一種基于縱向航跡的太陽能飛行器安全控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無人機技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于縱向航跡的太陽能飛行器安全控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用平流層穩(wěn)定的大氣環(huán)境和太陽能源實現(xiàn)超長航時升力飛行的太陽能飛行器 是當(dāng)前國際研究的熱點和前沿領(lǐng)域之一。該飛行器具有可晝夜持續(xù)飛行、對地?zé)o遮擋覆蓋 范圍大、工作狀態(tài)穩(wěn)定、應(yīng)用成本較低、服務(wù)響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在環(huán)境探測、區(qū)域通信、邊 境監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測、高分辨率對地觀測等任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 太陽能飛行器內(nèi)安裝有能源管理系統(tǒng)，用于監(jiān)測和管理太陽能飛行器自身儲存的 能量和接收自外部的能量，比如太陽光照。
[0004] 如何實現(xiàn)太陽能飛行器跨晝夜長期運行和在平流層高度穩(wěn)定安全飛行是該領(lǐng)域 面臨的核心挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種控制方法，實現(xiàn)了太陽能飛行器跨晝夜長期 運行和在平流層高度穩(wěn)定安全飛行。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于縱向航跡的太陽能飛行器安全控制方 法。
[0007] -種基于縱向航跡的太陽能飛行器安全控制方法，步驟如下：
[0008]S1，啟動太陽能飛行器動力系統(tǒng)，太陽能飛行器利用儲能電池和太陽光照提供的 能量飛到預(yù)定高度；
[0009]S2,太陽能電池板接收太陽光照，產(chǎn)生電能，太陽能飛行器搭載的能源管理系統(tǒng)檢 測太陽能電池功率，太陽能電池功率即為太陽能飛行器的輸入功率；
[0010] S3,根據(jù)當(dāng)前太陽能飛行器的飛行速度、高度和質(zhì)量，通過推阻平衡關(guān)系得到平飛 功率和平飛速度；
[0011] S4,根據(jù)太陽能飛行器輸入功率與平飛功率的大小關(guān)系，控制太陽能飛行器的飛 行模式；
[0012] 若太陽能飛行器輸入功率大于平飛功率時，太陽能飛行器進入爬升模式；太陽能 飛行器的升降舵保持飛行器的爬升速度恒定，使飛行器在安全的空速下爬升，飛行器增加 飛行高度和重力勢能；
[0013] 若太陽能飛行器輸入功率等于平飛功率時，太陽能飛行器進入平飛模式；太陽能 飛行器的升降舵保持飛行器的平飛速度恒定，維持飛行器平飛姿態(tài)，保持太陽能飛行器穩(wěn) 定的飛行高度和重力勢能；
[0014] 若太陽能飛行器輸入功率小于平飛功率時，太陽能飛行器進入下滑模式；太陽能 飛行器的升降舵保持飛行器的下滑速度，維持飛行器下滑姿態(tài)，此時，能源管理系統(tǒng)減小太 陽能電池功率，使用儲能電池內(nèi)的能量。
[0015] 進一步，太陽能飛行器進入爬升模式時的具體執(zhí)行步驟如下：
[0016] 第一步，設(shè)置爬升速度，計算太陽能飛行器的需要推力；
[0017] 第二步，根據(jù)太陽能飛行器的需要推力反求螺旋槳轉(zhuǎn)速；
[0018] 太陽能飛行器的升降舵通過閉環(huán)反饋回路保持飛行器的爬升速度恒定，使飛行器 在安全的空速下爬升，飛行器增加飛行高度和重力勢能。
[0019] 太陽能飛行器進入平飛模式時的具體執(zhí)行步驟如下：
[0020] 第一步，根據(jù)推阻平衡關(guān)系計算太陽能飛行器的需要推力；
[0021] 第二步，根據(jù)太陽能飛行器的需要推力反求螺旋槳轉(zhuǎn)速；
[0022] 太陽能飛行器的升降舵通過閉環(huán)反饋回路保持飛行器的平飛速度恒定，維持飛行 器平飛姿態(tài)，保持太陽能飛行器穩(wěn)定的飛行高度和重力勢能；
[0023] 太陽能飛行器進入下滑模式時的具體執(zhí)行步驟如下：
[0024] 第一步，計算下滑速度；
[0025] 第二步，計算太陽能飛行器的需要推力；
[0026] 第三步，根據(jù)太陽能飛行器的需要推力反求螺旋槳轉(zhuǎn)速；
[0027] 太陽能飛行器的升降舵通過閉環(huán)反饋回路保持飛行器的下滑速度恒定，使飛行器 在安全的空速下下滑，飛行器減少高度，重力勢能降低；此時，能源管理系統(tǒng)減小太陽能電 池功率，使用儲能電池內(nèi)的能量。
[0028] 本發(fā)明針對太陽能飛行器的特點，根據(jù)外界能量輸入，控制螺旋槳轉(zhuǎn)速，在太陽能 充裕的情況下爬升或平飛，有效儲存勢能，實現(xiàn)能量利用的最大化，具備創(chuàng)新性和實用性； 在太陽能不足的情況下轉(zhuǎn)入下滑狀態(tài)，通過勢能和動能的轉(zhuǎn)化來改變太陽能飛行器飛行速 度，實現(xiàn)太陽能飛行器的安全飛行。本發(fā)明能夠有效實現(xiàn)太陽能飛行器的縱向航跡控制，并 能在能源利用最大化的條件下保證飛行安全，具有實用性。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明基于縱向航跡的太陽能飛行器安全控制方法的流程示意圖。 具體實施方案
[0030] 本發(fā)明針對太陽能飛行器受限于外界能量輸入的特點，提出了一種太陽能飛行器 縱向航跡的安全控制方法。
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行具體描述，其中"飛行器"表示"太陽能飛行器"。
[0032] -種基于縱向航跡的太陽能飛行器安全控制方法，步驟如下：
[0033]S1，啟動太陽能飛行器動力系統(tǒng)，太陽能飛行器利用儲能電池和太陽光照提供的 能量飛到預(yù)定高度；
[0034] S2,太陽能電池板接收太陽光照，產(chǎn)生電能，太陽能飛行器搭載的能源管理系統(tǒng)檢 測太陽能電池功率，太陽能電池功率即為太陽能飛行器的輸入功率；
[0035]S3,根據(jù)當(dāng)前太陽能飛行器的飛行速度、高度和質(zhì)量，通過推阻平衡關(guān)系得到平飛 功率PH和平飛速度VH，計算公式如下：
[0038] 其中，默認已知升力系數(shù)和阻力系數(shù)，W為太陽能飛行器重力，K為太陽能飛行器 當(dāng)前升阻比，Ρ為空氣密度，S為太陽能飛行器的機翼面積，Q為太陽能飛行器的升力系 數(shù)；
[0039] S4,根據(jù)太陽能飛行器輸入功率與平飛功率的大小關(guān)系，控制太陽能飛行器的飛 行模式；
[0040] (一）若太陽能飛行器輸入功率大于平飛功率時，太陽能飛行器進入爬升模式：
[0041] 第一步，考慮安全性，設(shè)置爬升速度％為0. 8VH，計算太陽能飛行器的需要推力Τ:
[0044] T=D+ffsinγ
[0045] 其中，ΛΡ為剩余功率，Vv為爬升率，γ為航跡傾角，D為阻力，Τ為需用推力；
[0046] 第二步，根據(jù)太陽能飛行器的需要推力Τ反求螺旋槳轉(zhuǎn)速ω:
[0047] Τ = Κρ1 ω 2-Κρ2 ω Vc
[0048] 其中，Κρ1，Κρ2為螺旋槳參數(shù)，由螺旋槳制作廠家提供或?qū)嶒灉y得。
[0049] 太陽能飛行器的升降舵通過閉環(huán)反饋回路保持飛行器的爬升速度恒定，使飛行器 在安全的空速下爬升，飛行器增加飛行高度和重力勢能。太陽能電池轉(zhuǎn)換的富余電能為儲 能電池充電。<