固定翼无人机动态滑翔能量闭环机理与自主闭环问题研究

Longer endurance and lower onboard energy consumption are continued pursuits of research on unmanned aerial vehicle (UAV). Albatrosses use a flight technique called dynamic soaring (DS) to gain energy from wind gradients near the ocean surface to travel for a very long journey and period, almost without flapping their wings. Fixed-wing UAVs therefore have great potential to use DS to achieve long-endurance and broad-coverage flight, and it becomes a promising research hotspot. The research subject of this project is the mechanisms and autonomous control of DS with a fixed-wing UAV. The essential mechanisms for energy-neutral loop will be analyzed and proved in order to remove the disputes between two different opinions on DS energy sources. Using trajectory planning as research basis and means, the evaluation criteria of energy-neutral loop in regard to wind conditions and UAV key design parameters will be proposed. Environmental wind field estimation and trajectory tracking control treated as key problems will be solved respectively. The DS closed control loop of simultaneous “wind sensing, trajectory planning and trajectory tracking” will be realized by flight simulations and flight experiments in succession. The outcomes of this project will give improvements on DS theoretical basis, provide references for conceptual design of DS UAVs and lay significant foundation of extending UAV endurance by DS in applications.

提升航时性能和降低机载能量消耗是无人机技术研究持续追逐的目标。而信天翁凭借动态滑翔的飞行技巧从海面附近的风梯度中获取能量，可在几乎不拍翅膀的情况下进行长时间、远距离飞行，这种技巧应用在固定翼无人机上潜力巨大，可明显拓展其执行任务的持续时间和覆盖范围，也是目前的研究热点。本项目以固定翼无人机动态滑翔机理和自主控制为研究对象，分析和证明动态滑翔能量闭环的本质机理，解除当前该领域对于能量来源的争议；以动态滑翔航迹规划为研究基础和手段，提出基于风场条件和无人机关键设计参数的动态滑翔能量闭环特性评价准则，分别突破环境风场感知、航迹跟踪控制两项关键技术，从飞行仿真到飞行试验逐步实现“风场感知-航迹规划-航迹跟踪”相协同的自主动态滑翔控制闭环。项目的研究成果将进一步完善动态滑翔理论基础，为面向动态滑翔的无人机总体设计提供参考，为无人机利用动态滑翔拓展续航性能奠定重要的应用基础。

从无人机的历史发展、应用背景以及研究热点来看，提升无人机的长航时性能，拓展其执行任务的持续时间和覆盖范围是无人机领域的主要发展趋势。从无人机总体设计角度来看，决定航时的机载能量数量受到无人机载重和空间的严重制约。因而需要从能量角度出发，探索扩展无人机航时性能的创新途径。提升发动机效率、提升电池能量密度等单纯从无人机本体层面进行技术革新的手段很难持续提升续航能力，因为机载能量始终是有限的，只有利用外部能量或者利用外部能量对无人机机载能源进行补充才可以打破当前提升无人机续航能力的困局与瓶颈。而信天翁凭借动态滑翔的飞行技巧从海面附近的风梯度中获取能量，可在几乎不拍翅膀的情况下进行长时间、远距离飞行，这种技巧应用在固定翼无人机上潜力巨大。本项目利用无人机风场条件下的动力学模型，结合整个动态滑翔过程中的动力学特性分析与能量流动分析，揭示了动态滑翔获取能量的本质机理，评估了动态滑翔能量闭环性能，为深入研究动态滑翔打下了理论基础。以自主动态滑翔飞行试验为研究目标，在运用现有较为成熟的航迹优化方法基础上，利用扩展卡尔曼滤波算法解决了动态滑翔风场感知的难点问题，利用基于线性二次调节器和基于线性变参数模型的控制算法解决了航迹跟踪控制的难点问题，逐步了实现自主闭环动态滑翔数字仿真、半实物仿真、外场飞行试验，分析验证了自主动态滑翔的可行性，为自主动态滑翔的实际应用打下了坚实基础。