太阳能无人机航迹规划方法、电子设备及介质技术

本发明专利技术公开了太阳能无人机航迹规划方法、电子设备及介质，包括：步骤1：判断无人机是否处于大风层中；步骤2：当无人机处于大风层中时，获取无人机的x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率和太阳能电池的剩余功率；步骤3：以太阳能电池的剩余能量最大化为目标函数构建优化模型，生成得无人机当前最优推力控制指令，计算无人机在下一时刻的预估位置坐标信息；步骤4：判断无人机下一时刻的预估位置是否为预设终点坐标，若是所述预设终点坐标则结束规划，否则返回步骤1，直至无人机下一时刻的预估位置坐标信息等于预设终点坐标。本发明专利技术提高太阳能电池板的使用效率，保证其在极端气象环境中飞行的稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
太阳能无人机航迹规划方法、电子设备及介质


[0001]本专利技术属于无人机航迹规划
，具体涉及一种基于大风层切换策略的太阳能无人机航迹规划方法及电子设备。

技术介绍

[0002]太阳能无人机是以太阳能作为主要动力来源的一种长航时无人机，理论上可实现无限续航。因其续航时间较长，通常用来执行通信中继、侦查、搜索、预警等任务。太阳能无人机以清洁能源作为主要动力来源，减少了化学和燃料电池对环境的危害。基于上述优点，各国持续加大对太阳能无人机的关注和研究，其商业应用前景也十分广阔。
[0003]目前太阳能无人机仍存在较多待完善的技术问题，例如提高续航时间、提高太阳能电池的使用效率、提高其在风场中飞行的稳定性等。其中续航时间对太阳能无人机的工作效率十分重要，在太阳能无人机执行通信中继、侦查和监测等任务时，理论上希望太阳能无人机实现超长航时飞行甚至无限续航，但目前市场上的太阳能无人机续航时间远远达不到预期值。太阳能无人机为节省功率，常采用较轻材料构造机身，整个机身重量较小，因此太阳能无人机对风场的变化较为敏感，尤其像大风层等极端天气对太阳能无人机的飞行有极大的影响。
[0004]要解决上述技术问题，就要延长太阳能无人机的续航时间和提高其在极端气象环境中飞行的稳定性，从而提升太阳能无人机的工作效率。
[0005]因此，需要一种方法来提高太阳能无人机的续航时间和其在极端气象环境中飞行的稳定性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提出一种能提高太阳能无人机的续航时间和其在极端气象环境中飞行的稳定性的基于大风层切换策略的太阳能无人机航迹规划方法。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于大风层切换策略的太阳能无人机航迹规划方法，包括：步骤1：根据当前时刻的实时风速，判断无人机是否处于大风层中；步骤2：当所述无人机处于大风层中时，获取无人机的x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率和太阳能电池的剩余功率；步骤3：以太阳能电池的剩余能量最大化为目标函数构建优化模型，求解得无人机当前最优推力，基于所述最优推力，生成最优推力控制指令，其中所述目标函数为所述太阳能电池的剩余功率在飞行时间段上的积分；步骤4：基于所述x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率、所述无人机的实时位置坐标、实时俯仰角和实时偏航角，计算所述无人机在下一时刻的预估位置坐标信息；步骤5：判断无人机下一时刻的预估位置是否为预设终点坐标，若是所述预设终点坐标，否则返回步骤1，直至所述无人机下一时刻的预估位置坐标信息等于预设终点坐标。
[0008]可选的，采用下述公式判断所述无人机是否处于大风层中：
[0009]W＝W
a
‑
W
g
[0010]当W≥80％W
a
，判定所述无人机处于大风层中，其中，W为风速矢量，W
a
为采用机载风速仪测量的真空速矢量，W
g
为采用机载测向卫星导航系统测量的地速矢量。
[0011]可选的，基于太阳能无人机质点动力学模型，获取无人机的x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率，所述太阳能无人机质点动力学模型为：
[0012][0013][0014]其中，为所述无人机的x轴速度矢量，为所述无人机的y轴速度矢量，为所述无人机的z轴速度矢量，w
x
，w
y
，w
z
为三轴实时风速，v为所述无人机的实时速度，θ为实时俯仰角，ψ为实时偏航角，为加速度矢量、为俯仰角速率，为偏航角速率，m为所述无人机的质量，g为重力加速度，T为螺旋桨推力，D为阻力，为滚转角，L为升力。
[0015]可选的，采用下述公式计算所述太阳能电池剩余功率P
bat
：
[0016]p
bat
＝p0+p
in
‑
p
out
[0017]其中，P
o
为太阳能电池初始电量，P
in
为当前时刻太阳能电池获得的太阳能功率，P
out
为消耗的总功率。
[0018]可选的，采用下述公式计算太阳能电池获得的太阳能功率P
in
：
[0019]p
in
＝η
cell
η
MPPT
S
cell
G
i
K
t
cosθ
i
[0020]采用以下公式计算消耗总功率P
out
：
[0021][0022]其中，η
cell
为太阳能电池板效率，η
MPPT
为最大功率点跟踪器MPPT效率，S
cell
为太阳能电池板面积，G
i
为太阳能辐照强度，K
t
为净度指数，表示不同天气下太阳能电池接受太阳能辐照强度的变化，θ
i
为太阳光在太阳能电池表面的入射角，T为螺旋桨推力，v为无人机的实时速度，p
av
为机载电子设备消耗功率，p
Tx
为载荷功率，η
pro
p为螺旋桨功率。
[0023]可选的，采用下述公式计算太阳光在太阳能电池表面的第一入射角θ
i
：
[0024]θ
i
＝cos
‑1(sinα
s
cosφcosθ
‑
cosα
s
sinφsin(γ
s
‑
ψ)+cosα
s
cosφsinθcos(γ
s
‑
ψ))
[0025]其中，α
s
为太阳高度角，γ
s
为太阳方位角，φ为实时滚转角，θ为实时俯仰角，ψ为实时偏航角。
[0026]可选的，采用下述公式获得所述太阳方位角和太阳高度角：
[0027][0028]α
s
＝sin
‑1(cosφ
lat
cosδcosω+sinδsinφ
lat
)
[0029][0030]其中，δ为太阳偏转角，n为飞行天数，α
s
为太阳高度角，φ
lat
为纬度，ω为小时角，γ
s
为太阳方位角，θ
z
为天顶角。
[0031]可选的，所述目标函数为：
[0032][0033]约束条件：
[0034]h
min
≤h≤h
max
[0035]v
min
≤v≤v
max
[0036]0≤T≤T
max
[0037]θs≤θ1[0038]φ
s
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大风层切换策略的太阳能无人机航迹规划方法，其特征在于，包括：步骤1：根据当前时刻的实时风速，判断无人机是否处于大风层中；步骤2：当所述无人机处于大风层中时，获取无人机的x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率和太阳能电池的剩余功率；步骤3：以太阳能电池的剩余能量最大化为目标函数构建优化模型，求解得无人机当前最优推力，基于所述最优推力，生成最优推力控制指令，其中所述目标函数为所述太阳能电池剩余功率在飞行时间段上的积分；步骤4：基于所述x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率、所述无人机的实时位置坐标、实时俯仰角和实时偏航角，计算无人机在下一时刻的预估位置坐标信息；步骤5：判断无人机下一时刻的预估位置是否为预设终点坐标，若是所述预设终点坐标则结束规划，否则返回步骤1，直至所述无人机下一时刻的预估位置坐标信息等于预设终点坐标。2.根据权利要求1所述的基于大风层切换策略的太阳能无人机航迹规划方法，其特征在于，采用下述公式判断所述无人机是否处于大风层中：W＝W
a
‑
W
g
当W≥80％W
a
，判定所述无人机处于大风层中，其中，W为风速矢量，W
a
为采用机载风速仪测量的真空速矢量，W
g
为采用机载测向卫星导航系统测量的地速矢量。3.根据权利要求2所述的基于大风层切换策略的太阳能无人机航迹规划方法，其特征在于，基于太阳能无人机质点动力学模型，获取无人机的x轴速度矢量、y轴速度矢量、z轴速度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率，所述太阳能无人机质点动力学模型为：度矢量、加速度矢量、俯仰角速率、偏航角速率，所述太阳能无人机质点动力学模型为：其中，为所述无人机的x轴速度矢量，为所述无人机的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李尤，宋璟，周圣禄，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：