[发明专利]基于MPC序列凸优化的混合电动无人机能源管理方法

说明书

本发明公开的一种基于MPC序列凸优化的混合电动无人机能源管理方法，属于无人机能源管理领域。本发明实现方法为：根据无人机的飞行轨迹计算未来时刻的需求功率与太阳能电池输出功率，将除太阳能电池输出功率之外的剩余需求功率分配给燃料电池和锂电池，太阳能电池则通过最大功率追踪器(MPPT)始终保持在最大输出功率工作点，建立混合能源系统功率分配模型，并在信赖域范围对混合能源系统功率分配模型进出凸化，采用凸优化进行求解，获得混合能源系统功率分配结果，提高无人机的飞行航时；进一步引入MPC滚动优化策略，将混合电动无人机的能源管理问题分解为一系列短时域在线优化问题，降低混合电动无人机能源管理问题的复杂度，提高混合电动无人机能源管理效率。

技术领域

本发明涉及基于MPC序列凸优化的混合电动无人机能源管理方法，属于无人机能源管理领域。

背景技术

近年来，无人机已经广泛应用于生产生活的各个方面，其中太阳能电池燃料电池锂电池混合电动无人机引起了极大的关注。太阳能电池能够源源不断地将环境中的太阳能转化为电能，但受环境因素影响较大；燃料电池的能量密度较大，但相应速度相对较慢，电力特性疲软；锂电池的功率密度较大，但能量密度较小，而太阳能电池/燃料电池/锂电池混合电动无人机能够弥补单一能源形式的不足，充分发挥组合能源的优势。然而多种能源形式的组合使得无人机能源系统更加复杂，需要进行高效的能源管理，才能保证混合能源系统高效工作。

混合电动无人机的能源管理策略主要分为基于规则的能源管理策略和基于优化的能源管理策略。基于规则的管理策略依据预先制定的规则实现混合能源系统的功率分配，因而具有良好的实时性能，但通常最优性较差；而基于优化的管理策略则采用优化方法求解混合能源系统功率分配问题。混合电动无人机的机动过程决定了混合能源系统的需求功率剖面，而机翼表面的太阳能电池输出功率也受无人机的飞行姿态的影响，混合能源系统状态与无人机的飞行运动存在复杂的耦合关系，仅仅从混合能源系统层面进行能源管理，难以满足混合电动无人机的高能源效率长航时飞行。因此，针对太阳能电池/燃料电池/锂电池混合电动无人机的能源管理问题，需要设计更加高效的能源管理策略。

发明内容

针对太阳能电池燃料电池锂电池混合电动无人机的能源管理问题，本发明提供一种基于MPC序列凸优化的混合电动无人机能源管理方法，该方法首先根据无人机的飞行轨迹计算未来时刻的需求功率与太阳能电池输出功率，将除太阳能电池输出功率之外的剩余需求功率分配给燃料电池和锂电池，而太阳能电池则通过最大功率追踪器(MPPT)始终保持在最大输出功率工作点，建立混合能源系统功率分配模型，并在信赖域范围对混合能源系统功率分配模型进行凸化，采用凸优化进行求解，获得混合能源系统功率分配结果，提高无人机的飞行航时；进一步引入MPC滚动优化策略，将混合电动无人机的能源管理问题分解为一系列短时域在线优化问题，降低混合电动无人机能源管理问题的复杂度，提高混合电动无人机能源管理效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的基于MPC序列凸优化的混合电动无人机能源管理方法，包括以下步骤：

步骤一：给出混合无人机的飞行轨迹，给出等效系数σ、信赖域大小ε、收敛误差ξ、预测时域N_p、边界条件s_min,s_max,u_min,u_max；