飞行器飞行方案生成方法、生成系统及具有其的飞行器技术方案

本发明专利技术提供了一种飞行器飞行方案生成方法、生成系统及具有其的飞行器，该飞行方案生成方法包括：通过初始化模块、大气数据参数模块和气动分析模块为最优飞行策略控制计算模块提供必要的输入数据与参数，最优飞行策略控制计算模块在综合处理后调用电推进系统分析模块计算电推进系统相关能耗，调用螺旋桨性能分析模块计算螺旋桨性能，并判断是否计算结束，若判定计算未结束，则重新调用初始化模块、大气数据参数模块和气动分析模块开始下一轮计算，否则，调用最优飞行方案生成模块，输出最优爬升方案和最优巡航方案。应用本发明专利技术的技术方案，以解决现有技术中难以实现飞行器高空长航时昼夜循环飞行的技术问题。

Flight plan generation method, generation system and aircraft with it

【技术实现步骤摘要】
飞行器飞行方案生成方法、生成系统及具有其的飞行器
本专利技术涉及航空航天飞行器总体设计
，尤其涉及一种飞行器飞行方案生成方法、生成系统及具有其的飞行器。
技术介绍
太阳能无人机作为临近空间低动态飞行器的重要组成部分，具有续航时间长、巡航高度高的特点，可广泛应用于通信中继、侦查监视、战略预警等领域，具有重要的应用价值，已成为世界范围内的研究热点。太阳能无人机以太阳能为能量来源，以太阳能和储能电池联合供电的模式为电推进系统和机载设备提供电能。白天高空飞行时，采集到的太阳能可单独为电推进系统和机载设备供电，并将多余能量充电给储能电池进行存储；夜晚降高飞行时，由储能电池为电推进系统和机载设备提供所需全部电能。理论上，通过合理规划飞行策略、精细调配能源平衡，可实现太阳能无人机昼夜循环飞行，达到周级、月级、甚至年级的超长航时飞行。目前，受限于气动、结构、能源、动力等学科技术发展水平的限制，在工程上实现太阳能无人机高空长航时昼夜循环飞行尚存在一定的挑战。特别是综合考虑气动、动力和能源平衡的最优飞行策略，成为高空长航时太阳能无人机研制设计和工程应用的关键技术之一。目前，对于高空长航时太阳能无人机飞行策略的研究相对较少，且主要集中在通过措施来提高太阳能的采集与利用效率上，未能更系统地从减少能耗的角度来寻优最佳飞行策略，难以满足工程样机研制需求，无法为飞控系统装订飞行方案提供较为全面且实用的策略支撑。
技术实现思路
本专利技术提供了一种飞行器飞行方案生成方法、生成系统及具有其的飞行器，解决了现有飞行器飞行能耗大、续航时间短，难以实现飞行器高空长航时昼夜循环飞行的技术问题。根据本专利技术的一方面，提供了一种飞行器飞行方案生成方法，飞行器飞行方案生成方法包括：步骤一，调用初始化模块，进行初始化参数设置，初始化参数包括初始高度、终止高度、高度变化量、初始爬升率、终止爬升率、爬升率变化量、初始桨距角、终止桨距角、桨距角变化量，设定计算高度为初始高度；步骤二，调用大气数据参数模块，读取对应的大气参数数据；步骤三，设定计算爬升率为初始爬升率，调用气动分析模块获取极曲线数据，根据极曲线数据选取当前计算高度下的初始速度、终止速度、速度变化量，并设定计算速度为初始速度；步骤四，当飞行器处于平飞状态时，获取平飞状态下与计算高度、计算速度相对应的第一最优桨距角；步骤五，当飞行器处于爬升状态时，获取爬升状态下与计算高度、计算速度以及计算爬升率相对应的第二最优桨距角；步骤六，将计算速度与速度变化量进行运算得到更新速度，设定计算速度为更新速度，当计算速度小于终止速度时，重复步骤四到六，平飞状态下获取当前计算高度、当前计算速度的第一最优桨距角以及相对应的电池包总能耗；爬升状态下获取当前计算高度、当前计算速度、当前计算爬升率下的第二最优桨距角以及相对应的爬升效率；当计算速度大于或等于终止速度且飞行器处于平飞状态时，获取第一最优速度，设定计算速度为初始速度，转至步骤七；当计算速度大于或等于终止速度且飞行器处于爬升状态时，获取第二最优速度，设定计算速度为初始速度，转至步骤七；步骤七，将计算爬升率与爬升率变化量进行运算得到更新爬升率，设定计算爬升率为更新爬升率，当计算爬升率小于终止爬升率时，重复步骤五至七，获取当前计算高度、当前计算爬升率下的第二最优速度；当计算爬升率大于或等于终止爬升率，获取最优爬升率，转至步骤八；步骤八，将计算高度与高度值变化量进行运算得到更新高度，设定计算高度为更新高度，当计算高度小于终止高度时，重复步骤二至八，获取计算高度下的最优爬升率；当计算高度值大于或等于终止高度值，输出不同高度下最优平飞和最优爬升状态所对应的速度、爬升率和桨距角。进一步地，步骤四具体包括：(4.1)当飞行器处于平飞状态时，设定计算桨距角为初始桨距角；(4.2)计算当前计算高度、当前计算速度、当前计算桨距角下的螺旋桨性能参数；(4.3)计算当前计算高度、当前计算速度、当前计算桨距角下的电池包总能耗；(4.4)将计算桨距角与桨距角变化量进行运算得到更新桨距角，设定计算桨距角为更新桨距角，当计算桨距角小于终止桨距角时，重复步骤(4.2)至(4.4)，获取当前计算高度、当前计算爬升率、当前速度下的电池包总能耗；当计算桨距角大于或等于终止桨距角，获取最小电池包总能耗对应的桨距角为第一最优桨距角。进一步地，步骤五具体包括：(5.1)当飞行器处于爬升状态时，设定计算桨距角为初始桨距角；(5.2)计算当前计算高度、当前计算速度、当前爬升率、当前计算桨距角下的螺旋桨性能参数；(5.3)计算当前计算高度、当前计算速度、当前爬升率、当前计算桨距角下的爬升效率；(5.4)将计算桨距角与桨距角变化量进行运算得到更新桨距角，设定计算桨距角为更新桨距角，当计算桨距角小于终止桨距角时，重复步骤(5.2)至(5.4)，获取当前计算高度、当前计算速度、当前爬升率、当前计算桨距角下的爬升效率；当计算桨距角大于或等于终止桨距角，获取最大爬升效率对应的桨距角为第二最优桨距角。进一步地，步骤(5.3)具体包括：根据爬升效率公式计算当前计算高度、当前计算速度、当前爬升率、当前计算桨距角下爬升效率(T为螺旋桨产生的拉力，D为飞行器气动阻力，V为飞行器飞行速度，PTotal为电池包总能耗)。进一步地，步骤一中初始化参数还包括：设定电动机的电流阈值以及电池包的功率阈值，当步骤4.3中计算得到的电动机电流值大于电流阈值或电池包功率大于功率阈值时，舍去当前计算桨距角，进入步骤4.4；当步骤5.3中计算得到的电动机电流值大于电流阈值或电池包功率大于功率阈值时，舍去当前计算桨距角，进入步骤5.4。进一步地，步骤三具体包括：设定计算爬升率为初始爬升率，读取飞行器外形参数，调用气动分析模块获取极曲线数据，根据极曲线数据选取初始速度、终止速度、速度变化量，并设定计算速度为初始速度。进一步地，步骤八中输出不同高度最优平飞和最优爬升状态所对应的速度、爬升率和桨距角具体包括：输出最优平飞方案，包括不同高度下的最优平飞状态所对应的第一最优速度、第一最优桨距角；输出最优爬升方案，包括不同高度下的最优平飞状态所对应的最优爬升率、第二最优速度、第二最优桨距角；进一步地，步骤二中，大气参数包括空气密度、声速、重力加速度和动力粘性系数。根据本专利技术的另一方面，提供了一种飞行器最优方案生成系统，飞行器最优方案生成系统采用了如上所述的飞行器飞行方案生成方法，飞行器最优方案生成系统包括：初始化模块，初始化模块用于设置最优飞行方案生成策略中所需的高度、爬升率、桨距角；大气数据参数模块，大气数据参数模块用于提供不同高度下大气数据信息；气动分析模块，气动分析模块用于提供不同高度的飞行器气动数据；螺旋桨性能分析模块，螺旋桨性能分析模块用于实时计算螺旋桨在不同飞行工况下的性能数据；电推进系统分析模块，电推进系统分析模块用于对飞行器能耗进行计算；最优飞行策略控制计算模块，最优飞行策略控制计算模块用于整个飞行方案的逻辑控制及各模块组织调用；最优飞行方案生成模块，最优飞行方案生成模块用于输出不同高度下的最优飞行方案；...

【技术保护点】
1.一种飞行器飞行方案生成方法，其特征在于，所述飞行器飞行方案生成方法包括：/n步骤一，调用初始化模块(10)，进行初始化参数设置，所述初始化参数包括初始高度、终止高度、高度变化量、初始爬升率、终止爬升率、爬升率变化量、初始桨距角、终止桨距角、桨距角变化量，设定计算高度为初始高度；/n步骤二，调用大气数据参数模块(20)，读取对应的大气参数数据；/n步骤三，设定计算爬升率为初始爬升率，调用气动分析模块(30)获取极曲线数据，根据极曲线数据选取当前计算高度下的初始速度、终止速度、速度变化量，并设定计算速度为初始速度；/n步骤四，当飞行器处于平飞状态时，获取平飞状态下与计算高度、计算速度相对应的第一最优桨距角；/n步骤五，当飞行器处于爬升状态时，获取爬升状态下与计算高度、计算速度以及计算爬升率相对应的第二最优桨距角；/n步骤六，将计算速度与速度变化量进行运算得到更新速度，设定计算速度为更新速度，当计算速度小于终止速度时，重复步骤四到六，平飞状态下获取当前计算高度、当前计算速度的第一最优桨距角以及相对应的电池包总能耗；爬升状态下获取当前计算高度、当前计算速度、当前计算爬升率下的第二最优桨距角以及相对应的爬升效率；当计算速度大于或等于终止速度且飞行器处于平飞状态时，获取第一最优速度，设定计算速度为初始速度，转至步骤七；当计算速度大于或等于终止速度且飞行器处于爬升状态时，获取第二最优速度，设定计算速度为初始速度，转至步骤七；/n步骤七，将计算爬升率与爬升率变化量进行运算得到更新爬升率，设定计算爬升率为更新爬升率，当计算爬升率小于终止爬升率时，重复步骤五至七，获取当前计算高度、当前计算爬升率下的第二最优速度；当计算爬升率大于或等于终止爬升率，获取最优爬升率，转至步骤八；/n步骤八，将计算高度与高度值变化量进行运算得到更新高度，设定计算高度为更新高度，当计算高度小于终止高度时，重复步骤二至八，获取计算高度下的最优爬升率；当计算高度值大于或等于终止高度值，输出不同高度下最优平飞和最优爬升状态所对应的速度、爬升率和桨距角。/n...

【技术特征摘要】
1.一种飞行器飞行方案生成方法，其特征在于，所述飞行器飞行方案生成方法包括：
步骤一，调用初始化模块(10)，进行初始化参数设置，所述初始化参数包括初始高度、终止高度、高度变化量、初始爬升率、终止爬升率、爬升率变化量、初始桨距角、终止桨距角、桨距角变化量，设定计算高度为初始高度；
步骤二，调用大气数据参数模块(20)，读取对应的大气参数数据；
步骤三，设定计算爬升率为初始爬升率，调用气动分析模块(30)获取极曲线数据，根据极曲线数据选取当前计算高度下的初始速度、终止速度、速度变化量，并设定计算速度为初始速度；
步骤四，当飞行器处于平飞状态时，获取平飞状态下与计算高度、计算速度相对应的第一最优桨距角；
步骤五，当飞行器处于爬升状态时，获取爬升状态下与计算高度、计算速度以及计算爬升率相对应的第二最优桨距角；
步骤六，将计算速度与速度变化量进行运算得到更新速度，设定计算速度为更新速度，当计算速度小于终止速度时，重复步骤四到六，平飞状态下获取当前计算高度、当前计算速度的第一最优桨距角以及相对应的电池包总能耗；爬升状态下获取当前计算高度、当前计算速度、当前计算爬升率下的第二最优桨距角以及相对应的爬升效率；当计算速度大于或等于终止速度且飞行器处于平飞状态时，获取第一最优速度，设定计算速度为初始速度，转至步骤七；当计算速度大于或等于终止速度且飞行器处于爬升状态时，获取第二最优速度，设定计算速度为初始速度，转至步骤七；
步骤七，将计算爬升率与爬升率变化量进行运算得到更新爬升率，设定计算爬升率为更新爬升率，当计算爬升率小于终止爬升率时，重复步骤五至七，获取当前计算高度、当前计算爬升率下的第二最优速度；当计算爬升率大于或等于终止爬升率，获取最优爬升率，转至步骤八；
步骤八，将计算高度与高度值变化量进行运算得到更新高度，设定计算高度为更新高度，当计算高度小于终止高度时，重复步骤二至八，获取计算高度下的最优爬升率；当计算高度值大于或等于终止高度值，输出不同高度下最优平飞和最优爬升状态所对应的速度、爬升率和桨距角。


2.根据权利要求1所述的飞行器飞行方案生成方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
(4.1)当飞行器处于平飞状态时，设定计算桨距角为初始桨距角；
(4.2)计算当前计算高度、当前计算速度、当前计算桨距角下的螺旋桨性能参数；
(4.3)计算当前计算高度、当前计算速度、当前计算桨距角下的电池包总能耗；
(4.4)将计算桨距角与桨距角变化量进行运算得到更新桨距角，设定计算桨距角为更新桨距角，当计算桨距角小于终止桨距角时，重复步骤(4.2)至(4.4)，获取当前计算高度、当前计算爬升率、当前速度下的电池包总能耗；当计算桨距角大于或等于终止桨距角，获取最小电池包总能耗对应的桨距角为第一最优桨距角。


3.根据权利要求1所述的飞行器飞行方案生成方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：
(5.1)当飞行器处于爬升状态时，设定计算桨距角为初始桨距角；
(5.2)计算当前计算高度、当前计算速度、当前爬升率、当前计算桨距角下的螺旋桨性能参数；
(5.3)计算当前计算高度、当前计算速度、当前爬升率、当前计算桨距角下的爬升效率；
(5.4)将计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丁，孟范源，刘彦飞，杨发友，崔秀敏，
申请(专利权)人：海鹰航空通用装备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11