燃料电池无人机动力系统方案设计与试验

针对燃料电池为主能源的无人机（UAV）动力系统,设计了纯燃料电池动力系统、燃料电池/蓄电池（简称燃蓄）被/主动混合动力系统3种拓扑结构方案。以空冷质子交换膜燃料电池为例,搭建了燃料电池动力系统方案一体化试验平台。考虑阶梯型和阶跃型2种加载形式,试验研究了燃料电池自身的动态特性和启动特性。以阶梯型功率剖面的加载形式,试验研究了纯燃料电池动力系统放电特性;以无人机典型任务剖面作为加载形式,开展燃蓄被/主动混合动力系统对比试验研究。试验结果表明：纯燃料电池动力方案适用于低机动小型无人机,燃蓄被动混合方案可满足小型无人机大机动飞行,燃蓄主动混合方案系统可适应中大型无人机更长航时飞行。     

燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理,以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程,建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程,以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量,建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题,研究不同爬升高度对最优控制过程的影响,并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点,建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量,以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态,分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时,能够很好地兼顾飞行状态控制;对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾,在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时,降低整个任务过程的燃料消耗。     

考虑局部遮挡的太阳能无人机能源控制

针对太阳能无人机在飞行状态下可能出现的太阳能电池局部遮挡情况,开展相应的太阳能电池最大功率点追踪算法和能源控制研究。通过将发光亮度引入相对吸引力计算过程对萤火虫算法进行改进,实现了局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的高效追踪。以此为基础,设计了考虑局部遮挡情况下太阳能无人机的太阳能电池/蓄电池混合能源状态机控制规则。以"蒲公英I"无人机为例,建立了太阳能电池阵列模型,开展了考虑局部遮挡情况下太阳能电池最大功率点追踪仿真实验;基于"蒲公英I"飞行剖面,开展了考虑局部遮挡情况的混合能源控制仿真试验。研究结果表明：改进的萤火虫算法可以实现在局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的有效跟踪,与萤火虫算法相比收敛时间更短、且功率波动幅度更小;采用改进萤火虫算法和状态机能源管理策略,在考虑局部遮挡的飞行状态下可以实现太阳能电池/蓄电池之间的合理功率分配与控制。     

高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析

高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAV）的基本工作原理与常规动力飞机相比有显著的区别,体现在飞机总体设计方法上有其独到之处,方案设计中还需要对一些关键技术细节进行认真权衡。阐述了高空长航时太阳能无人机总体设计中遵循的重量不变和能量平衡原则的机理,同时从太阳能无人机巡航平飞功率需求、布局形式选取、飞行剖面优化和临近空间使用环境影响等方面出发,研究了太阳能无人机总体设计中的若干注意事项,主要结论可用于高空长航时太阳能无人机总体设计和方案优化。     

超长航时太阳能无人机关键技术综述

超长航时太阳能无人机（UAV）以其高效节能、原理上可实现无限巡航的特点受到广泛关注，而其独特的设计指标与任务特性也对各项关键技术提出了较高要求。多设计要素的高度耦合意味着不同于常规飞行器的总体设计方法，低密度、低速度的飞行条件使其具有明显的低雷诺数气动特性，柔性超大展弦比机翼带来了复杂的气动弹性问题，低翼载荷特性与较大的风场扰动增加了控制难度，极端的飞行环境与苛刻的任务指标对能源、动力系统带来了新挑战，飞行性能对能源系统的高度依赖开辟了飞行轨迹优化的研究方向。本文梳理了超长航时太阳能无人机关键技术的研究现状，在此基础上对各项技术中的难点问题进行了阐释，并对超长航时太阳能无人机未来发展趋势进行了展望。     

基于试飞数据的高空长航时无人机任务剖面优化方法

针对高空长航时无人机的任务剖面优化问题,综合考虑无人机的飞行特点,提出了阶梯式的巡航策略。建立了基于试飞数据的无人机任务剖面数学模型,将任务剖面优化问题转化为约束条件下求极值的问题,采用了免疫粒子群算法对问题进行求解。最后,将计算结果应用到飞行试验中,并与传统任务剖面试飞结果进行了对比。结果表明,该方法得到的任务剖面航程明显优于传统任务剖面。     

太阳能无人机能源系统的多维耦合建模

针对太阳能无人机能源系统建模的耦合性考虑不足、能量流动过程描述不全面等问题,将外部大气环境、无人机的姿态角度等不同维度下影响能源系统运行的多个因素纳入到建模过程中,先后给出了非均质大气环境模型、无人机运动模型、电机模型、减速器模型、螺旋桨模型、光伏电池模型和蓄电池模型的建立过程,并建立了各模型间的耦合关系,得到反映非均质大气环境下、动态飞行行为的太阳能无人机中能量流动的耦合模型。仿真结果表明：该模型可以完整的描述外部大气环境和无人机飞行姿态对无人机发电功率以及动力负荷功率的影响等耦合作用,适合用于仿真分析和地面半实物仿真平台的搭建。     

太阳能无人机发展综述

太阳能无人机以其长航时、能源清洁被世界各国重视,已经成为国家战略不可或缺的一环.简述了现如今太阳能无人机发展现状及成就;整理了太阳能无人机总体设计的发展脉络,介绍1种较成熟的能源管理方案;基于现有太阳能无人机采取的布局方式,引出并介绍了双机身串列翼构型太阳能无人机的可行性及优缺点.优点是采用串列翼布局的无人机升力较大,...     

基于改进BP算法的长航时无人机效能提升研究

利用思维进化算法建立改进的BP神经网络模型,对无人机巡航时外部飞行环境与发动机工作特性之间建立多变量耦合关系。通过对飞行数据分析,规划无人机飞行策略,并利用模型预测结果辅助完成飞行前和飞行中的方案设计。飞行验证表明,与未经优化的飞行方案相比,优化后的飞行方案明显提升了长航时无人机的任务效能。该预测模型可应用于无人机复杂科目或风险科目的飞行前任务规划设计、任务模拟演练和风险评估等方面。     

长航时无人机续航性能试飞方法优化研究

利用解析算法可计算长航时,无人机在典型任务剖面下巡航段的最有利航程和续航时间,及其对应的飞行参数,分析无人机等高变速、等速变高和等高等速3种巡航方式,及不同飞行参数的选取,对其巡航段航程和续航时间的影响。结果表明:在均选取最佳飞行参数时,等高变速巡航方式能达到最大续航能力,等高等速巡航方式的效果次于等高变速和等速变高巡航方式。该研究结果可直接应用在型号试飞中的任务性能、续航性能科目试飞及后续部队作战使用试飞中,根据无人机的控制方式,选择合适的飞行策略提升长航时无人机作战效能。     

State of art on energy management strategy for hybrid-powered unmanned aerial vehicle

New energy sources such as solar energy and hydrogen energy have been applied to the Unmanned Aerial Vehicle(UAV), which could be formed as the hybrid power sources due to the requirement of miniaturization, lightweight, and environmental protection issue for UAV. Hybrid electrical propulsion technology has been used in UAV and it further enforces this trend for the evolution to the Hybrid-Powered System(HPS). In order to realize long endurance flight mission and improve the energy efficiency of UAV, many researching works are focused on the Energy Management Strategy(EMS) of the HPS with digital simulation, ground demonstration platforms and a few flight tests for the UAV in recent years. energy management strategy, in which off-line or on-line control algorithms acted as the core part, could optimize dynamic electrical power distribution further and directly affect the efficiency and fuel economy of hybrid-powered system onboard.In order to give the guideline for this emerging technology for UAV, this paper presents a review of the topic highlighting energy optimal management strategies of UAV. The characteristics of typical new energy sources applied in UAV are summarized firstly, and then the classification and analysis of the architecture for hybrid power systems in UAV are presented. In the context of new energy sources and configuration of energy system, a comprehensive comparison and analysis for the state of art of EMS are presented, and the various levels of complexity and accuracy of EMS are considered in terms of real time, computational burden and optimization performance based on the optimal control and operational modes of UAV. Finally, the tendency and challenges of energy management strategy applied to the UAV have been forecasted.     

多太阳能无人机覆盖路径优化方法

为解决传统电动无人机在覆盖作业时存在的续航时间短的问题,提出应用多架太阳能无人机进行覆盖作业。首先,在建立了应用于覆盖作业的太阳能无人机的能量模型的基础上,提出了能量流动效率这一指标来评价太阳能无人机在作业过程中对能量的利用率。其次,针对边界存在障碍物的凹多边形区域和内部含障碍物的多边形区域,以总作业完成时间最短为优化目标,提出基于无向图搜索方法的覆盖路径优化模型,定义约束方程限制无人机按照一定规则访问无向图中的节点,通过混合整数线性规划的方法求解每架无人机的最优飞行路径。再次,考虑无人机转弯时的姿态变化对能量流动效率的影响,将总作业完成时间最短和总能量流动效率最高同时作为优化目标,建立双目标优化方程,在首先以作业时间最短为优化目标进行求解的基础上,通过有限遍历的方式选择使能流效率和作业时间相对最优的覆盖飞行方向及飞行路径。大量仿真实验表明,所提的优化模型选取不同的优化目标,应用于不同形状的待覆盖区域,适用性广,在工程上应用范围广、可行性强。     

太阳能飞机能量平衡建模

能量平衡是太阳能飞机设计工作的核心和难点。基于太阳能飞机能量原理,结合太阳辐射模型和太阳能飞机典型飞行剖面开展太阳能飞机能量平衡建模研究。根据太阳能飞机起飞-爬升-巡航阶段和持续跨昼夜飞行阶段的飞行剖面和能量需求,分别建立了各阶段的能量平衡模型,给出了各时段的能量特性计算方法并对傍晚下滑阶段的多种飞行情况进行了分类讨论。最后以某太阳能飞机为例对本文所建立的起飞-爬升-巡航能量平衡模型和持续跨昼夜飞行能量平衡模型进行了验证。     

多螺旋桨太阳能无人机横航向操稳特性研究

首先分析了大型高空长航时太阳能无人机由于超大展弦比和高效多螺旋桨带来的航向阻尼增量和航向操纵导数,接着分析了由此带来的横航向动态特性变化,并结合多螺旋桨的操纵特性,提出了多桨航向控制方法,最后进行了仿真验证.结果表明,分布式多桨布局对提高该类无人机的横航向稳定性有较大作用,以多桨的转速变化量最小为目标的最优化航向控制分配方法对超长航时飞行很有利.     

基于FQFD的太阳能无人机设计指标排序方法

为解决太阳能无人机（UAV）总体设计中任务需求表达模糊、技术指标重要度排序决策困难的问题,提出了基于模糊质量功能展开（FQFD）的太阳能无人机总体设计指标排序方法。该方法在传统质量功能展开（QFD）质量屋的基础上,引入三角模糊数,表征任务需求的不确定性和模糊性;在模糊隶属度函数未知的情况下,采用α加权修正水平截集去模糊化方法计算技术指标重要度,获得技术指标重要度排序,为总体设计优化决策提供依据。最后以长航时太阳能无人机的总体设计为例,对任务需求—工程特性—技术指标的两级质量屋模型进行计算分析,得到续航能力、巡航高度、动力系统效率、巡航速度和气动效率是太阳能无人机最重要的5个技术指标的结果。此方法客观性较强,可处理复杂的系统不确定性,为太阳能无人机总体方案设计及决策应用提供参考依据。