【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能无人机能量管理，尤其涉及一种面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法。
技术介绍
1、高空长航时太阳能无人机借助太阳能电池阵列发电作为能量来源，白天太阳能电池吸收太阳辐射能量并将其转化为电能，经推进电机为飞机提供动力，且为航空电子设备和有效载荷供电，同时以盈余的能量为储能电池充电，以确保夜间没有光照的条件下能持续飞行至第二天日出，然后昼夜循环。这种无人机可飞行数日至数月的时间，并携带雷达和通信等有效载荷，实现搜索目标、目标跟踪、地表sar成像、中继通信、卫星通信等任务，在军用和民用领域有广阔的前景。
2、由于太阳能无人机携带的储能电池容量有限，满足太阳能无人机跨昼夜飞行并执行有效载荷任务的需求存在困难。目前存在一种四阶段飞行剖面策略，该策略使无人机在日间爬升，进行重力势能储能，夜间滑翔释放重力势能，提高了太阳能无人机跨夜间飞行能力，该策略在一定程度上缓解了以上矛盾，但并不能保障无人机能够安全跨夜飞行。
3、以上无人机飞行剖面策略，主要通过滑翔释放重力势能来提升太阳落下后的剩余航时，基于该飞行剖面策略，本专利技术使用剩余航时来评估太阳能无人机的跨夜间飞行能力，采用本专利技术的能量管理策略，可确保剩余航时满足跨夜飞行约束，显著提升太阳能无人机跨夜间飞行能力，为太阳能无人机安全跨夜飞行提供保障。
4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5、由于太阳能无人机携带的储能电池容量有限，满足太阳能无人机跨昼夜飞行并执行有效载荷任务的需求存在困难。目前存在一
6、现有技术：传统太阳能无人机的能量管理系统
7、传统的太阳能无人机通常配备了一个基本的能量管理系统，该系统主要依赖于太阳能电池板直接为无人机的动力系统和电子设备供电，并通过储能电池存储额外的能量用于太阳能不足的情况。这种系统通常在日间飞行时充电，并在夜间或光照不足时使用储存的电能。能量管理策略相对简单，主要依赖于固定的飞行剖面和预设的能量使用模式。
8、存在的技术问题：
9、1)能量预测的不准确：传统系统通常缺乏高级的能量预测能力，无法有效预测不同天气条件下的太阳能发电效率，这导致在能量较少时无法有效规划能量使用。
10、2)飞行剖面的僵化：固定的飞行剖面不适应突发的天气变化或其他外部条件的变化，从而导致能量的浪费或不足。
11、3)能量管理的局限性：传统的能量管理系统往往缺乏灵活性，无法根据实时的能量需求和供应动态调整能量分配，特别是在长时间的夜间飞行中，这导致关键任务无法完成。
12、4)应对紧急情况的能力不足：在遭遇意外的天气变化或设备故障等紧急情况时，传统的太阳能无人机无法有效地调整飞行策略，以确保关键系统的持续运行。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法包括：
3、步骤一，计算无人机剩余航时，指出剩余航时与机载耗电设备总体消耗功率的关系，并给出安全度过夜间的剩余航时约束；
4、步骤二，在滑翔阶段，建立了无人机滑翔速度下降模型，通过该模型计算无人机滑翔时长，在夜间平飞巡航阶段，建立了储能系统能量模型；
5、步骤三，结合能量管理系统获取获取储能电池能量，建立了无人机动力学模型，通过该模型得到推进系统消耗功率和巡航速度的关系；
6、步骤四，通过有效载荷任务队列得到有效载荷功率计算方法，得到平飞巡航阶段的剩余航时，结合滑翔阶段时长，进一步得到日落之后的剩余航时；
7、步骤五，在不满足剩余航时约束的情况下，通过能量管理策略给出推进系统和有效载荷功率降级方法。
8、进一步，所述计算无人机剩余航时方法：
9、太阳能无人机剩余航时由如下公式给出：
10、
11、式中，ebattery为储能电池的电量，pout为太阳能无人机所有耗能端设备的用电功率；剩余航时可以评估当外界无能量来源时，依靠自身可以持续飞行和执行有效载荷的能力，剩余航时越长，夜间可持续飞行和执行有效载荷任务的能力越强；
12、本专利技术结合飞行剖面，通过能量自主管理策略降低太阳能无人机夜间无人机用电设备总耗电功率pout来提升剩余航时trem，使其满足跨夜飞行约束，保障无人机安全度过夜间；
13、长航时太阳能无人机的能源系统结构示意图如图2所示，主要由三个部分组成：供能端的太阳能电池；耗能端的推进电机、航空电子设备和有效载荷；储能端的储能电池。
14、进一步，所述储能端储能电池容量ebattery可以通过电源管理系统读取soc参数获取，soc为电池的荷电状态，取值范围0～1，两者有如下关系：
15、ebattery＝soc·e0
16、耗能端由推进电机、航空电子设备以及有效载荷组成，所以总耗电功率由如下公式计算：
17、pout＝pprop+ppayload+pavionics
18、由上式可知，主要需要降低推进电机消耗功率、有效载荷功率以及航电设备功率来延长剩余航时，但由于无人机持续飞行，航电设备功率变化不大，可看作常量，所以主要由能量管理系统约束推进电机消耗功率以及有效载荷功率；结合无人机循环飞行的任务剖面，以下给出了安全度过夜间飞行的剩余航时约束、剩余航时详细的计算方法以及提升剩余航时的方法；
19、进一步，所述无人机的飞行可划分为四个剖面：日间爬升、日间平飞巡航、傍晚滑翔以及夜间平飞巡航阶段；在太阳能发电功率较大时，无人机爬升储存重力势能和为储能电池充电，爬升到最大飞行高度时，进入日间平飞巡航阶段，当发电功率较低甚至无法发电时，无人机开始滑翔释放重力势能，滑翔到最低飞行高度时，开始进入夜间平飞巡航，此阶段完全由储能电池供电；高空长航时太阳能无人机的48小时内太阳能电池发电功率和飞行剖面如图3所示，每天太阳能电池tr时刻开始发电，ts发电功率为零，由于太阳能电池的发电功率曲线以24小时为一个周期，所以太阳能飞机的飞行剖面也以24小时作为一个循环周期，将一个周期内的飞行剖面分为a、b、c、d四段；在a段(t0～t1)，太阳能无人机处于夜间和上午最低高度hmin平飞巡航阶段，直至太阳能电池发电功率大于所有耗电设备的总功率，即t1时刻；在b段(t1～t3)，太阳能无人机处于爬升阶段，将多余的能量转换成重力势能，该阶段持续爬升到最大飞行高度hmax结束；在c段(t3～t2)，太阳能无人机处于日间最高高度hmax平飞巡航阶段，直至下午太阳能电池发电功率小于所有耗电设备的总功率，即t2时刻；在d段(t2～t0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述计算无人机剩余航时方法：
3.如权利要求2所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述储能端储能电池容量Ebattery可以通过电源管理系统读取SOC参数获取，SOC为电池的荷电状态，取值范围0～1，两者有如下关系：
4.如权利要求3所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述无人机的飞行可划分为四个剖面：日间爬升、日间平飞巡航、傍晚滑翔以及夜间平飞巡航阶段；在太阳能发电功率较大时，无人机爬升储存重力势能和为储能电池充电，爬升到最大飞行高度时，进入日间平飞巡航阶段，当发电功率较低甚至无法发电时，无人机开始滑翔释放重力势能，滑翔到最低飞行高度时，开始进入夜间平飞巡航，此阶段完全由储能电池供电；高空长航时太阳能无人机的48小时内太阳能电池发电功率和飞行剖面如图3所示，每天太阳能电池tr时刻开始发电，ts发电功率为
5.如权利要求4所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述无人机无动力滑翔时长计算方法：
6.如权利要求4所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述最低高度平飞巡航剩余时长计算方法：
7.如权利要求6所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述巡航阶段推进电机消耗功率Pprop计算方法：
8.如权利要求6所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述有效载荷功率Ppayload的计算方法：
9.一种用于太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障的系统，其特征在于，包含以下模块：
10.一种针对太阳能无人机在夜间飞行能力保障的系统，其特征在于，包含以下模块：
...【技术特征摘要】
1.一种面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述计算无人机剩余航时方法：
3.如权利要求2所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述储能端储能电池容量ebattery可以通过电源管理系统读取soc参数获取，soc为电池的荷电状态，取值范围0～1，两者有如下关系：
4.如权利要求3所述面向剩余航时的太阳能无人机跨夜飞行能力提升及保障方法，其特征在于，所述无人机的飞行可划分为四个剖面：日间爬升、日间平飞巡航、傍晚滑翔以及夜间平飞巡航阶段；在太阳能发电功率较大时，无人机爬升储存重力势能和为储能电池充电，爬升到最大飞行高度时，进入日间平飞巡航阶段，当发电功率较低甚至无法发电时，无人机开始滑翔释放重力势能，滑翔到最低飞行高度时，开始进入夜间平飞巡航，此阶段完全由储能电池供电；高空长航时太阳能无人机的48小时内太阳能电池发电功率和飞行剖面如图3所示，每天太阳能电池tr时刻开始发电，ts发电功率为零，由于太阳能电池的发电功率曲线以24小时为一个周期，所以太阳能飞机的飞行剖面也以24小时作为一个循环周期，将一个周期内的飞行剖面分为a、b、c、d四段；在a段(t0～t1)，太阳能无人机处于夜间和...
【专利技术属性】
技术研发人员：王洪，金焱，赵子安，乔伟，袁水生，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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