CN108820185A - 基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，所述变形翼飞行器在进入预设高度的梯度风场后采用固定翼飞行模式飞行，该固定翼飞行模式采用动态翱翔优化路径以Rayleigh环方式进行飞行。使变形翼飞行器在逆风上升和顺风下降中获取能量，补充在转弯过程中消耗的能量，实现变形翼飞行器的远距离的飞行。
Description
技术领域
本发明涉及变形翼飞行器能量管理领域，具体为一种基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法。
背景技术
目前的飞行器大部分为固定翼飞行器与扑翼飞行器，这两种翼面布局方式各有其优点，固定翼飞行器应用广泛，主要是靠螺旋桨或者涡轮发动机产生推力，固定翼产生升力来飞行，所以其飞行速度快，比较经济，运载能力大但其机械效率不高；而扑翼飞行器通过翼面的上下扑动同时产生升力和推力，具有效率高、尺寸小和重量轻的优点，并可应用于军事侦察，环境识别等方面。
飞行器在天空中飞行会消耗大量的能源，那么飞行器可否不携带任何能源却又能够持久飞行呢？在大气环境中，尤其是在贴近地面和海面处，由于剪切层的存在，当地的风速会随着高度而改变，这样的风场被称为梯度风场。人们观察到，信天翁可以一次飞行长达数千公里而几乎不拍打翅膀。rayleigh勋爵首次从飞行力学的角度分析了信天翁利用海面梯度风场获取能量的机理。信天翁利用梯度风场获能的飞行方式被称为动态滑翔。
飞行器在飞过梯度风场时空速会发生额外的改变，如果飞行器能够时刻从梯度风场中获取能量来补充它消耗的部分，那就可以实现长距离的飞行。
针对现有的问题，设计一种变形翼飞行器的能量管理策略，使变形翼飞行器在梯度风场中获取能量实现远距离飞行的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，结合扑翼与固定翼飞行器的飞行优势，为变形翼飞行器制定了一种飞行过程下的能量管理策略，实现变形翼飞行器在长航程飞行下利用梯度风场补充能量的一种飞行方式，提高变形翼飞行器的飞行距离。实现多种模式，多种场景下的任务执行需求。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，所述变形翼飞行器在进入预设高度的梯度风场后采用固定翼飞行模式飞行，该固定翼飞行模式采用动态翱翔优化路径以Rayleigh环方式进行飞行；
所述动态翱翔优化路径的具体算法包括以下步骤：
步骤1、根据变形翼飞行器中预设的动态翱翔路径中一个周期内的飞行轨迹，建立约束条件，具体如下：
Vamin≤V≤Vamax，CLmin≤C≤CLmax
其中，J是目标限制函数，γ为变形翼飞行器航迹角，为变形翼飞行器航向角；Va限制空速的范围；CL为限制飞行过程中的升力系数的大小；E为一个动态翱翔周期中的能量变化；t为一个动态翱翔周期的时长；
步骤2、根据步骤1建立的约束条件，采用高斯伪普法得到动态翱翔优化路径。
优选的，所述动态翱翔优化路径包括逆风上升、高空转弯、顺风下降和低空转弯四个过程。
优选的，所述高空转弯和低空转弯的方向相同时，则变形翼飞行器在该区域驻留；所述高空转弯和低空转弯的方向相反时，则变形翼飞行器实现位置平移。
优选的，所述变形翼飞行器在起飞和降落阶段采用扑翼飞行模式飞行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
该基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，根据变形翼飞行器中预设的一个周期内动态翱翔运行轨迹，建立约束条件，采用高思伪普法计算出梯度风场中动态翱翔的优化路径，变形翼飞行器采用动态翱翔路优化径以Rayleigh环方式进行飞行，使变形翼飞行器在逆风上升和顺风下降中获取能量，补充在转弯过程中消耗的能量，实现变形翼飞行器的远距离的飞行。
变形翼飞行器在起飞和降落阶段采用扑翼飞行模式飞行，飞行效率更高，起飞降落要求降低，可以满足多场景飞行环境限制，利用扑翼飞行器起飞的优势将满足更广阔的适用场景。
附图说明
图1为海面典型风场风速和梯度随高度变化曲线图；
图2为风梯度场中变形翼飞行器滑翔路径；
图3为风梯度滑翔仿真路径图；
图4为风场中变形翼飞行器吸收能量与损耗能量关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，采用一架用于风梯度滑翔实验的小型飞行器，该飞行器的机翼为变形翼，其设计参数参照了相关文献中信天翁的体型结构参数，具体如下图所示：
飞行器参数
该基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，包括以下步骤：
步骤1、根据环境及飞行高度确定梯度风强度。
观测数据显示在地面以上0～30km的范围内都有梯度风场存在，变形翼飞行器提升飞行高度首先为了任务需要，其次是梯度风强度与飞行高度成正比关系。
理论上讲只要有陡峭的风梯度就可以进行动态滑翔。实际生活中，这样的情形可能发生在山坡背风侧的分离流中以及地面边界层或阵风里。Idrac的文章指出试验显示随高度增高而加剧的风场总是存在于海面上空。圣地亚国家实验室成功地在山坡背风侧进行了遥控动态滑翔试验。
气象气球测量的数据也展示了梯度风场几乎存在于地面以上30km范围内的每一个高度上，这意味着动态滑翔的适用范围很广阔。
梯度风场的两层模型是比较粗略的描述，实际海面上的风速是随高度连续变化的。图1展示的是符合MIL-F-8785C标准的一个海面梯度风对数模型，可表示为
其中，W和z分别代表的是风速和高度，而W6和Z0代表6m处的风速和基准高度(通常认为是0.5m)。风梯度Gw可表示为:
从图1可见，风梯度随着高度的增加而减小。在接近海面处，风速变化极其陡峭，其风梯度至少有1s－1～2s－1。这意味着高度上升1m，风速至少增加1m/s～2m/s。所以判断梯度风场强度主要依靠飞行高度与梯度风场的关系函数及此时的风速，从而去得到风梯度大小。
确定风梯度Gw之后，作为牵连惯性力参与到变形翼飞行器的受力分析过程中，我们可以推导出在风场中的变形翼飞行器动力学模型，从而为变形翼飞行器的运动轨迹规划提供理论计算基础。
步骤2、变形翼飞行器在起飞阶段采用扑翼飞行模式飞行，飞入预设的高度值。因扑翼飞行效率及机械效率高，可以满足多场景飞行环境限制，利用扑翼飞行器起飞的优势将满足更广阔的适用场景。
步骤3、变形翼飞行器在进入预设高的梯度风场后用固定翼飞行模式，该固定翼飞行模式采用动态翱翔路径以Rayleigh环方式进行飞行，动态翱翔路径包括逆风上升、高空转弯、顺风下降和低空转弯四个过程，四个过程周期性反复进行达到无能量消耗的长距离飞行；
动态滑翔过程中变形翼飞行器能够通过逆风爬升、顺风下滑从梯度风场中获取能量，但是变形翼飞行器不可能一直以其中某种状态持续飞行，首先因为梯度风存在的高度范围有限，其次变形翼飞行器的寄生阻力系数与失速特性形成了空速的上下边界；阻力的功率与空速的立方成正比，可能会超过动态滑翔力的功率，使得能量不再增加。
如果用两个过度的转弯将这两种状态首尾相接形成一个空间的闭环，在爬升和下降时获取能量，在转弯过程中消耗获取的能量，形成一个能量的闭环，并回到初始的状态，这就是形成了完整的动态滑翔过程，即Rayleigh环。这个空间与能量的闭环运动，可以不断重复执行。
如果高空转弯和低空转弯两个转弯的方向一致，则变形翼飞行器可实现长时间无动力区域驻留，如果方向相反，还可实现位置平移。动态滑翔的四个过程运动特征迥异却又紧凑衔接，需要从全局层面来考虑整个运动过程中的能量供需平衡。
变形翼飞行器动态翱翔最优路径的计算方法如下：
为了使变形翼飞行器可以更好的利用风梯度，进而获取最大的能量完成整个动态翱翔过程，需要对能量的获取进行优化，而其实际是路径最优化问题，使用软件为MATLAB，首先使用MATLAB读取变形翼飞行器中预设的动态翱翔路径中一个周期内的飞行轨迹，进行最优化处理，建立约束条件如下：
Vamin≤V≤Vamax，CLmin≤C≤CLmax
其中J是目标限制函数，γ为变形翼飞行器航迹角，为变形翼飞行器航向角；γ和限制优化过程中的飞行姿态，进而确定最优路径；Va限制空速的范围；CL限制飞行过程中的升力系数的大小；E为一个动态翱翔周期中的能量变化；t为一个动态翱翔周期的时长。
参照一个MATLAB的工具包GPOPS(Gauss Pseudospectral OptimizationSoftware)的程序模式，在已建立的约束条件下，得出该模型下变形翼飞行器在梯度风场中最优的动态翱翔路径。变形翼飞行器进行动态翱翔过程，开始Rayleigh环周期性飞行。
如图2所示，一个风梯度滑翔的周期包括①逆风爬升②高空转弯③顺风下滑④和低空转弯四个过程。其中，高空转弯的能量变化最为复杂，此过程中外界风速大，飞机姿态变化复杂；过程4虽然也是转弯，但基本属于在无风的环境中转弯，其能量变化较之简单。
步骤4、实时监测梯度风强度及方向变化，根据梯度风强度及方向变化实时优化动态翱翔路径，并根据优化后的动态翱翔路径调整变形翼飞行器固定翼状态的相对角度参数，以达到最优效果；
步骤5、变形翼飞行器在降落阶段采用扑翼飞行模式飞行，为整个飞行过程的末期阶段，主要为下降飞行高度，进行变形翼飞行器的降落。
确定目的点距离，主动下降高度以停止动态翱翔，变形翼飞行器为扑翼状态，进行任务执行或降落准备。
如图3所示，X方向表示风的方向，在一个风梯度滑翔周期内，变形翼飞行器的飞行高度大约是18m，前进的距离约是115m。而且从路径图4中可以看出，在高空转弯过程中，路径点较密集，从而验证了所建模型中高空转弯过程是整个风梯度滑翔过程中能量变化复杂的阶段。
而在风场中变形翼飞行器能量吸收率与损耗率的变化情况如下图4所示：
如图4所示，从图中可以看出，在动态翱翔的一个周期内，逆风爬升和高空转弯初期是能量获取的主要阶段，顺风下滑过程中也能获取部分能量，高空转弯和低空转弯是消耗能量的主要阶段。以此也证明通过我们的能量管理策略，可有效实现能量不消耗，航程有增加的目的，进一步验证我们变形翼飞行器能量管理策略的有效性。
相比于固定翼与扑翼飞行器，首先变形翼飞行器结合了二者的优势，弥补了二者的劣势。首选基于扑翼的特点，机械效率更高，起飞降落要求降低。可以适用于多元环境下的任务需求；其次基于固定翼的特点，弥补了扑翼飞行器飞行动能不足，基本航程不大的劣势，节省能量，满足了变形翼飞行器大航程的要求，在固定翼动态翱翔过程中由于借助梯度风场的能量，所以节省了变形翼飞行器重量，更有利于任务负载增加，可以达到基本不消耗能量却增加航程的目标。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，其特征在于，所述变形翼飞行器在进入预设高度的梯度风场后采用固定翼飞行模式飞行，该固定翼飞行模式采用动态翱翔优化路径以Rayleigh环方式进行飞行；
所述动态翱翔优化路径的具体算法包括以下步骤：
步骤1、根据变形翼飞行器中预设的动态翱翔路径中一个周期内的飞行轨迹，建立约束条件，具体如下：
Vamin≤V≤Vamax，CLmin≤C≤CLmax
其中，J是目标限制函数，γ为变形翼飞行器航迹角，为变形翼飞行器航向角；Va限制空速的范围；CL为限制飞行过程中的升力系数的大小；E为一个动态翱翔周期中的能量变化；t为一个动态翱翔周期的时长；
步骤2、根据步骤1建立的约束条件，采用高斯伪普法得到动态翱翔优化路径。
2.根据权利要求1所述基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，其特征在于，所述动态翱翔优化路径包括逆风上升、高空转弯、顺风下降和低空转弯四个过程。
3.根据权利要求2所述基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，其特征在于，所述高空转弯和低空转弯的方向相同时，则变形翼飞行器在该区域驻留；所述高空转弯和低空转弯的方向相反时，则变形翼飞行器实现位置平移。
4.根据权利要求1所述基于动态翱翔的变形翼飞行器能量管理方法，其特征在于，所述变形翼飞行器在起飞和降落阶段采用扑翼飞行模式飞行。
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