基于光光互补电源能效管理的多轴直升LEUAV航时优化问题研究

In this project, the goal is the long endurance of multi-axis unmanned helicopter. With regards to energy recharge of unmanned aerial vehicle (UAV), we present the energy remote recharge project, that is, the sun-laser complementary project. The key techniques are as follows. Firstly, the characteristic of photovoltaic is researched, the tracking model of maximum power point under laser irradiation is created, the relation model between intensity of laser irradiation and photovoltaic cell is also created, and the corresponding control strategies are analyzed. Secondly, based on two DOF turntable with low-speed and high-torque, the parameter identification of motor, the rotor position analysis and positioning technology are studied. Meanwhile, we research the coordination control strategy of multi-motor and design the energy supplement system of sun-laser. Thirdly, under the constraint of optimal power matching, the volume of capacitance and inductance, Z-network topology multi-project optimization analysis and evolution are developed. Based on small-signal model theory, the solving method of dynamic Z-network topology analysis is realized. The control design of battery charge/discharge system is fulfilled. Fourthly, the mathematical modeling of energy efficiency ratio of UAV power system provide the theoretical basis, which is used to forecast the hang time of UAV and to solve the energy efficiency problem effectively. The project intends to combine the theoretical analysis, numerical simulation and experimental technology. In experiment scheme, we use the sub-block of system structure, parallel design and multi-step implementation methods. The feasibility of research foundation and working condition are discussed as well.

课题以长航时多轴直升无人飞行器长时间滞空为目标，针对UAV能源补给问题，提出阳光-激光互补的能量远程补给理论，并就几个关键问题展开研究：开展激光光伏特性研究，建立激光照射下的最大功率点跟踪模型、激光照射强度-光伏电池输出功率关系模型，及其相关控制策略研究；开展基于电机参数辨识、转子位置细分及定位推算技术的低速大扭矩二自由度转台和多电机协同控制策略研究，设计光光互补地基补能系统；开展最佳功率匹配、以及电容、电感体积为约束的Z源网络拓扑多目标优化分析和推演，基于小信号模型理论，给出可实现动态Z源网络拓扑分析的求解方法，完成电池充放电控制设计；研究UAV电源系统能效比的数学建模，为预测UAV滞空时间及有效解决其能效问题提供理论分析基础。项目拟采用理论分析、数值仿真、及实验相结合的技术路线，采用按照系统结构分块、并行设计、分步骤实施的实验方案展开。并从研究基础、工作条件等方面论述其可行性。

项目针对长航时无人飞行器能源补给问题，提出阳光-激光互补的能量远程补给方案，主要研究内容有：激光光伏与阳光光伏特性差异研究以及光照不均引起的热斑效应的克服；地基激光对飞行器的实时跟踪补能，建立高效的充放电管理和电源管理系统优化模型；多轴直升LEUAV电源系统综合能效管理数学建模研究等。取得的重要成果有：（1）针对常见光伏单元的带隙特征，研究不同光谱激光与不同材料光伏单元对应匹配的光电转换效率问题，获得了不同波长激光、以及与之相对应的不同材料光伏单元的光电转换效率分布特征；（2）同时研究建立了激光照射下的最大功率点跟踪模型、激光照射强度-光伏电池输出功率关系模型，及其相关控制策略；（3）选用二阶RC 等效电路作为蓄电池的模型，利用最小二乘法辨识模型参数并根据开路电压与荷电状态（SOC）的关系估计出蓄电池的SOC，最终评估蓄电池的健康状态，建立动态充放电策略；（4）为了将激光光伏直流动态地转换成永磁同步电机使用的交流，同时性能优异的变换电路可以实现最大功率输出与最低损耗，因此提出了一系列Z源逆变器的设计、实现，以及进行了低次谐波选择性消除算法仿真和实验，新型逆变器具有所需开关器件少，重量轻，电流连续，可实现升降压功能，克服了启动冲击电流大的问题，可抑制母线电压跌落等优点；（5）提出了一种基于双速对转差速原理的低速增稳动力转换方案，并实现了低速增稳跟瞄转台及相关调速实验，针对转台控制中的多元协同机制问题，进行了多电机协同控制研究，该方案在低速跟瞄时有较好表现；（6）完成了激光光伏系统软硬件测试平台搭建，完成了Z源逆变器软硬件测试系统搭建，完成了基于GPS和超声波传感器的自动定位定高系统软硬件平台构建，并针对GPS定位过程中出现的数据漂移的问题，提出了相应的数据处理算法；（7）进行了高压直流供电系统和激光光伏实验，并验证调压稳压系统设计，进而验证光缆激光供电系统设计的有效性。在上述各个平台下进行了大量的实验，验证了本项目提出的光光互补远程能效管理方案原理的正确性和性能的有效性。研究成果具有重要的科学意义与工程应用前景。