[发明专利]一种太阳能飞机自主寻优航迹规划方法

说明书

一种用于长航时太阳能飞行器的基于“随机森林”算法的路径寻优方法。该方法主要用于长航时太阳能飞机针对气候环境的路径规划问题。该方法主要由以下几部分组成：气象预测数据，系统动力和能量模型，目标函数(代价函数)及初始条件，出发/到达位置及离散网格，随机森林算法，路径优化结果(规划路径信息)。该方法通过建立综合的目标函数，考虑了多方面因素对飞行器飞行安全的影响，可以灵活的分析历史数据提前规划飞行任务，也可以高效快速的进行在线飞行路径修正。该方法不局限于针对气候环境的太阳能飞行器的路径规划，对目标函数进行修正，也可以拓展到诸如高山地区等环境的飞行路径规划中。

技术领域

本发明涉及一种太阳能飞机自主寻优航迹规划方法。

背景技术

长航时太阳能飞机是一种利用太阳能作为主要能源供给系统，并能在低、高空连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器。因其可以完成卫星的侦察、预警、大气观测、中继通信等大部分工作，因此，长航时太阳能飞机目前正受到各航空航天大国的关注。现今的太阳能无人飞行器，结合高度优化的气动外形和高效太阳能充电系统，长航时飞行的能力不断提高。例如，“天空使者”和“西风”无人飞行器已经实现多天飞行或者是“名义”上的永久飞行。前述两者可以分别代表当前太阳能无人机的两个发展趋势，即低空长航时(LALE)小展弦比飞行器和高空长航时(HALE)大展弦比飞行器。

相比之下，低空长航时小型化的太阳能飞行器，由于自身结构复杂性低、体积小、发射(起飞)方式简单，更适合搜索和营救、侦查和测绘等任务。然而上述任务都需要建立在细致的任务路径上执行，为保证任务完成的效率和质量，需要对飞行器的路径进行规划，经过优化算法并分析各方面因素对目标函数取值的影响，从而获取路径规划的最优结果。太阳能无人机也面临着许多严峻的挑战，例如结构轻量化设计引起的对环境条件的敏感性，飞行速度低，对太阳辐照度的严重依赖等，其中太阳辐照度对太阳能电池板的效率有非常大的影响，直接影响着太阳能无人机的工作状态。基于上述因素，要使太阳能无人机实现长期良好状态的运行，在气象环境下执行详细计划任务的能力对于太阳能无人机的长期飞行来说是必不可少而且十分重要的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能飞机自主寻优航迹规划方法，其特征在于包括：

A)确定系统模型，该系统模型包括：

对太阳能电池板发电功率、系统功率消耗、电池电量状态的评估；

包括地速，空速，风速的飞行动力学参数；

飞行控制器，其是无人飞行器的逻辑决策单元，依据系统状态决定飞行的空速，

包括云层厚度和分布、降水、风向和等级的气象预测数据，

决定飞行器飞行路线的太阳辐照度，其影响飞行器的太阳能电池板发电功率和飞行器的飞行参数，

B)构建目标函数，其中要求所规划的航迹使得所构建的目标函数的值最小，

目标函数是包括飞行时间、环境成本、和系统代价的影响因素的加权组合，其中，

环境成本是指环境因素对飞机飞行安全的响应，包括强风，阵风，湿度，降水量和风暴，

系统代价包括电池电荷状态、功率消耗、功率产生，

为了得到一致的加权求和，目标函数的影响因素的代价函数表示为：

其中，

通过调节参数α_k，β_k，ε_k，控制各个因素对于目标函数代价值的影响，α_k，β_k确定了代价值边界的最低阈值和最高上限，