本發(fā)明涉及無人機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于任務規(guī)劃的無人機用混合動力系統(tǒng)能量優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展與國防事業(yè)的需要，無人機的應用越來越廣泛。目前我國無人機依據(jù)其起飛重量的不同，其動力裝置大多采用電動機或者活塞發(fā)動機。采用電動機作為動力裝置的無人機受現(xiàn)有電池能量密度的影響，其續(xù)航時間較短；采用活塞發(fā)動機作為動力裝置的無人機，由于飛行過程，需兼顧起飛及爬升階段的大功率需求，以及巡航階段的小功率需求，導致飛行過程中其發(fā)動機工況變動范圍大，發(fā)動機工作效率低，無人機續(xù)航時間受限。同時活塞發(fā)動機工作時產(chǎn)生極大的噪聲、廢氣與熱輻射，對環(huán)境造成污染。

無人機用混合動力裝置通過將活塞發(fā)動機與電動機整合發(fā)揮不同動力源的各自優(yōu)勢，從而實現(xiàn)能量使用效率及續(xù)航里程最優(yōu)化，并有效降低環(huán)境污染，增強動力裝置環(huán)境適應性，提升動力裝置可靠性。

目前無人機用混合動力系統(tǒng)多采用活塞發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，為蓄能器充能，然后由蓄能器提供的電能驅(qū)動電動機，從而帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，為無人機提供動力，其混合動力系統(tǒng)控制策略單一，不能依據(jù)飛行任務的變化實時調(diào)節(jié)混合動力系統(tǒng)的工作模式，系統(tǒng)工作效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于任務規(guī)劃的無人機用混合動力系統(tǒng)能量優(yōu)化方法，該能量優(yōu)化方法由無人機推進控制系統(tǒng)，依據(jù)由無人機地面控制系統(tǒng)提供的飛行任務規(guī)劃，對不同飛行階段所需的任務能量和工作模式進行預估。飛行過程中，動力控制系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)行任務，結(jié)合飛行狀態(tài)和系統(tǒng)工況，進行系統(tǒng)效率評估，并結(jié)合蓄能器儲能狀態(tài)，進行控制修正，以確?；旌蟿恿ο到y(tǒng)在能為無人機提供所需動力的前提下，有效提升系統(tǒng)工作效率，同時滿足特殊環(huán)境對于無人機動力系統(tǒng)的要求。

本發(fā)明一種基于任務規(guī)劃的無人機用混合動力系統(tǒng)能量優(yōu)化方法，包括所述系統(tǒng)根據(jù)初始任務指令進行初始任務能量預估和各飛行階段工作模式預估的步驟；所述系統(tǒng)接收任務變化指令和判斷任務變化的步驟；所述系統(tǒng)根據(jù)變化了的任務重新預估工作模式的步驟；以及所述系統(tǒng)根據(jù)重新預估的工作模式對混合動力裝置進行工作模式修正的步驟；所述工作模式主要為混合動力裝置的工作模式。

進一步的，該能量優(yōu)化方法用于包括飛控系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和混合動力裝置的無人機，所述飛控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、混合動力裝置分別與所述動力控制系統(tǒng)連接，所述動力控制系統(tǒng)還與地面控制系統(tǒng)連接。

進一步的，所述混合動力裝置包括燃料箱、活塞發(fā)動機、傳動器、螺旋槳、電動-發(fā)電機、蓄能器；所述傳動器分別與活塞發(fā)動機、電動-發(fā)電機、螺旋槳連接；燃料箱與活塞發(fā)動機連接，蓄能器與電動-發(fā)電機連接。

進一步的，混合動力裝置的工作模式包括維持模式、放電模式、充電模式；

若動力控制系統(tǒng)設定當前混合動力裝置的工作模式為維持模式，則動力控制系統(tǒng)依據(jù)當前飛行狀態(tài)，在充電子模式和放電子模式間切換，維持蓄能器的儲能在設定區(qū)間內(nèi)波動，同時滿足無人機對于動力系統(tǒng)瞬時功率要求；

若動力控制系統(tǒng)設定當前混合動力裝置的工作模式為放電模式，由活塞發(fā)動機與電動-發(fā)電機共同驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，或者單獨由電動-發(fā)電機驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動；

若動力控制系統(tǒng)設定當前混合動力裝置的工作模式為充電模式，活塞發(fā)動機通過傳動器驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動電動-發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，為蓄能器充電。

進一步的，對混合動力裝置進行工作模式修正的方法具體為：

動力控制系統(tǒng)根據(jù)混合動力裝置的工作效率和蓄能器的儲能狀態(tài)，進行混合動力裝置工作模式的修正；所述混合動力裝置的工作效率依據(jù)混合動力裝置工況及無人機的飛行狀態(tài)計算得出；所述無人機的飛行狀態(tài)由導航系統(tǒng)傳輸給所述動力控制系統(tǒng)；

在充電模式下，如所述工作效率低于設定閾值，則視當前蓄能器的儲能狀態(tài)而定，若儲能大于任務需求，則切換至放電模式；

在充電模式下，如蓄能器處于充滿狀態(tài)，則切換至維持模式；

在充電模式下，如所述工作效率低于設定閾值，同時蓄能器的儲能大于臨界限制時，切換至維持模式；

在充電模式下，如遇緊急任務需求，需電動-發(fā)電機介入為無人機提供額外應急動力，則切換至放電模式；

在維持模式下，如蓄能器的儲能小于任務需求，則切換至充電模式；

在維持模式下，如蓄能器的儲能大于任務需求，則切換至放電模式；

在維持模式下，如無人機處于返航階段，并且蓄能器的儲能大于臨界限制，則切換至放電模式；

在放電模式下，如蓄能器的儲能小于臨界限制，則切換至維持模式；

在放電模式下，如蓄能器的儲能小于任務需求，則切換至充電模式。

本發(fā)明的有益效果為：

1、該能量優(yōu)化方法基于無人機的飛行任務規(guī)劃，依據(jù)飛行任務的不同，對系統(tǒng)能量進行實時管理，有效提升混合動力系統(tǒng)工作效率，增大無人機續(xù)航時間；

2、該能量優(yōu)化方法依據(jù)無人機飛行狀態(tài)、儲能狀態(tài)及系統(tǒng)工作效率，控制混合動力系統(tǒng)在放電模式、充電模式及維持模式間切換，可以有效改善無人機的環(huán)境適應性，減少環(huán)境污染；

3、該能量優(yōu)化方法依據(jù)飛行任務和飛行狀態(tài)，對系統(tǒng)能量進行實時優(yōu)化管理，確保蓄能器始終保持一定能量儲備，確保緊急情況下發(fā)電-電動機可作為備份動力源，提高無人機動力系統(tǒng)可靠性。

附圖說明

圖1所示為無人機用混合動力系統(tǒng)能量管理控制框架原理圖。

圖2所示為混合動力裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖3所示為本發(fā)明實施例一種基于任務規(guī)劃的無人機用混合動力系統(tǒng)能量優(yōu)化方法的控制流程圖。

圖4所示為混合動力裝置工作模式修正轉(zhuǎn)換示意圖。

圖中：1-地面控制系統(tǒng)、2-飛控系統(tǒng)、3-動力控制系統(tǒng)、4-導航系統(tǒng)、5-混合動力裝置、6-燃料箱、7-活塞發(fā)動機、8-傳動器、9-螺旋槳、10-電動-發(fā)電機、11-蓄能器、12-任務規(guī)劃指令、13-初始任務能量預估、14-各飛行階段工作模式預估、15-現(xiàn)行任務指令、16-判斷任務變化、17-重新預估工作模式、18-預估工作模式執(zhí)行、19-混合動力裝置工況、20-飛行狀態(tài)、21-系統(tǒng)效率估算、22-儲能狀態(tài)、23-工作模式修正。

具體實施方式

下文將結(jié)合具體附圖詳細描述本發(fā)明具體實施例。應當注意的是，下述實施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應當被認為是孤立的，它們可以被相互組合從而達到更好的技術(shù)效果。在下述實施例的附圖中，各附圖所出現(xiàn)的相同標號代表相同的特征或者部件，可應用于不同實施例中。

本發(fā)明實施例一種基于任務規(guī)劃的無人機用混合動力系統(tǒng)能量優(yōu)化方法，包括系統(tǒng)根據(jù)初始任務指令進行初始任務能量預估13和各飛行階段工作模式預估14的步驟；系統(tǒng)接收任務變化指令和判斷任務變化16的步驟；系統(tǒng)根據(jù)變化了的任務重新預估工作模式17的步驟；以及所述系統(tǒng)根據(jù)重新預估的工作模式對混合動力裝置5進行工作模式修正23的步驟；所述工作模式主要為混合動力裝置5的工作模式。

在進行任務能量預估時，主要考慮飛行距離、天氣條件、載重等多種因素的影響，利用統(tǒng)計或數(shù)學建模（包括任何常規(guī)的數(shù)學建?；蚱渌７椒ǎ┑姆椒?，對執(zhí)行任務所需的能量進行量化處理；根據(jù)任務能量預估確定特定飛行階段工作模式預估，工作模式主要指混合動力裝置5的工作模式。

如圖1所示，該能量優(yōu)化方法用于包括飛控系統(tǒng)2、動力控制系統(tǒng)3、導航系統(tǒng)4和混合動力裝置5的無人機，所述飛控系統(tǒng)2、導航系統(tǒng)4、混合動力裝置5分別與所述動力控制系統(tǒng)3連接，所述動力控制系統(tǒng)3還與地面控制系統(tǒng)1連接。

如圖2所示，所述混合動力裝置5包括燃料箱6、活塞發(fā)動機7、傳動器8、螺旋槳9、電動-發(fā)電機10、蓄能器11；所述傳動器8分別與活塞發(fā)動機7、電動-發(fā)電機10、螺旋槳9連接；燃料箱6與活塞發(fā)動機7連接，蓄能器11與電動-發(fā)電機10連接。

如圖4所示，混合動力裝置5的工作模式包括維持模式、放電模式、充電模式；

若動力控制系統(tǒng)3設定當前混合動力裝置5的工作模式為維持模式，則動力控制系統(tǒng)3依據(jù)當前飛行狀態(tài)，在充電子模式和放電子模式間切換，維持蓄能器11的儲能在設定區(qū)間內(nèi)波動，同時滿足無人機對于動力系統(tǒng)瞬時功率要求；

若動力控制系統(tǒng)3設定當前混合動力裝置5的工作模式為放電模式，由活塞發(fā)動機7與電動-發(fā)電機10共同驅(qū)動螺旋槳9轉(zhuǎn)動，或者單獨由電動-發(fā)電機10驅(qū)動螺旋槳9轉(zhuǎn)動；

若動力控制系統(tǒng)3設定當前混合動力裝置5的工作模式為充電模式，活塞發(fā)動機7通過傳動器8驅(qū)動螺旋槳9轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動電動-發(fā)電機10轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，為蓄能器11充電。

對混合動力裝置5進行工作模式修正的方法具體為：

動力控制系統(tǒng)3根據(jù)混合動力裝置5的工作效率和蓄能器11的儲能狀態(tài)，進行混合動力裝置5工作模式的修正；所述混合動力裝置5的工作效率依據(jù)混合動力裝置5工況及無人機的飛行狀態(tài)計算得出；所述無人機的飛行狀態(tài)由導航系統(tǒng)4傳輸給所述動力控制系統(tǒng)3；上述計算混合動力裝置5的工作效率的方法，可以是任何已有的計算方法，也可以根據(jù)具體情況設置特定的算法。

在充電模式下，如所述工作效率低于設定閾值，則視當前蓄能器11的儲能狀態(tài)而定，若儲能大于任務需求，則切換至放電模式；

在充電模式下，如蓄能器11處于充滿狀態(tài)，則切換至維持模式；

在充電模式下，如所述工作效率低于設定閾值，同時蓄能器11的儲能大于臨界限制時，切換至維持模式；

在充電模式下，如遇緊急任務需求，需電動-發(fā)電機10介入為無人機提供額外應急動力，則切換至放電模式；

在維持模式下，如蓄能器11的儲能小于任務需求，則切換至充電模式；

在維持模式下，如蓄能器11的儲能大于任務需求，則切換至放電模式；

在維持模式下，如無人機處于返航階段，并且蓄能器11的儲能大于臨界限制，則切換至放電模式；

在放電模式下，如蓄能器11的儲能小于臨界限制，則切換至維持模式；

在放電模式下，如蓄能器11的儲能小于任務需求，則切換至充電模式。

具體混合動力系統(tǒng)能量優(yōu)化方法的控制流程圖如圖3所示。

在實際應用中，地面控制系統(tǒng)1負責依據(jù)任務需求進行任務規(guī)劃，并將任務規(guī)劃指令12上傳至動力控制系統(tǒng)3；飛控系統(tǒng)2從動力控制系統(tǒng)3處接收混合動力裝置5相關(guān)工作狀態(tài)，并將現(xiàn)行任務指令15傳輸給動力控制系統(tǒng)3；動力控制系統(tǒng)3依據(jù)任務規(guī)劃指令12，結(jié)合現(xiàn)行任務、飛行狀態(tài)20、混合動力裝置5反饋的工作狀態(tài)，生成控制指令，控制混合動力裝置5運轉(zhuǎn)。

無人機執(zhí)行任務過程中，動力控制系統(tǒng)3接收由地面控制系統(tǒng)1生成的任務規(guī)劃指令12，進行初始任務能量預估13，并依此完成各飛行階段工作模式預估14；通過接收來自飛控系統(tǒng)2的現(xiàn)行任務指令15，動力控制系統(tǒng)3進行任務變化判斷16，如果任務發(fā)生變化，則重新預估工作模式17；然后動力控制系統(tǒng)3進行預估工作模式執(zhí)行18，控制活塞發(fā)動機7、傳動器8及電動-發(fā)電機10依此選定工況運轉(zhuǎn)；然后動力控制系統(tǒng)3依據(jù)反饋得到的混合動力裝置工況19，主要包括活塞發(fā)動機7、螺旋槳9和電動-發(fā)電機10相關(guān)運轉(zhuǎn)情況，結(jié)合接收自導航系統(tǒng)4的飛行狀態(tài)20，進行混合動力裝置的系統(tǒng)效率估算21；然后根據(jù)估算的系統(tǒng)效率和蓄能器11的儲能狀態(tài)22，進行工作模式修正23，從而實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

動力控制系統(tǒng)3的混合動力系統(tǒng)能量管理策略基于任務需求、蓄能器11的儲能狀態(tài)及系統(tǒng)工作效率為判據(jù)，在維持模式24、放電模式25及充電模式26間進行切換。

本發(fā)明的有益效果為：

1、該能量優(yōu)化方法基于無人機的飛行任務規(guī)劃，依據(jù)飛行任務的不同，對系統(tǒng)能量進行實時管理，有效提升混合動力系統(tǒng)工作效率，增大無人機續(xù)航時間；

2、該能量優(yōu)化方法依據(jù)無人機飛行狀態(tài)、儲能狀態(tài)及系統(tǒng)工作效率，控制混合動力系統(tǒng)在放電模式、充電模式及維持模式間切換，可以有效改善無人機的環(huán)境適應性，減少環(huán)境污染；

3、該能量優(yōu)化方法依據(jù)飛行任務和飛行狀態(tài)，對系統(tǒng)能量進行實時優(yōu)化管理，確保蓄能器始終保持一定能量儲備，確保緊急情況下發(fā)電-電動機可作為備份動力源，提高無人機動力系統(tǒng)可靠性。

本文雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以對本文的實施例進行改變。上述實施例只是示例性的，不應以本文的實施例作為本發(fā)明權(quán)利范圍的限定。