本發(fā)明涉及無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于任務(wù)規(guī)劃的無人機(jī)用混合動(dòng)力系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與國防事業(yè)的需要，無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。目前我國無人機(jī)依據(jù)其起飛重量的不同，其動(dòng)力裝置大多采用電動(dòng)機(jī)或者活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置的無人機(jī)受現(xiàn)有電池能量密度的影響，其續(xù)航時(shí)間較短；采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置的無人機(jī)，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(dǎo)致飛行過程中其發(fā)動(dòng)機(jī)工況變動(dòng)范圍大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低，無人機(jī)續(xù)航時(shí)間受限。同時(shí)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生極大的噪聲、廢氣與熱輻射，對(duì)環(huán)境造成污染。

無人機(jī)用混合動(dòng)力裝置通過將活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)整合發(fā)揮不同動(dòng)力源的各自優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)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(qiáng)動(dòng)力裝置環(huán)境適應(yīng)性，提升動(dòng)力裝置可靠性。

目前無人機(jī)用混合動(dòng)力系統(tǒng)多采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為蓄能器充能，然后由蓄能器提供的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，為無人機(jī)提供動(dòng)力，其混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略單一，不能依據(jù)飛行任務(wù)的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，系統(tǒng)工作效率較低。

技術(shù)實(shí)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(wù)規(guī)劃的無人機(jī)用混合動(dòng)力系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法，該能量?jī)?yōu)化方法由無人機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)，依據(jù)由無人機(jī)地面控制系統(tǒng)提供的飛行任務(wù)規(guī)劃，對(duì)不同飛行階段所需的任務(wù)能量和工作模式進(jìn)行預(yù)估。飛行過程中，動(dòng)力控制系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)行任務(wù)，結(jié)合飛行狀態(tài)和系統(tǒng)工況，進(jìn)行系統(tǒng)效率評(píng)估，并結(jié)合蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)，進(jìn)行控制修正，以確?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)在能為無人機(jī)提供所需動(dòng)力的前提下，有效提升系統(tǒng)工作效率，同時(shí)滿足特殊環(huán)境對(duì)于無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的要求。

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

進(jìn)一步的，該能量?jī)?yōu)化方法用于包括飛控系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和混合動(dòng)力裝置的無人機(jī)，所述飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、混合動(dòng)力裝置分別與所述動(dòng)力控制系統(tǒng)連接，所述動(dòng)力控制系統(tǒng)還與地面控制系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步的，所述混合動(dòng)力裝置包括燃料箱、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器、螺旋槳、電動(dòng)-發(fā)電機(jī)、蓄能器；所述傳動(dòng)器分別與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)-發(fā)電機(jī)、螺旋槳連接；燃料箱與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)連接，蓄能器與電動(dòng)-發(fā)電機(jī)連接。

進(jìn)一步的，混合動(dòng)力裝置的工作模式包括維持模式、放電模式、充電模式；

若動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前混合動(dòng)力裝置的工作模式為維持模式，則動(dòng)力控制系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)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(chǔ)能在設(shè)定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)滿足無人機(jī)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)瞬時(shí)功率要求；

若動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前混合動(dòng)力裝置的工作模式為放電模式，由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)-發(fā)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，或者單獨(dú)由電動(dòng)-發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)；

若動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前混合動(dòng)力裝置的工作模式為充電模式，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)器驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能，為蓄能器充電。

進(jìn)一步的，對(duì)混合動(dòng)力裝置進(jìn)行工作模式修正的方法具體為：

動(dòng)力控制系統(tǒng)根據(jù)混合動(dòng)力裝置的工作效率和蓄能器的儲(chǔ)能狀態(tài)，進(jìn)行混合動(dòng)力裝置工作模式的修正；所述混合動(dòng)力裝置的工作效率依據(jù)混合動(dòng)力裝置工況及無人機(jī)的飛行狀態(tài)計(jì)算得出；所述無人機(jī)的飛行狀態(tài)由導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸給所述動(dòng)力控制系統(tǒng)；

在充電模式下，如所述工作效率低于設(shè)定閾值，則視當(dāng)前蓄能器的儲(chǔ)能狀態(tài)而定，若儲(chǔ)能大于任務(wù)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(shè)定閾值，同時(shí)蓄能器的儲(chǔ)能大于臨界限制時(shí)，切換至維持模式；

在充電模式下，如遇緊急任務(wù)需求，需電動(dòng)-發(fā)電機(jī)介入為無人機(jī)提供額外應(yīng)急動(dòng)力，則切換至放電模式；

在維持模式下，如蓄能器的儲(chǔ)能小于任務(wù)需求，則切換至充電模式；

在維持模式下，如蓄能器的儲(chǔ)能大于任務(wù)需求，則切換至放電模式；

在維持模式下，如無人機(jī)處于返航階段，并且蓄能器的儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能小于任務(wù)需求，則切換至充電模式。

本發(fā)明的有益效果為：

1、該能量?jī)?yōu)化方法基于無人機(jī)的飛行任務(wù)規(guī)劃，依據(jù)飛行任務(wù)的不同，對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，有效提升混合動(dòng)力系統(tǒng)工作效率，增大無人機(jī)續(xù)航時(shí)間；

2、該能量?jī)?yōu)化方法依據(jù)無人機(jī)飛行狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)及系統(tǒng)工作效率，控制混合動(dòng)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(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，減少環(huán)境污染；

3、該能量?jī)?yōu)化方法依據(jù)飛行任務(wù)和飛行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化管理，確保蓄能器始終保持一定能量?jī)?chǔ)備，確保緊急情況下發(fā)電-電動(dòng)機(jī)可作為備份動(dòng)力源，提高無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)可靠性。

附圖說明

圖1所示為無人機(jī)用混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制框架原理圖。

圖2所示為混合動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例一種基于任務(wù)規(guī)劃的無人機(jī)用混合動(dòng)力系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法的控制流程圖。

圖4所示為混合動(dòng)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(dòng)力控制系統(tǒng)、4-導(dǎo)航系統(tǒng)、5-混合動(dòng)力裝置、6-燃料箱、7-活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、8-傳動(dòng)器、9-螺旋槳、10-電動(dòng)-發(fā)電機(jī)、11-蓄能器、12-任務(wù)規(guī)劃指令、13-初始任務(wù)能量預(yù)估、14-各飛行階段工作模式預(yù)估、15-現(xiàn)行任務(wù)指令、16-判斷任務(wù)變化、17-重新預(yù)估工作模式、18-預(yù)估工作模式執(zhí)行、19-混合動(dòng)力裝置工況、20-飛行狀態(tài)、21-系統(tǒng)效率估算、22-儲(chǔ)能狀態(tài)、23-工作模式修正。

具體實(shí)施方式

下文將結(jié)合具體附圖詳細(xì)描述本發(fā)明具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實(shí)施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。在下述實(shí)施例的附圖中，各附圖所出現(xiàn)的相同標(biāo)號(hào)代表相同的特征或者部件，可應(yīng)用于不同實(shí)施例中。

本發(fā)明實(shí)施例一種基于任務(wù)規(guī)劃的無人機(jī)用混合動(dòng)力系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法，包括系統(tǒng)根據(jù)初始任務(wù)指令進(jìn)行初始任務(wù)能量預(yù)估13和各飛行階段工作模式預(yù)估14的步驟；系統(tǒng)接收任務(wù)變化指令和判斷任務(wù)變化16的步驟；系統(tǒng)根據(jù)變化了的任務(wù)重新預(yù)估工作模式17的步驟；以及所述系統(tǒng)根據(jù)重新預(yù)估的工作模式對(duì)混合動(dòng)力裝置5進(jìn)行工作模式修正23的步驟；所述工作模式主要為混合動(dòng)力裝置5的工作模式。

在進(jìn)行任務(wù)能量預(yù)估時(shí)，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(jì)或數(shù)學(xué)建模（包括任何常規(guī)的數(shù)學(xué)建?；蚱渌７椒ǎ┑姆椒?，對(duì)執(zhí)行任務(wù)所需的能量進(jìn)行量化處理；根據(jù)任務(wù)能量預(yù)估確定特定飛行階段工作模式預(yù)估，工作模式主要指混合動(dòng)力裝置5的工作模式。

如圖1所示，該能量?jī)?yōu)化方法用于包括飛控系統(tǒng)2、動(dòng)力控制系統(tǒng)3、導(dǎo)航系統(tǒng)4和混合動(dòng)力裝置5的無人機(jī)，所述飛控系統(tǒng)2、導(dǎo)航系統(tǒng)4、混合動(dòng)力裝置5分別與所述動(dòng)力控制系統(tǒng)3連接，所述動(dòng)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(dòng)力裝置5包括燃料箱6、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7、傳動(dòng)器8、螺旋槳9、電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10、蓄能器11；所述傳動(dòng)器8分別與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7、電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10、螺旋槳9連接；燃料箱6與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7連接，蓄能器11與電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10連接。

如圖4所示，混合動(dòng)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(dòng)力控制系統(tǒng)3設(shè)定當(dāng)前混合動(dòng)力裝置5的工作模式為維持模式，則動(dòng)力控制系統(tǒng)3依據(jù)當(dāng)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(chǔ)能在設(shè)定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)滿足無人機(jī)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)瞬時(shí)功率要求；

若動(dòng)力控制系統(tǒng)3設(shè)定當(dāng)前混合動(dòng)力裝置5的工作模式為放電模式，由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7與電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳9轉(zhuǎn)動(dòng)，或者單獨(dú)由電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)螺旋槳9轉(zhuǎn)動(dòng)；

若動(dòng)力控制系統(tǒng)3設(shè)定當(dāng)前混合動(dòng)力裝置5的工作模式為充電模式，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7通過傳動(dòng)器8驅(qū)動(dòng)螺旋槳9轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能，為蓄能器11充電。

對(duì)混合動(dòng)力裝置5進(jìn)行工作模式修正的方法具體為：

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

在充電模式下，如所述工作效率低于設(shè)定閾值，則視當(dāng)前蓄能器11的儲(chǔ)能狀態(tài)而定，若儲(chǔ)能大于任務(wù)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(shè)定閾值，同時(shí)蓄能器11的儲(chǔ)能大于臨界限制時(shí)，切換至維持模式；

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

在維持模式下，如蓄能器11的儲(chǔ)能小于任務(wù)需求，則切換至充電模式；

在維持模式下，如蓄能器11的儲(chǔ)能大于任務(wù)需求，則切換至放電模式；

在維持模式下，如無人機(jī)處于返航階段，并且蓄能器11的儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能小于任務(wù)需求，則切換至充電模式。

具體混合動(dòng)力系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法的控制流程圖如圖3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，地面控制系統(tǒng)1負(fù)責(zé)依據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并將任務(wù)規(guī)劃指令12上傳至動(dòng)力控制系統(tǒng)3；飛控系統(tǒng)2從動(dòng)力控制系統(tǒng)3處接收混合動(dòng)力裝置5相關(guān)工作狀態(tài)，并將現(xiàn)行任務(wù)指令15傳輸給動(dòng)力控制系統(tǒng)3；動(dòng)力控制系統(tǒng)3依據(jù)任務(wù)規(guī)劃指令12，結(jié)合現(xiàn)行任務(wù)、飛行狀態(tài)20、混合動(dòng)力裝置5反饋的工作狀態(tài)，生成控制指令，控制混合動(dòng)力裝置5運(yùn)轉(zhuǎn)。

無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過程中，動(dòng)力控制系統(tǒng)3接收由地面控制系統(tǒng)1生成的任務(wù)規(guī)劃指令12，進(jìn)行初始任務(wù)能量預(yù)估13，并依此完成各飛行階段工作模式預(yù)估14；通過接收來自飛控系統(tǒng)2的現(xiàn)行任務(wù)指令15，動(dòng)力控制系統(tǒng)3進(jìn)行任務(wù)變化判斷16，如果任務(wù)發(fā)生變化，則重新預(yù)估工作模式17；然后動(dòng)力控制系統(tǒng)3進(jìn)行預(yù)估工作模式執(zhí)行18，控制活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7、傳動(dòng)器8及電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10依此選定工況運(yùn)轉(zhuǎn)；然后動(dòng)力控制系統(tǒng)3依據(jù)反饋得到的混合動(dòng)力裝置工況19，主要包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)7、螺旋槳9和電動(dòng)-發(fā)電機(jī)10相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，結(jié)合接收自導(dǎo)航系統(tǒng)4的飛行狀態(tài)20，進(jìn)行混合動(dòng)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(chǔ)能狀態(tài)22，進(jìn)行工作模式修正23，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

動(dòng)力控制系統(tǒng)3的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略基于任務(wù)需求、蓄能器11的儲(chǔ)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(jìn)行切換。

本發(fā)明的有益效果為：

1、該能量?jī)?yōu)化方法基于無人機(jī)的飛行任務(wù)規(guī)劃，依據(jù)飛行任務(wù)的不同，對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，有效提升混合動(dòng)力系統(tǒng)工作效率，增大無人機(jī)續(xù)航時(shí)間；

2、該能量?jī)?yōu)化方法依據(jù)無人機(jī)飛行狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)及系統(tǒng)工作效率，控制混合動(dòng)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(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，減少環(huán)境污染；

3、該能量?jī)?yōu)化方法依據(jù)飛行任務(wù)和飛行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化管理，確保蓄能器始終保持一定能量?jī)?chǔ)備，確保緊急情況下發(fā)電-電動(dòng)機(jī)可作為備份動(dòng)力源，提高無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)可靠性。

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