量；

步骤三、将各阶段的消耗油量进行叠加运算整个飞行过程中燃油消耗量，计算公式如下：

其中GF为燃油消耗量，n为航线飞行包含的飞行阶段，为第i个飞行阶段的平均耗油率，t(i)为第i阶段的持续时间。

2.根据权利要求1所述的一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：所述步骤二求解每阶段持续时间t(i)过程中，利用空速和地速的差值以及姿态量、航向模拟估算风速和风向且需经多次改变航向进行估算。

3.根据权利要求1所述的一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：所述步骤二估算每个阶段的平均油耗过程中，需获得每个时刻的瞬时油耗。

4.根据权利要求3所述的一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：所述估算每个时刻的瞬时油耗采用查耗油率数字图表和飞行参数分析与统计的耗油率结合的方法，计算公式如下：

其中RF为耗油率，fS是通过查耗油率数字图表得到的耗油；fR是根据飞行参数分析与统计得到的耗油率，C是比例因子，W为飞行重量，HP为大气高度，Th为大气温度，V为飞行速度。

5.根据权利要求3所述的一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：所述比例因子C的范围为0到1，随着对飞行参数的分析与统计，有效样本数N不断增加，比例因子C不断增加。

6.根据权利要求3中所述的一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：所述耗油率数字图表为多种典型飞机重量W和高度密度H排列组合得到的空速与耗油率的对应关系图表并存入本地数据库。

7.根据权利要求3中所述的一种无人直升机燃油预估方法，其特征在于：所述飞行参数分析与统计的原理为根据飞行参数、状态，利用数据库中对应该阶段的耗油率关系表并参考数据库中样本数据，利用线性差值算法，得到该阶段/该时刻的耗油率fR。