一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，属于航迹规划技术领域。所述方法首先进行初始化飞行环境和太阳能无人机的物理参数，然后计算特定日期不同时刻下的太阳位置变化数据，不同的太阳位置下，计算无人机处于不同的飞行姿态时，铺设的光伏模块的输出功率，根据不同时刻的太阳位置，计算对应的最优的飞行姿态，根据不同时刻的飞行姿态，组合成白天太阳能无人机的飞行航迹、并计算晚上的飞行航迹。本发明专利技术可以最大限度的提升无人机的续航时间，降低太阳能无人机实现昼夜巡航的门槛，有利于后续的载荷模块设计。通过此方法可以快速有效的得到夜晚的飞行航迹，以满足和实现太阳能无人机昼夜循环巡航的要求。

A path planning method for solar unmanned aerial vehicle based on day and night cycle flight

The invention discloses a route planning method of solar unmanned aerial vehicle based on day and night cycle flight, which belongs to the field of track planning technology. The physical parameters of the first initialization and solar UAV flight environment, and then calculate the position of the sun changes data specific date at different time, the different position of the sun, calculation of the UAV in different flight attitude, the laying of the PV module output power, according to the different time the position of the sun, the calculation of the corresponding the optimal flight attitude, according to the different time of flight attitude, combined flight path, daytime solar UAVs and calculate the flight path at night. The invention can furthest improve the endurance time of the UAV, reduce the threshold of the solar UAV to realize the day and night cruise, and is favorable for the design of the subsequent load module. By this method, the flight path at night can be obtained quickly and effectively, so as to meet the requirements of solar UAV's day and night cruise.

【技术实现步骤摘要】
一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法
本专利技术属于航迹规划
，涉及太阳能无人机飞行策略以及航迹优化系统，具体涉及一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法。
技术介绍
太阳能无人机(Solar-poweredUnmannedAerialVehicles,简称SUAV)是以太阳能为主要能量来源，通过储能电池供电来最大限度地维持无人机飞行的一种无人飞行器。太阳能无人机巡航时间长，飞行高度高，覆盖范围广，具有常规飞行器不可替代的优点。针对太阳能航空器的研究，是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域，也是我国航空工业的一大研究热点。当前的太阳能无人飞行器主要通过搭建高度优化的机体结构以及光伏系统来提高飞行器的飞行时长。通过对太阳能无人机各系统的优化，以实现昼夜长航时飞行。航迹规划是飞行器任务规划系统的核心之一，是一门伴随着现代信息技术而发展起来的高新技术。航迹规划是在综合考虑无人飞行器(UnmannedAerialVehicle,简称UAV)到达时间、能量消耗、威胁以及飞行区域等因素的前提下，为飞行器规划出一条最优(最满意)的飞行航迹，以保证圆满完成飞行任务。传统的无人机规划算法多是在已知部分或者全局地图信息的情况下，寻找从已知起点到目标点的最优路径的方法。常用的航迹算法分为基于概率图的规划方法、基于单元分解的规划方法、人工势场法、数学规划方法、基于进化计算的规划方法等。太阳能无人机的所有能源来源于光伏充电的储能电池，因此，如何在有限的太阳辐射功率和光伏模块铺设条件下，设计有效的飞行航迹以实现太阳能无人机的持续飞行，是太阳能无人机航迹规划的核心技术。另一方面，太阳能无人机的结构事先经过了高度优化，自身具有严格的飞行性能约束，航迹规划时必须考虑UAV的物理限制，主要包括最大拐弯角、最大爬升/俯冲角、最大仰角、最小航迹段长度，最低飞行高度等，与传统的无人机航迹规划类似，太阳能无人机在进行航迹规划时，需要结合无人机的物理限制来保证无人机的正常飞行。目前太阳能无人机航迹规划算法的研究主要通过给定飞机部分物理参数，给定起点和终点，求解从起点到终点，能量获取最大的一条航迹，但是，在上述的研究中，研究人员假定的条件比较理性化，与实际情况有一定的差距，很少针对实际的昼夜环境对太阳能无人机的航迹进行规划。昼夜循环飞行包括白天飞行和夜晚飞行，不同日期下的昼夜环境各不相同，如何规划飞行航迹十分关键。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，通过该方法能够在不同的日期和地域情况下，生成满足昼夜循环飞行的航迹，对于太阳能无人机进行全天候巡航具有重要的应用价值。本专利技术的一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，包括以下步骤：步骤1：初始化飞行环境和太阳能无人机的物理参数。飞行环境包括具体飞行的日期、起飞的空间地理坐标、飞行区域光照辐照度的统计数据，太阳能无人机的物理参数包括最大拐弯角、最大爬升/俯冲角、最低飞行高度、最大仰角、不同爬升角和仰角下的飞行速度和气动消耗。步骤2：计算特定日期，不同时刻下的太阳高度角和方位角变化数据。根据步骤1中初始化的飞行的日期和起飞的空间地理坐标，计算当天的日出时间、日落时间以及不同时刻下太阳的高度角和方位角。步骤3：不同的太阳方位角和高度角下，计算无人机处于不同的飞行姿态(飞机的俯仰角、滚转角和偏航角)时，铺设的光伏模块的输出功率。根据无人机的机翼结构与光伏模块的输出功率曲线，结合太阳光辐照度和太阳方位(太阳高度角和方位角)，给出无人机不同姿态下，光伏模块的输出功率。对所述的光伏模块的输出功率进行统计，整理为功率输出表，在之后的计算中，不再重复计算不同姿态下所能获得的能量，只需要在功率输出表中进行取值即可，大幅度提高了计算效率。步骤4：根据不同时刻的太阳方位角和高度角，计算对应的最优的飞行姿态。每一天中不同时刻太阳的高度角和方位角均在不断地变化，因此，结合步骤2计算的不同时刻下太阳的高度角和方位角，再结合步骤3中的计算结果，得到光伏模块的输出功率。结合无人机的气动耗能与重力耗能，计算得到不同姿态下的能量代价值，从中筛选出最优的代价值，最终得到相对应的飞行姿态。步骤5：根据不同时刻的飞行姿态，组合成白天太阳能无人机的飞行航迹。在步骤4中，已经计算得到了不同时刻下，太阳能无人机最优的飞行姿态，再结合无人机自身的物理参数，对无人机的姿态序列进行优化，再结合速度表，得到白天太阳能无人机的航迹序列，将航迹序列进行组合，得到白天太阳能无人机的飞行航迹。步骤6：在夜晚，太阳能无人机以最小的能耗保持飞行，并计算晚上的飞行航迹。白天太阳下山前，无人机的储能电池基本处于满电量状态，而夜晚的时间近乎等于白天的光照时间，因此必须保证在第二天太阳升起后，储能电池还可以供无人机飞行一段时间，不难得出以下结论：为了实现太阳能无人机的昼夜循环巡航，太阳能无人机需要尽可能的在晚上转为低功耗飞行模式，再根据无人机本身的动力系统，利用低功耗下的飞行速度计算得到夜晚飞行的飞行航迹。步骤7：根据夜晚飞行的电量消耗给出储能电池的重量规格，返回步骤1进行重新初始化。根据无人机本身的动力系统，利用无人机在夜晚的飞行航迹，计算得到夜晚的电量消耗，进而给出储能电池的重量规格，并将储能电池参数重新带入初始化模块中，进行航迹更新。所述步骤4中，为了实现太阳能无人机的长时间巡航，本专利技术提出在进行航迹规划时，选取不同时刻所对应的最优的俯仰角、滚转角和偏航角，使得铺设的光伏模块所输出的功率最大，最大限度的对储能电池进行充电。本专利技术一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法的优点在于：提出了一种太阳能无人机航迹规划方法，可以实现无人机的昼夜循环飞行。(1)考虑到不同日期和时刻下的太阳高度角和方位角均不同，本专利技术针对不同的太阳光照条件，计算无人机处于不同姿态下时，光伏模块的输出功率，可以最大限度的提升无人机的续航时间。(2)本专利技术提出了一种新的太阳能无人机航迹规划方法，相比于传统航迹规划算法，太阳能无人机核心问题是能源补给问题，本专利技术从续航问题对飞行航迹进行了规划，降低了太阳能无人机实现昼夜巡航的门槛，有利于后续的载荷模块设计。(3)本专利技术提出在夜晚保持最小的能耗进行飞行，结合无人机自身的气动参数，计算出夜晚的飞行航迹。通过此方法可以快速有效的得到夜晚的飞行航迹。(4)利用夜晚无人机的飞行消耗，可以对所必须携带储能电池的重量进行估计，以满足和实现太阳能无人机昼夜循环巡航的要求。附图说明图1为本专利技术一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法的整体步骤流程图。图2白天太阳运行轨迹示意图。图3无人机动力学模型。图4无人机白天飞行航迹示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法进行详细说明。本专利技术提供了一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，通过该方法能够在不同的日期和地域情况下，生成满足昼夜循环飞行的航迹，使得太阳能无人机能够全天候巡航。所述的一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，如图1所示流程，包括以下步骤：步骤1：初始化飞行环境和太阳能无人机的物理参数。飞行环境包括具体飞行的日期、起飞的空间地理坐标、飞行区域光照辐照度的统计数据，太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：初始化飞行环境和太阳能无人机的物理参数；飞行环境包括具体飞行的日期、起飞的空间地理坐标、飞行区域光照辐照度的统计数据，太阳能无人机的物理参数包括最大拐弯角、最大爬升/俯冲角、最低飞行高度、最大仰角、不同爬升角和仰角下的飞行速度和气动消耗；步骤2：计算特定日期，不同时刻下的太阳高度角和方位角变化数据；根据步骤1中初始化的飞行的日期和起飞的空间地理坐标，计算当天的日出时间、日落时间以及不同时刻下太阳的高度角和方位角；步骤3：不同的太阳方位角和高度角下，计算无人机处于不同的飞行姿态时，铺设的光伏模块的输出功率；根据无人机的机翼结构与光伏模块的输出功率曲线，结合太阳光辐照度和太阳方位，给出无人机不同姿态下，光伏模块的输出功率；对所述的光伏模块的输出功率进行统计，整理为功率输出表；步骤4：根据不同时刻的太阳方位角和高度角，计算对应的最优的飞行姿态；结合步骤2计算的不同时刻下太阳的高度角和方位角，再结合步骤3中的计算结果，得到光伏模块的输出功率；结合无人机的气动耗能与重力耗能，计算得到不同姿态下的能量代价值，从中筛选出最优的代价值，最终得到相对应的飞行姿态；步骤5：根据不同时刻的飞行姿态，组合成白天太阳能无人机的飞行航迹；步骤6：在夜晚，太阳能无人机以最小的能耗保持飞行，并计算晚上的飞行航迹；步骤7：根据夜晚飞行的电量消耗给出储能电池的重量规格，返回步骤1进行重新初始化；重复步骤2～7，直至无人机所携带的电池规格满足过夜的需求。...

【技术特征摘要】
1.一种基于昼夜循环飞行的太阳能无人机航迹规划方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：初始化飞行环境和太阳能无人机的物理参数；飞行环境包括具体飞行的日期、起飞的空间地理坐标、飞行区域光照辐照度的统计数据，太阳能无人机的物理参数包括最大拐弯角、最大爬升/俯冲角、最低飞行高度、最大仰角、不同爬升角和仰角下的飞行速度和气动消耗；步骤2：计算特定日期，不同时刻下的太阳高度角和方位角变化数据；根据步骤1中初始化的飞行的日期和起飞的空间地理坐标，计算当天的日出时间、日落时间以及不同时刻下太阳的高度角和方位角；步骤3：不同的太阳方位角和高度角下，计算无人机处于不同的飞行姿态时，铺设的光伏模块的输出功率；根据无人机的机翼结构与光伏模块的输出功率曲线，结合太阳光辐照度和...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩超，郝星星，
申请(专利权)人：北京昶远科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11