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基于能量闭环的太阳能无人机能源管理

户艳鹏 郭金 周蒙 王翔宇

户艳鹏,郭金,周蒙,等. 基于能量闭环的太阳能无人机能源管理[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(8):2624-2631 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0749
引用本文: 户艳鹏,郭金,周蒙,等. 基于能量闭环的太阳能无人机能源管理[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(8):2624-2631 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0749
HU Y P,GUO J,ZHOU M,et al. Energy management of solar-powered UAV based on energy closed loop[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(8):2624-2631 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0749
Citation: HU Y P,GUO J,ZHOU M,et al. Energy management of solar-powered UAV based on energy closed loop[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(8):2624-2631 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0749

基于能量闭环的太阳能无人机能源管理

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0749
基金项目: 

国家自然科学基金(62173030);北京市自然科学基金(4222050)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:wangxiangyu@iet.cn

  • 中图分类号: V221+.3;TK01+.8

Energy management of solar-powered UAV based on energy closed loop

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (62173030); Beijing Natural Science Foundation (4222050)

More Information
  • 摘要:

    临近空间作为地球空间新的认知领域和重要的安全空间受到世界主要大国的重视,临近空间太阳能无人机是世界航空科技领域的研究热点,传统的设计方法中,能源、动力、飞控、载荷等独立设计,无法有效减轻结构质量,也难以达到总体性能最优。基于此,从能源系统可靠性和能源动力飞控一体化设计2个角度对临近空间太阳能无人机能源管理开展研究,以达到结构质量减重与总体性能优化的目的。采用双余度能源管理方案设计,通过双向固态功率控制器(SSPC)进行隔离与控制,实现单次故障状态下的安全返回;开展能源动力飞控一体化设计,将储能电池控制、电机控制、电源控制和飞行控制一体化设计,在硬件上减轻质量,软件上达到协同控制的目的;采用改进蚁群优化算法进行太阳能无人机的三维航迹规划,并将规划航迹作为能源系统地面模拟综合试验的输入进行一体化控制方案的仿真验证,实现了能源管理、动力控制与飞行控制的协同控制。

     

  • 图 1  太阳能无人机能源系统示意图

    Figure 1.  Energy system for solar-powered UAV

    图 2  常规能源、动力与飞行控制方案

    Figure 2.  Conventional scheme of energy, power, and flight control

    图 3  电机指令及跟踪(2018年测试)

    Figure 3.  Motor command and tracking(testing in 2018)

    图 4  电机指令及跟踪(2020年测试)

    Figure 4.  Motor command and tracking(testing in 2020)

    图 5  高可靠性电源管理方案

    Figure 5.  High-reliability power management scheme

    图 6  能源动力飞控一体化控制设计

    Figure 6.  Integrated control design of energy, power, and flight control

    图 7  飞行任务区域

    Figure 7.  Flighting mission area

    图 8  航迹规划结果

    Figure 8.  Flight route planning results

    图 9  PCU电源控制器电压

    Figure 9.  Voltage of PCU controller

    图 10  PCU电源控制器电流

    Figure 10.  Current of PCU controller

    图 11  储能电池放电电压

    Figure 11.  Discharge voltage of storage battery

    图 12  储能电池放电电流

    Figure 12.  Discharge current of storage battery

    表  1  蚁群优化算法参数

    Table  1.   Parameters of ant colony optimization algorithm

    参数 数值
    最大迭代次数 200
    蚂蚁数量 50
    城市数量 19
    信息素重要程度因子 1
    启发函数重要程度因子 5
    信息素挥发因子 0.1
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    表  2  飞机参数

    Table  2.   Aircraft parameters

    参数 数值
    机翼面积/m2 14.8
    质量/kg 75
    翼展/m 15
    展弦比 15.5
    奥斯瓦尔德因子 0.9
    零升阻力系数 0.016
    升力系数 0.741
    推进系统效率 0.80
    太阳能电池效率 0.181
    航电功率/W 28
    载荷功率/W 2
    变速器效率 0.95
    控制器效率 0.95
    电机效率 0.90
    最大迎角/(°) 10
    电机功率/kW 3(最大)
    下载: 导出CSV

    表  3  仿真参数

    Table  3.   Simulation parameters

    参数 数值
    飞行高度范围/km 0~22
    初始高度/km 20
    航线范围/(km×km) 20×5(矩形航线)
    最终高度/km 0
     注:地点为包头, 时间为6月1日,开始时间为上午9:00。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-31
  • 录用日期:  2022-12-06
  • 网络出版日期:  2023-01-04
  • 整期出版日期:  2025-08-31

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