单通道换电立体垂直循环无人机基站充电位数量配置方法

本发明属于无人机换电基站，更具体地说，特别涉及一种单通道换电立体垂直循环无人机基站充电位数量配置方法。

背景技术：

1、随着巡检、安防、测绘类无人机大规模集群化作业，无人机自主充换电基站成为实现无人机7×24小时不间断作业的核心装备。本发明立体垂直循环式充换电基站借鉴立体循环车库循环结构，采用闭环回转机架、顶端单一换电对接工位，槽位随机架循环轮转，电池采用置换方式完成入环与出站，具备结构紧凑、空间利用率高、可连续多架次无人机换电作业的优势，相信未来会在无人值守无人机场站中得到越来越多的应用。

2、现有充换电站点的电池/充电槽位数量确定方式主要分为两类，一类是依靠工程经验进行估选，设计人员依据项目规模主观选定槽位数量；另一类是借鉴平面固定式充换电基站的排队论模型，采用m/m/c排队模型，以亏电电池等待空闲充电槽位作为排队事件开展计算。

3、经过检索和分析，现有技术至少存在如下缺陷：

4、1. 经验估算法主观性强，缺乏量化计算依据，槽位配置过少时，饱和连续换电工况下，环内电池充电时间不足就被轮转至顶端换电工位出站，输出电池soc不达标，引发无人机供电不足、集群作业中断；槽位配置过多，则造成回转机架高度、整机重量、设备成本、散热负荷不必要增大，有限空间部署条件下会显著提升基建与运维压力。

5、2.现有配置方法大多直接采用电池0-100%完整满充时长作为计算输入，忽略电池恒流-恒压充电特性，接近100%充满的区间范围内充电时间消耗大、电量增益很小，使用满充时间会高估充电耗时，造成槽位数量设计冗余。

6、3.现有方案较少综合考虑机械空间、供电功率、预算成本、结构承载、散热可靠性多重工程硬约束，仅从理论排队时延角度给出槽位结果，容易出现理论计算可行，但实际机械、电气条件无法实现的情况。同时缺少对低温环境、电池老化衰减工况的校核，仅按照新电池常温条件设计，设备投入使用后期，电池充电速率下降后，会逐步出现供能不足、换电中断现象。

7、因此，经过发明人团队研究和分析，亟需一种适配立体垂直循环基站工作机理，兼顾排队时延、系统稳态约束、多维工程边界以及全环境全生命周期的电池槽位定量配置方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种单通道换电立体垂直循环无人机基站充电位数量配置方法，以解决上述背景技术中提出的未兼顾排队时延、系统稳态约束、多维工程边界以及全环境全生命周期的充电位配置等问题。

2、本发明一种单通道换电立体垂直循环无人机基站充电位数量配置方法，由以下具体技术手段所达成：

3、单通道换电立体垂直循环无人机基站充电位数量配置方法，包括如下步骤：

4、k1.确定基站硬件架构并采集输入参数：单换电通道实现串行换电，有个充电位，每个仅容纳单块电池，基站顶端的充电位为换电工位；

5、采集无人机单次完整换电作业时长

t1、完全亏电电池到满充时长

t2，设允许出站换电的电池最低可用电量阈值、最大换电排队等待阈值；

6、k2.做工程修正得到可用充电时长：，式中：为电池充电至的工程可用充电时长，为电量阈值修正系数，取值为0.75~0.85；

7、k3.构建m/m/1单通道换电排队和闭环电池轮转充电排队两级耦合模型，单通道单位时间完成换电作业的次数为，单位时间流入充电侧的亏电电池数量，单充电位单位时间完成一块电池充至可用电量阈值的数量；

8、k4.建立闭环循环系统流量守恒稳态约束，求解不出现未充满电池强制出站的最小充电位稳态下限：

9、

10、式中：

cmin为充电位理论稳态最小数量，为向上取整运算；

11、k5.采用整数迭代遍历方式求解满足无人机时延指标的最小充电位数量，定义为亏电电池入基站后，循环轮转等待至再次登顶且充电达标的平均循环等待时间；耦合前端无人机排队时延为：

12、

13、式中：为排队时延，为电池供需耦合系数，取值0~1，迭代从向上逐整数遍历，计算充电位对应的，取首次满足的最小整数为；

14、k6.综合空间、供电功率、成本、重量、可靠性五维度工程约束，求取充电位硬件配置上限；

15、k7.确定充电位数量可行配置区间为，其中，；

16、k8.在可行配置区间内选取整数充电位数量完成基站硬件定型。

17、进一步地，步骤k1中，电池最低可用电量阈值取值为满电量的，修正系数对应电池0%~为恒流快充有效区间； ~100%为恒压慢充区间耗时冗余。

18、进一步地，垂直循环基站的电池置换逻辑为：无人机亏电电池直接取下填入基站顶端空载充电位，各充电位始终循环转动，即每次取下亏电电池后将充电位上充电时长最久、电量最高的电池旋转至基站顶端完成换电出站。

19、进一步地，稳态下限的物理约束逻辑为：若，电池在基站内循环充电的有效时长小于工程所需最小充电时长，电池未达标即被旋转至顶端出站，造成换电电池电量不足、集群作业中断；若，基站内并行电池数量充足，可保证每块电池轮转停留时长满足充电达标要求，系统具备持续换电基础条件。

20、进一步地，迭代求解规则为：迭代起始点设置为稳态下限，由小到大逐一枚举整数充电位，首个满足的充电位数量即为最小达标充电位，不采用逆向递减检索。

21、进一步地，步骤k6中，五维工程约束上限计算公式为：

22、

23、式中，为基站内部允许布置充电位的总有效安装空间，为单个充电位所需占用的安装空间；

c1为机械安装空间约束下最大可布置充电位数量；为基站整机供电额定总功率，为充电系统综合功率效率；为单充电位充电工作功率，

c2为供电功率约束下最大充电位数量；为基站项目总预算，为除去充电位之外其余部件的成本，为单套充电位含充电单元的成本，

c3为成本预算约束下最大充电位数量；为基站允许最大承载重量，为机架除去电池及充电位模块之外其余结构自重，为单个槽位连同电池的单元重量，

c4为整机重量承载约束下最大充电位数量；

c5为基于散热条件、故障率设定的可靠性经验阈值；代表向下取整运算。

24、进一步地，配置区间可行性校验逻辑为：当，区间有效，可直接选型配置；当，判定业务时延需求与硬件物理极限冲突，输出告警信号，代表现有硬件极限无法满足饱和集群换电指标。

25、进一步地，输出告警信号后仅允许两种合规优化路径为：1）放宽无人机最大排队等待阈值，降低业务压力，减少所需最小充电位数量；2）提升基站机械空间、供电功率、结构强度硬件边界，提升最大可配置充电位上限；禁止通过降低socth电量阈值强行适配充电位，避免无人机欠电复飞风险。

26、进一步地，引入环境温度修正系数、电池老化系数实现全生命周期动态校核：；低温环境充电时间慢、电池老化越严重充电时间越慢；修正后重新迭代计算、以及充电位可行区间，适配高低温、电池衰减全工况。

27、一种计算机可读存储介质，存储介质存储程序，程序执行时实现以上任意一项方法的全部步骤。

28、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

29、1.本发明基于立体垂直循环基站充电位轮转、置换式电池进出基站的工作机理，构建m/m/1单换电通道排队和闭环电池轮转充电排队两级耦合模型，摒弃传统平面基站等待空闲充电槽的m/m/c模型，以电池轮转等待充电达标作为排队事件，模型物理机理与立体循环基站硬件运行过程高度匹配，提升充电位数量计算的准确度，避免模型错配带来设计和配置错误。

30、2.本发明设置双层约束下限，通过流量守恒得到稳态最小充电位，从机理上避免电池充电未达标就强制出站的失效风险；再通过正向整数迭代遍历求解满足无人机最大排队时延的最小充电位，二者取最大值作为配置下限，既保证系统可以持续输出合格电量的电池，又能够把无人机换电等待时间控制在业务允许范围内，实现饱和连续换电工况下不间断作业。

31、3.本发明引入电池充电时长修正系数，剔除soc90%-100%恒压段低效充电耗时，以充至可用阈值的有效充电时长参与计算，更加贴合锂电池实际充电特性，消除直接采用满充时长带来的过度保守设计，减少充电位不必要冗余。

32、4.本发明采用空间、供电功率、项目成本、整机承载重量、散热可靠性五维工程约束求解槽位硬件上限，将理论最优解约束在工程可实现区间内；同时增加可行性校验逻辑，当理论下限超过硬件上限时输出冲突告警，提示设计人员识别项目瓶颈，避免出现纸上可行、无法加工落地的设计结果，显著提升方案工程实用性。

33、5.本发明冲突告警后明确限定合规优化路径，禁止通过降低电池可用soc阈值来迁就充电位不足，规避无人机欠电起飞的安全隐患，保障无人机作业安全。

34、6.本发明设置环境温度修正系数与电池老化修正系数，对有效充电时长做动态补偿，重新计算配置区间，不再仅依靠常温新电池参数设计，能够适配低温野外环境以及电池老化衰减后的全生命周期工况，延长基站可靠服役周期。

35、7.本发明整套方法形成从参数采集、模型计算、边界约束、可行性校验、工况补偿的完整设计流程，可以通过控制器程序自动运算输出充电位可行区间，摆脱人工经验估选，可直接用于基站前期方案设计、样机定型，也可用于基站后期运维校核。