太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法及系统与流程

本发明涉及太阳能无人机技术领域，特别涉及一种太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法及系统。

背景技术：

太阳能无人机具有重量轻、航时长等特点，对各系统重量要求高。目前太阳能无人机设计采用传统无人机设计思路，如图1和图3所示，动力系统、飞控计算机、能源系统、载荷系统独立设计，再开展联调联试，装机试飞。而这种传统设计思路存在不利于无人机轻量化，且系统复杂度高，可靠性差的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法及系统，以解决传统设计思路中，太阳能无人机能源系统、动力系统、载荷系统、飞控独立设计造成系统复杂可靠性较低、重量大、电机保护冗余的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法，该太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法包括：

将太阳能无人机的储能电池采集器、电机控制器、电源控制器、载荷控制器以及飞控器进行集成一体化双余度设计，形成一个集成一体化控制器；其中，所述集成一体化控制器的供电由所述太阳能无人机的能源系统配电器提供；

利用所述集成一体化控制器通过预设的通信接口分别采集太阳能无人机的储能电池信息、产生电机控制指令控制电机、产生电源控制指令控制太阳能电池阵、产生飞行控制指令控制无人机飞行，以及产生载荷控制指令控制载荷。

进一步地，所述太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法还包括：

将保障电机安全的转速保护与飞行控制输出的电机转速指令结合起来，减少保护冗余，实现电机安全保护，并提高电机效能。

进一步地，所述太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法还包括：

将动力系统的需求考虑到能源系统设计中，从能量平衡角度开展能源系统设计，以达到最优功率跟踪。

进一步地，所述太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法还包括：

通过优化飞控调节飞机航向、爬升角/下滑角，提高光照入射角，以增加发电功率；通过控制白天及夜间无人机飞行高度，达到24小时能量平衡。

进一步地，所述太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法还包括：

将能源系统的放电与载荷需求结合，以提高机载设备的效能。

另一方面，本发明还提供了一种太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化系统，该太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化系统包括：太阳能电池阵、配电器、集成一体化控制器、储能电池、电机和能源系统；其中，

所述集成一体化控制器为通过将太阳能无人机的储能电池采集器、电机控制器、电源控制器、载荷控制器以及飞控器进行集成一体化双余度设计而得到，所述配电器与所述太阳能电池阵电连接，所述太阳能电池阵、配电器、储能电池、电机和能源系统分别与所述集成一体化控制器电连接；

所述集成一体化控制器的供电由所述配电器提供；

所述集成一体化控制器通过预设的通信接口分别采集储能电池信息、产生电机控制指令控制电机、产生电源控制指令控制太阳能电池阵、产生飞行控制指令控制无人机飞行，以及产生载荷控制指令控制载荷。

进一步地，所述集成一体化控制器将保障电机安全的转速保护与飞行控制输出的电机转速指令结合起来，减少保护冗余，实现电机安全保护，并提高电机效能。

进一步地，所述集成一体化控制器将动力系统的需求考虑到能源系统设计中，从能量平衡角度开展能源系统设计，以达到最优功率跟踪。

进一步地，所述集成一体化控制器通过优化飞控调节飞机航向、爬升角/下滑角，提高光照入射角，以增加发电功率；通过控制白天及夜间无人机飞行高度，达到24小时能量平衡。

进一步地，所述集成一体化控制器将能源系统的放电与载荷需求结合，以提高机载设备的效能。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明针对传统无人机设计思路所存在的问题，提出了一种能源动力飞控载荷一体化设计方法，采用一组dc模块供电即可，能够减轻供电dc模块系统重量；同时一体化控制器能够减轻控制器重量，降低系统复杂度，提高可靠性，此外一体化设计能够减少电机保护冗余，提高电机效能，能够将动力系统对功率的需求融入到能源系统设计中，将飞行控制与能源系统最优工作结合起来，将载荷对能源的需求融入到载荷设计中。本发明能够切实提高太阳能无人机系统最优方案，减轻飞机重量，提高飞行安全性，具有很强的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统太阳能无人机能源动力飞控载荷硬件设计示意图；

图2为本发明实施例提供的无人机能源动力飞控载荷一体化设计示意图；

图3为传统太阳能无人机管理与控制方法控制原理图；

图4为本发明实施例提供的太阳能无人机管理与控制方法控制原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

传统太阳能无人机能源动力飞控载荷设计如图1所示，传统设计方法中，能源系统、动力系统、飞控系统、载荷系统独立设计，储能电池内部有独立的dc模块产生28v电源供储能电池采集器使用，电机内部有dc模块和电机控制器，dc模块产生28v电源供电机控制器使用，电池采集器、电机控制器、电源控制器、载荷控制器和飞控机独立设计，分别承担相应的控制功能。而传统太阳能无人机管理与控制方法则如图3所示，管理及控制指令为各分系统串联式与飞控计算机通讯，飞控计算机将指令分别发送至各分系统控制器，在发送到分系统执行机构上。这种设计不利于无人机轻量化且系统复杂度高，可靠性差。

为克服传统设计方法的缺陷，针对太阳能无人机对重量的严苛要求以及能源、动力、载荷、飞控等分系统功率需求匹配问题，本实施例提供了一种太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法，包括电气系统设计和软硬件设计。

硬件上，如图2所示，本实施例的一体化设计方法将太阳能无人机的储能电池采集器、电机控制器、电源控制器、载荷控制器以及飞控器进行集成一体化设计，采用双余度，形成一个集成一体化控制器；其中，该集成一体化控制器的供电由太阳能无人机的配电器输出的28v电源提供，也即由一组dc模块供电即可；利用该集成一体化控制器产生控制指令，分别采集太阳能无人机的储能电池信息、产生电机控制指令控制电机、产生电源控制指令控制太阳能电池阵、产生飞行控制指令控制无人机飞行，以及产生载荷控制指令控制载荷。相比传统的各子系统单独设计控制器和供电dc模块，本设计方法采用双余度硬件控制器，可以减少设备数量降低各个系统设计复杂性提高可靠性，且该集成一体化控制器的供电由能源系统配电器提供，可省去传统太阳能无人机上因各系统独立设计而需要单独供电dc模块，减轻控制器和供电模块重量。

管理策略与控制算法上，如图4所示，本实施例由集成一体化控制器综合考虑各分系统的管理与控制策略，综合飞控、能源、动力和载荷的管理与控制方法运行与一体化控制器中，在进行基于任务优先级的管理与控制算法后分别将生成的最终控制指令发送给飞行控制、电机、载荷、储能电池、配电器和太阳能电池阵等。并且，本实施例将保证电机安全的转速保护与飞控机转速指令输出结合起来(动力与飞控)，减少保护冗余，提高电机效能；将动力系统的需求考虑到能源系统设计中，从能量平衡角度开展电源控制器设计(动力与能源)；将飞控与能源系统一体化设计，依靠飞控调节飞机航向角、爬升角/下滑角，提高光照入射角，增加发电功率(飞控与能源)，达到24小时能量平衡；载荷与能源一体化设计，将能源系统的放电与载荷需求结合，提高雷达、红外相机、通讯中继等机载设备效能(载荷与能源)；采用本设计方法，将能源动力飞控载荷一体化设计，直接由串口、总线等接口将控制指令发送给分系统，系统由传统的分布串联式提高为星型放射连接，从而能够提高系统可靠性，降低重量。

综上，通过本实施例的太阳能无人机能源动力飞控载荷一体化设计方法所设计出的无人机能源动力飞控载荷一体化系统，包括：太阳能电池阵、配电器、集成一体化控制器、储能电池、电机和能源系统；其中，配电器与太阳能电池阵电连接，太阳能电池阵、配电器、储能电池、电机和能源系统分别与集成一体化控制器电连接；集成一体化控制器的供电由配电器提供；通过集成一体化控制器分别采集储能电池信息、产生电机控制指令控制电机、产生电源控制指令控制太阳能电池阵、产生飞行控制指令控制无人机飞行，以及产生载荷控制指令控制载荷。从而能够减轻控制器重量，降低系统复杂度，提高可靠性。

并且，本实施例将电机设计中为保证电机不长时间过流超转的软件保护、硬件保护与飞行控制输出的电机转速指令限幅综合设计，减少保护层级，提高电机效能。将动力系统的需求考虑到能源系统设计中，从能量平衡角度开展能源系统设计，达到最优功率跟踪。通过调节飞控控制飞机航向角、爬升角/下滑角，提高光照入射角，增加发电功率，通过控制白天及夜间飞机飞行高度，达到24小时能量平衡。将能源系统的放电与载荷需求结合，提高雷达、红外相机、通讯中继等效能，满足载荷工作供电需要。从而能够切实提高太阳能无人机系统最优方案，减轻飞机重量，提高飞行安全性，具有很强的工程应用价值。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。