本发明提出一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，利用机翼表面的传热模型对光伏电池表面温度进行预测，得到光伏电池表面的温度变化；通过构建多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型，研究各参与能量流动系统的实时状态和输入输出情况；利用遗传算法，以推力、攻角和滚转角为自变量对飞行器的飞行轨迹进行调控和优化，提高太阳能飞行器的能量分配情况和飞行性能。本发明具有较强的适用性，适用于任意参数的太阳能飞行器以及三维空间内不同飞行状态下的能量分布计算和优化。
1.一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定太阳能飞行器及其参与能量流动的系统的关键参数，构建多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型；
所述模型包括太阳辐照度模型、传热模型、光伏电池模型、蓄电池模型、螺旋桨模型、飞行器运动学模型和飞行器动力学模型，各模型的数学表达式如下：太阳辐照度模型：
其中，Stotal表示总太阳辐照度；Sbeam代表直射辐照度；Sdiffuse代表散射辐照度；Spv表示光伏电池实际可以接收的太阳辐照度；太阳入射光单位向量为ns；光伏电池表面法线单位T b向量为np；nb＝[0,0,1] ；Te 表示从地面坐标系到体轴系的转换矩阵，根据其与飞行器姿态角的关系有：其中，Ψ表示偏航角、θ表示俯仰角，Φ表示滚转角；
其中，q″rad,sun表示太阳对光伏电池的热辐射通量；q″rad,wing表示机翼表面与外界环境热辐射通量的差值；q″conv表示机翼上表面与环境大气之间的热对流通量；q″elec表示光伏电池在这一过程中产生的电能通量；ρpv表示光伏电池的面密度；(cp)pv表示光伏电池的比热容；T表示机翼表面温度；t表示时间；
其中，Vpv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和输出电流；Isc,Voc,Im,Vm分别为任一条件下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压；标准条件下，光伏电池电路短路时的短路电流为Iscref、电路开路时的开路电压为Vocref、电池输出功率达到最大值时对应的最大功率点电流为Imref，此时的最大功率点电压为Vmref；Spv为单位时间单位面积光伏电池接收到的太阳辐照度，根据经纬度、时间和高度参数算出；Sref表示参考太阳辐照度；ΔT为电池实际温度与电池参考温度的差值，ΔT＝T‑Tref；Tref表示电池参考温度；ΔS＝S‑Sref，为电池所接收到的实际太阳辐照度与参考太阳辐照度的差值；e为自然对数底数；a,b,c为补偿系数；
其中，理想电压源电压Vocbat表示蓄电池的电动势；r0和r1表示蓄电池内阻；C1为与电阻并联的电容；Ibat表示流过蓄电池的总电流；Vbat表示蓄电池两端负载的电压；Cbata表示蓄电池完全充电状态的电量；Cbat0表示初始时刻蓄电池的电量；SOC表示蓄电池的荷电状态，SOC0表示初始时刻的荷电状态；∫Ibatdt为通过蓄电池的电流从初始状态到所处状态的对时间的积分；
其中，ρ表示大气密度；CLp表示螺旋桨升力系数；Tp表示螺旋桨推力；ηp表示螺旋桨效率；
当地速度与旋转平面之间的夹角为Φp；γp为升阻角；Sp为螺旋桨面积；V表示飞行器飞行速度；
其中，V表示飞行速度；T表示推力；D表示飞行阻力；L表示飞行器升力；W为飞行器重量；
α表示攻角，为速度方向与飞行器轴线的夹角；γ表示爬升角；为滚转角；Ψ为偏航角；俯仰角θ＝α+γ；g表示重力加速度；
其中，x,y,h分别表示在地面坐标系下，飞行器相对于初始时刻位置的位移量；
步骤2：设计初始太阳能飞行器的空间运动轨迹，以飞行器推力、攻角和滚转角为关键飞行参数，得到在大展弦比低雷诺数特性下，包含飞行速度、加速度、偏航角参数的运动特性和包含升力与阻力参数的受力特性，由推力与速度的乘积，得到飞行器飞行过程中维持飞行姿态所需功率；
步骤3：进行基于GUI可视化的太阳能飞行器的能量分布评估：以步骤1中参与能量流动的系统的关键参数以及飞行器的推力、攻角和滚转角为输入，根据飞行器内部功耗能关系，输出给定工况下太阳能飞行器各参与能量流动系统的电流电压参数、荷电状态参数、功率参数和效率参数曲线，根据输出参数曲线，对光伏电池和蓄电池的参能储能情况进行分析，评估能量分配情况；
对不同工况下飞行器的推力、攻角和滚转角大小范围进行约束，以模拟结束时蓄电池荷电状态大于或等于模拟初始时的荷电状态，以及光伏电池可输出能量最大为优化目标，产生以推力、攻角和滚转角为自变量的初始飞行工况，利用遗传算法筛选出蓄电池荷电状态和电池输入输出最优的一组飞行工况。
2.根据权利要求1所述一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，其特征在于：步骤1中，太阳能飞行器参与能量流动的系统包括太阳辐射系统、光伏电池系统、蓄电池系统和包含电机和螺旋桨的推力系统。
3.根据权利要求1所述一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，其特征在于：所述关键参数包括太阳能飞行器的总体参数、太阳辐射参数、光伏电池参数、蓄电池关键参数和螺旋桨关键参数；其中：太阳能飞行器的总体参数包括太阳能飞行器的展弦比、参考机翼面积和起飞重量参数信息；
光伏电池参数包括光伏电池在标准状态下的开路电压、短路电流、最大功率点电压和最大功率点电流、光伏电池铺设率的参数信息；
蓄电池关键参数包括电池容量、荷电状态与开路电压大小的对应关系以及内阻参数信息；
螺旋桨关键参数包括升力系数、阻力系数、安装角和桨盘直径参数信息。
4.根据权利要求1所述一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，其特征在于：步骤3中，飞行过程中的能量管理策略为：光伏电池产生电能为全机提供能量，蓄电池在光伏电池产能充足时用于储存电能，当光伏电池产能不足时用于放电为飞行器提供能量，且对于蓄电池，时刻评估其荷电状态，使其始终在(0.1,1)区间内，保证电池不过充和过放；整个过程中推力系统和机载设备都是耗能系统。
5.根据权利要求1所述一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，其特征在于：步骤3中，GUI可视化的输入子界面分别为：飞机飞行信息界面、位置时间信息界面、光伏电池参数界面、蓄电池参数界面和推力系统参数界面：飞机飞行信息界面输入飞行器的基本型号参数和飞行工况参数；位置时间信息界面引导用户输入飞行器模拟初始状态所处经纬度、高度初始状态的信息；光伏电池和蓄电池参数界面分别输入电池相关参数，包括电池电流电压和电阻参数；推力系统界面输入电机和螺旋桨的相关参数，包括电机效率参数和螺旋桨的升阻力系数、安装角、螺旋桨直径和螺旋桨个数；
GUI可视化的输出子界面输出曲线分别为：太阳辐射强度随时间变化曲线，机翼表面温度随时间曲线，光伏电池功率、蓄电池功率、机载设备功率和飞行需用功率随时间变化曲线，光伏电池和蓄电池的电流电压随时间变化曲线，光伏电池效率、蓄电池效率和螺旋桨效率随时间变化曲线，蓄电池荷电状态随时间变化曲线，飞行器攻角、爬升角、俯仰角、偏航角和滚转角随时间变化曲线，飞行器推力、速度和高度大小随时间变化曲线，飞行器所处横纵坐标与随时间变化曲线和飞行器在三维空间中的飞行路径。
一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法
技术领域
[0001] 本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法。
背景技术
[0002] 太阳能飞行器具有清洁无污染等优势，突破了化石燃料飞行器的航程及航高极限，具有极强的应用价值。太阳能飞行器通过光伏组件将太阳辐射能量转化电能，部分电能供给电推进系统产生推力维持滞空飞行及电子设备正常运行，剩余电能存储于二次电池供夜间巡航使用。光伏组件光电转化效率受控于太阳能，电子设备需合理的能量供应，且为保证飞行器的飞行姿态巡航过程能量分配需时时变化。因此，全机能量分配将直接影响综合效能。
[0003] 参与太阳能飞行器能量流动的系统众多，大气环境、光伏电池系统、蓄电池系统、动力系统以及飞行器本身的运动之间互相影响。因此，需要构建考虑实际不同工况下太阳能飞行器能量部件模型。
[0004] 在所有参与能量流动的系统当中，光伏电池受到环境的影响最为剧烈。首先，光伏电池只能利用太阳辐射垂直于电池表面的分量，传统计算太阳入射线向量的表示方法局限于地面坐标系中，对飞行器姿态的考虑不够充分；其次，光伏电池的输出与其表面实际温度有关，由于光伏电池在产生电能时会将大部分太阳能转化为热能，光伏电池表面温度并不完全与环境温度相等，因此，有必要对光伏电池在不同情况下的输入输出进行建模研究。
[0005] 目前光伏电池的转化率较低，不同环境条件下的能量供应不稳定，并且由于自身容量的限制，蓄电池的储能有限，为了保证飞行器飞行过程中供能充足，实现太阳能飞行器的长航时飞行，如何进行能量管理和分配是设计飞行器时需要考虑的重要问题之一，对全机能量分布进行预测、对已有飞行工况进行优化是研究太阳能飞行器过程当中的必由之路。
[0006] 为了准确模拟太阳能无人机的能量分布，开展相关研究，朱炳杰等研究了光伏电池与太阳能无人飞行器姿态角的关系，通过参考飞艇中太阳入射射线向量与飞艇体坐标系之间的关系，可以得到太阳辐射的精确解，但是该研究中假设光伏组件的效率不变，研究能量系统的输出和输入时不能准确反映出光伏组件效率随环境条件的变化关系。刘莉等基于重量能量平衡、功率匹配和能量管理策略详细介绍了太阳能/氢能飞行器的能量流动，但该研究中只模拟了匀速飞行时的能量分配情况，不能直接应用于实际飞行。
[0007] 调整飞行姿态是优化能量分配的方法之一。王翔羽提出了一种太阳能无人飞行器多目标协同路径规划算法，该算法利用改进的蚁群算法来寻找最优路径并优化能量分配，然而此项研究中假设光伏电池始终以最大功率输出，无法模拟和优化任意飞行轨迹。Ni等采用神经网络来控制推力、攻角和滚转角的变化，以实现能量最大化，但此研究中假设光伏组件效率为定值。
发明内容
[0008] 为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，可以对太阳能飞行器的能量分布情况进行预测。该方法中，利用机翼表面的传热模型对光伏电池表面温度进行预测，得到光伏电池表面的温度变化；通过构建多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型，研究各参与能量流动系统的实时状态和输入输出情况；利用遗传算法，以推力、攻角和滚转角为自变量对飞行器的飞行轨迹进行调控和优化，提高太阳能飞行器的能量分配情况和飞行性能。
[0009] 本发明的技术方案为：
[0010] 所述一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1：确定太阳能飞行器及其参与能量流动的系统的关键参数，构建多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型；
[0012] 步骤2：设计初始太阳能飞行器的空间运动轨迹，以飞行器推力、攻角和滚转角为关键飞行参数，得到在大展弦比低雷诺数特性下，包含飞行速度、加速度、偏航角参数的运动特性和包含升力与阻力参数的受力特性，由推力与速度的乘积，得到飞行器飞行过程中维持飞行姿态所需功率；
[0013] 步骤3：进行基于GUI可视化的太阳能飞行器的能量分布评估：以步骤1中参与能量流动的系统的关键参数以及飞行器的推力、攻角和滚转角为输入，根据飞行器内部功耗能关系，输出给定工况下太阳能飞行器各参与能量流动系统的电流电压参数、荷电状态参数、功率参数和效率参数曲线，根据输出参数曲线，对光伏电池和蓄电池的参能储能情况进行分析，评估能量分配情况；
[0014] 步骤4：进行飞行工况和能量分布优化：
[0015] 对不同工况下飞行器的推力、攻角和滚转角大小范围进行约束，以模拟结束时蓄电池荷电状态大于或等于模拟初始时的荷电状态，以及光伏电池可输出能量最大为优化目标，产生以推力、攻角和滚转角为自变量的初始飞行工况，利用遗传算法筛选出蓄电池荷电状态和电池输入输出最优的一组飞行工况。
[0016] 进一步的，步骤1中，太阳能飞行器参与能量流动的系统包括太阳辐射系统、光伏电池系统、蓄电池系统和包含电机和螺旋桨的推力系统。
[0017] 进一步的，所述关键参数包括太阳能飞行器的总体参数、太阳辐射参数、光伏电池参数、蓄电池关键参数和螺旋桨关键参数；其中：
[0018] 太阳能飞行器的总体参数包括太阳能飞行器的展弦比、参考机翼面积和起飞重量参数信息；
[0019] 太阳辐射参数包括飞行高度、飞行经纬度和飞行时间；
[0020] 光伏电池参数包括光伏电池在标准状态下的开路电压、短路电流、最大功率点电压和最大功率点电流、光伏电池铺设率的参数信息；
[0021] 蓄电池关键参数包括电池容量、荷电状态与开路电压大小的对应关系以及内阻参数信息；
[0022] 螺旋桨关键参数包括升力系数、阻力系数、安装角和桨盘直径参数信息。
[0023] 进一步的，所述模型包括太阳辐照度模型、传热模型、光伏电池模型、蓄电池模型、螺旋桨模型、飞行器运动学模型和飞行器动力学模型，各模型的数学表达式如下：
[0024] 太阳辐照度模型：
[0025]
[0026] 其中，Stotal表示总太阳辐照度；Sbeam代表直射辐照度；Sdiffuse代表散射辐照度；Spv表示光伏电池实际可以接收的太阳辐照度；太阳入射光单位向量为ns；光伏电池表面法线T b单位向量为np；nb＝[0,0,1] ；Te表示从地面坐标系到体轴系的转换矩阵，根据其与飞行器姿态角的关系有：
[0027]
[0028] 其中，Ψ表示偏航角、θ表示俯仰角，Φ表示滚转角；
[0029] 传热模型：
[0030]
[0031] 其中，q″rad,sun表示太阳对光伏电池的热辐射通量；q″rad,wing表示机翼表面与外界环境热辐射通量的差值；q″conv表示机翼上表面与环境大气之间的热对流通量；q″elec表示光伏电池在这一过程中产生的电能通量；ρpv表示光伏电池的面密度；(cp)pv表示光伏电池的比热容；T表示机翼表面温度；t表示时间；
[0032] 光伏电池模型：
[0033]
[0034] 其中，Vpv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和输出电流；Isc,Voc,Im,Vm分别为任一条件下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压；标准条件下，光伏电池电路短路时的短路电流为Iscref、电路开路时的开路电压为Vocref、电池输出功率达到最大值时对应的最大功率点电流为Imref，此时的最大功率点电压为Vmref；Spv为单位时间单位面积光伏电池接收到的太阳辐照度，根据经纬度、时间和高度参数算出；Sref表示参考太阳辐照度；ΔT为电池实际温度与电池参考温度的差值，ΔT＝T‑Tref；Tref表示电池参考温度；ΔS＝S‑Sref，为电池所接收到的实际太阳辐照度与参考太阳辐照度的差值；e为自然对数底数；a,b,c为补偿系数；
[0035] 蓄电池模型：
[0036]
[0037] 其中，理想电压源电压Vocbat表示蓄电池的电动势；r0和r1表示蓄电池内阻；C1为与电阻并联的电容；Ibat表示流过蓄电池的总电流；Vbat表示蓄电池两端负载的电压；Cbata表示蓄电池完全充电状态的电量；Cbat0表示初始时刻蓄电池的电量；SOC表示蓄电池的荷电状态，SOC0表示初始时刻的荷电状态；∫Ibatdt为通过蓄电池的电流从初始状态到所处状态的对时间的积分；
[0038] 螺旋桨模型：
[0039]
[0040] 其中，ρ表示大气密度；CLp表示螺旋桨升力系数；Tp表示螺旋桨推力；ηp表示螺旋桨效率；当地速度与旋转平面之间的夹角为Φp；γp为升阻角；Sp为螺旋桨面积；V表示飞行器飞行速度；
[0041] 飞行器动力学模型：
[0042]
[0043] 其中，V表示飞行速度；T表示推力；D表示飞行阻力；L表示飞行器升力；W为飞行器重量；α表示攻角，为速度方向与飞行器轴线的夹角；γ表示爬升角； 为滚转角；Ψ为偏航角；俯仰角θ＝α+γ；g表示重力加速度；
[0044] 飞行器运动学模型：
[0045]
[0046] 其中，x,y,h分别表示在地面坐标系下，飞行器相对于初始时刻位置的位移量。
[0047] 进一步的，步骤3中，飞行过程中的能量管理策略为：光伏电池产生电能为全机提供能量，蓄电池在光伏电池产能充足时用于储存电能，当光伏电池产能不足时用于放电为飞行器提供能量，且对于蓄电池，时刻评估其荷电状态，使其始终在(0.1,1)区间内，保证电池不过充和过放；整个过程中推力系统和机载设备都是耗能系统。
[0048] 进一步的，步骤3中，GUI可视化的输入子界面分别为：飞机飞行信息界面、位置时间信息界面、光伏电池参数界面、蓄电池参数界面和推力系统参数界面：
[0049] 飞机飞行信息界面输入飞行器的基本型号参数和飞行工况参数；位置时间信息界面引导用户输入飞行器模拟初始状态所处经纬度、高度等初始状态的信息；光伏电池和蓄电池参数界面分别输入电池相关参数，包括电池电流电压和电阻参数；推力系统界面输入电机和螺旋桨的相关参数，包括电机效率参数和螺旋桨的升阻力系数、安装角、螺旋桨直径和螺旋桨个数；
[0050] GUI可视化的输出子界面输出曲线分别为：太阳辐射强度随时间变化曲线，机翼表面温度随时间曲线，光伏电池功率、蓄电池功率、机载设备功率和飞行需用功率随时间变化曲线，光伏电池和蓄电池的电流电压随时间变化曲线，光伏电池效率、蓄电池效率和螺旋桨效率随时间变化曲线，蓄电池荷电状态随时间变化曲线，飞行器攻角、爬升角、俯仰角、偏航角和滚转角随时间变化曲线，飞行器推力、速度和高度大小随时间变化曲线，飞行器所处横纵坐标与随时间变化曲线和飞行器在三维空间中的飞行路径。
[0051] 有益效果
[0052] 本发明提供一种基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的方法，采用考虑实际复杂工况下太阳能飞行器能量部件模型、考虑太阳能飞行器飞行工况时的关键飞行参数模型和能量管理策略，对太阳能飞行器的能量分布进行快速预测和分析；利用遗传算法有效提高太阳能飞行器的飞行性能。本发明具有较强的适用性，适用于任意参数的太阳能飞行器以及三维空间内不同飞行状态下的能量分布计算和优化。
[0053] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0054] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0055] 图1：本发明的基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的设计方法示意图[0056] 图2：本发明的多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型
[0057] 图3：本发明的初始太阳能飞行器的空间运动轨迹
[0058] 图4：本发明的所有系统的能量分布情况
[0059] 图5：本发明的基于GUI可视化能量分布评估系统界面
[0060] 图6：本发明的能量分配与轨迹优化算法流程图
[0061] 图7：本发明的优化后太阳能飞行器空间运动轨迹
[0062] 图8：本发明的优化前后光伏电池输出曲线
[0063] 图9：本发明的优化前后蓄电池荷电状态曲线
具体实施方式
[0064] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0065] 现有技术中缺乏对光伏组件等关键部件的分析，对复杂工况下的太阳能飞机能量分配和优化研究不足。本发明结合光伏电池、蓄电池和螺旋桨的数学物理模型，利用等效电路和传热模型，详细描述了太阳能飞行器的能量分布和功率特性，结合飞行器运动学和动力学方程，可对不同工况下的太阳能飞行器能量分配进行计算评估。为了寻找最优的能量分配，采用遗传算法对飞行路径进行优化。为直观展示评估结果，还构建了界面友好可视化的全机能量快速评估软件。基于GUI可视化快速评估太阳能飞行器能量分布的设计方法示意图如图1所示。
[0066] 第一步，确定太阳能飞行器及其参与能量流动的系统的关键参数，构建多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型。构建的多系统强耦合的太阳能飞行器能量流动模型如图2所示。图2中所示的多系统强耦合模型中，考虑太阳辐照度大小和方向、飞行器姿态角和热效应对光伏电池效率和输出功率的影响，考虑基于一阶RC等效电路模型的蓄电池荷电状态和功率随时间的变化情况，考虑基于叶素理论的螺旋桨模型效率和进程比随时间的变化情况，考虑三维空间内的飞行器运动轨迹与飞行器推力、攻角、速度、姿态角以及升阻力的关系，根据光伏电池输出能量大小、蓄电池的剩余电量、以及飞行器所消耗的能量，基于能量守恒，可得到光伏电池和蓄电池的产能储能变化。
[0067] 太阳能飞行器参与能量流动的系统包括太阳辐射系统、光伏电池系统、蓄电池系统和包含电机和螺旋桨的推力系统。
[0068] 太阳能飞行器的总体参数包括太阳能飞行器的展弦比、参考机翼面积和起飞重量参数信息；
[0069] 太阳辐射参数包括飞行高度、飞行经纬度和飞行时间；
[0070] 光伏电池参数包括光伏电池在标准状态下的开路电压、短路电流、最大功率点电压和最大功率点电流、光伏电池铺设率的参数信息；
[0071] 蓄电池关键参数包括电池容量、荷电状态与开路电压大小的对应关系以及内阻参数信息；
[0072] 螺旋桨关键参数包括升力系数、阻力系数、安装角和桨盘直径参数信息。
[0073] 本实施例中，确定太阳能飞行器的展弦比为22、参考机翼面积为240m2、飞行器的起飞重量为9960N；飞行器初始时刻飞行高度为10km，初始飞行经纬度为东经东经40°、北纬120°，初始时刻飞行时间为3月21日00:00；太阳能飞行器上光伏电池在标准状态下的总开路电压440V、短路电流116.4A、最大功率点电压360V和最大功率点电流103.2A，光伏电池在机翼表面的铺设率为0.88；蓄电池的电池容量500Ah、初始荷电状态0.65、总开路电压209V；
螺旋桨桨叶采用NACA 23012翼型，升力系数与阻力系数均从翼型库中获得，安装角为20°，桨盘直径2m。
[0074] 建模过程中会对太阳能飞行器参与能量流动的系统的输入输出分别进行分析，分别建立起各系统的模型，包括利用坐标变换和传热学规律、结合等效电路模型得到的飞行器姿态角与热效应相耦合的光伏电池模型，输入较准确的系统模型参数，由各参与能量流动的系统之间的耦合关系，基于能量守恒的能量管理策略，利用光伏电池实时产能情况以及蓄电池的剩余电量和总容量，输出光伏电池和蓄电池的产能储能变化，得到太阳能飞行器能源分布情况。
[0075] 具体所涉及到的模型包含太阳辐照度模型、传热模型、光伏电池模型、蓄电池模型、螺旋桨模型、飞行器运动学模型和飞行器动力学模型，各模型的数学表达式如下：
[0076] 太阳辐照度模型：
[0077]
[0078] 其中，Stotal表示总太阳辐照度；Sbeam代表直射辐照度；Sdiffuse代表散射辐照度；Spv表示光伏电池实际可以接收的太阳辐照度；太阳入射光单位向量为ns；光伏电池表面法线T b单位向量为np；nb＝[0,0,1] ；Te表示从地面坐标系到体轴系的转换矩阵，根据其与飞行器姿态角的关系有：
[0079]
[0080] 其中，Ψ表示偏航角、θ表示俯仰角，Φ表示滚转角。
[0081] 传热模型：
[0082]
[0083] 其中，q″rad,sun表示太阳对光伏电池的热辐射通量；q″rad,wing表示机翼表面与外界环境热辐射通量的差值；q″conv表示机翼上表面与环境大气之间的热对流通量；q″elec表示光伏电池在这一过程中产生的电能通量；ρpv表示光伏电池的面密度；(cp)pv表示光伏电池的比热容；T表示机翼表面温度；t表示时间。
[0084] 光伏电池模型：
[0085]
[0086] 其中，Vpv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和输出电流；Isc,Voc,Im,Vm分别为任一条件下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压；标准条件下，光伏电池电路短路时的短路电流为Iscref、电路开路时的开路电压为Vocref、电池输出功率达到最大值时对应的最大功率点电流为Imref，此时的最大功率点电压为Vmref；Spv为单位时间单位面积2
光伏电池接收到的太阳辐照度，根据经纬度、时间和高度参数算出；Sref＝1000W/m ，表示参考太阳辐照度；ΔT为电池实际温度与电池参考温度的差值，ΔT＝T‑Tref。电池参考温度Tref＝298.15K；ΔS＝S‑Sref，为电池所接收到的实际太阳辐照度与参考太阳辐照度的差值；e为
2
自然对数底数，e＝2.71838；a,b,c为补偿系数，a＝0.0025/K,b＝0.0005W/m ,c＝0.00288/K。
[0087] 蓄电池模型：
[0088]
[0089] 其中，理想电压源电压Vocbat表示蓄电池的电动势；r0和r1表示蓄电池内阻；C1为与电阻并联的电容；Ibat表示流过蓄电池的总电流；Vbat表示蓄电池两端负载的电压；Cbata表示蓄电池完全充电状态的电量，即额定容量，单位为Ah；Cbat0表示初始时刻蓄电池的电量；SOC表示蓄电池的荷电状态，SOC0表示初始时刻的荷电状态；∫Ibatdt为通过蓄电池的电流从初始状态到所处状态的对时间的积分。
[0090] 螺旋桨模型：
[0091]
[0092] 其中，ρ表示大气密度；CLp表示螺旋桨升力系数；Tp表示螺旋桨推力；ηp表示螺旋桨效率；当地速度与旋转平面之间的夹角为Φp；γp为升阻角；Sp为螺旋桨面积；V表示飞行器飞行速度。
[0093] 飞行器动力学模型：
[0094]
[0095] 其中，V表示飞行速度；T表示推力；D表示飞行阻力；L表示飞行器升力；W为飞行器重量；α表示攻角，为速度方向与飞行器轴线的夹角；γ表示爬升角；为滚转角；Ψ为偏航角；俯仰角θ＝α+γ；g表示重力加速度。推力、攻角和滚转角为自变量，式中其它参数均由这三个自变量结合初始速度、加速度、攻角、姿态角、爬升角、飞行高度和飞行位置，带入到式(7)中解方程得到。
[0096] 飞行器运动学模型：
[0097]
[0098] 其中，x,y,h分别表示在地面坐标系下，飞行器相对于初始时刻位置的位移量。
[0099] 第二步，设计初始太阳能飞行器的空间运动轨迹。
[0100] 以飞行器推力、攻角和滚转角为关键飞行参数，得到在大展弦比低雷诺数特性下，包含飞行速度、加速度、偏航角参数的运动特性和包含升力与阻力参数的受力特性，由推力与速度的乘积，得到飞行器飞行过程中维持飞行姿态所需功率。初始太阳能飞行器的空间运动轨迹如图3所示。
[0101] 第三步，开展基于GUI可视化的太阳能飞行器的能量分布评估。
[0102] 以第一步中参与能量流动的系统的关键参数以及飞行器的推力、攻角和滚转角大小为输入，根据飞行器内部功耗能关系，输出给定工况下太阳能飞行器各参与能量流动系统的电流电压参数、荷电状态参数、功率参数和效率参数曲线，根据输出参数曲线，对光伏电池和蓄电池的参能储能情况进行分析，以此评估能量分配情况。
[0103] 飞行过程中的能量管理策略为：光伏电池产生电能为全机提供能量，蓄电池在光伏电池产能充足时用于储存电能，当光伏电池产能不足时用于放电为飞行器提供能量，且对于蓄电池，时刻评估其荷电状态，使其始终在(0.1,1)区间内，即保证电池不过充和过放；整个过程中推力系统和机载设备都是耗能系统。利用MATLAB工具和上述能量管理策略，结合各参与能量流动的系统的功率、电流电压和效率参数或所处状态的荷电状态参数，得到所有系统的能量分布情况如图4所示。
[0104] 基于GUI可视化的能量分布评估，在可视化过程中，输入的参数包括：飞行器电池等效电路的关键参数，飞行器展弦比、重量和机翼参考面积参数，以及以推力、攻角和滚转角为自变量的飞行轨迹参数，可以简洁、快速、准确分析全机能量流动情况，对各种复杂工况和不同参数状态下的飞行运动特点、表面温度参数以及各关键能量系统的功率、效率参数和电特性参数在规定时间内的变化情况进行预测。用户通过调节程序中的输入参数，可以对不同飞行工况下飞行器的能量分配进行预测，这增加了软件应用的范围，提高了软件的适应性。软件将所有计算结果以曲线图的形式表现出来，使飞行器状态及其能量分布状态的表达更加直观，方便用户对具体情况的分析。
[0105] 基于GUI可视化的能量分布评估系统输入和输出窗口如图5所示。输入子界面分别为：飞机飞行信息界面、位置时间信息界面、光伏电池参数界面、蓄电池参数界面和推力系统参数界面。
[0106] 飞机飞行信息界面主要输入飞行器的基本型号参数和飞行工况参数，位置时间信息界面引导用户输入飞行器模拟初始状态所处经纬度、高度等初始状态的信息，光伏电池和蓄电池参数界面分别输入电池相关参数，包括电池电流电压和电阻参数，推力系统界面输入电机和螺旋桨的相关参数，包括电机效率参数和螺旋桨的升阻力系数、安装角、螺旋桨直径和螺旋桨个数。输出子界面输出曲线分别为：太阳辐射强度随时间变化曲线，机翼表面温度随时间曲线，光伏电池功率、蓄电池功率、机载设备功率和飞行需用功率随时间变化曲线，光伏电池和蓄电池的电流电压随时间变化曲线，光伏电池效率、蓄电池效率和螺旋桨效率随时间变化曲线，蓄电池荷电状态随时间变化曲线，飞行器攻角、爬升角、俯仰角、偏航角和滚转角随时间变化曲线，飞行器推力、速度和高度大小随时间变化曲线，飞行器所处横纵坐标与随时间变化曲线和飞行器在三维空间中的飞行路径。其中，功率随时间变化曲线可以反应能量在飞行器内的流动情况。
[0107] 第四步，开展飞行工况和能量分布优化。
[0108] 飞行过程分为低空盘旋、爬升飞行、高空飞行、滑翔，对不同工况下飞行器的推力、攻角和滚转角大小范围进行约束，以模拟结束时蓄电池荷电状态大于或等于模拟初始时的荷电状态，以及光伏电池可输出能量最大为优化目标，产生以推力、攻角和滚转角为自变量的初始飞行工况，利用交叉、遗传和变异，筛选出蓄电池荷电状态和电池输入输出最优的一组飞行工况。优化过程需要设置种群数量和最大迭代次数，当迭代等于最大迭代次数或者优化后的工况基本不变时停止计算。
[0109] 优化目标以数学表达式表示为：max f1＝SOCend‑SOC0＞0，max f2＝∫Ppmdt。其中，SOCend表示模拟结束时刻蓄电池的荷电状态，SOC0表示模拟初始时刻蓄电池的荷电状态，Ppm表示蓄电池可以输出的最大功率，t表示模拟的时刻。利用重力势能储能思想，基于两个优化目标，利用遗传算法，提高太阳能飞行器高空长航时性能，输出优化结果。设置种群数量Npo和最大迭代次数Nit。pc表示交叉概率，pm表示实编码向量的突变概率。通过判断种群中个体的显性水平，进行快速非显性排序，并根据拥挤程度筛选出合理的新亲本代。通过交叉和变异操作生成新的种群，并继续迭代，直到满足优化目标。能量分配与轨迹优化算法流程图如图6所示。
[0110] 优化后单位面积上一天内的总太阳能为5.25×108J/m2，相比优化前提高了5×5 2 7 2 5 2
10J/m ，光伏电池可接收的太阳能为2.78×10J/m ，相比优化前提高了1.2×10J/m ；优化
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后，光伏电池可输出的总最大能量为9.92×10J，较优化前增加了5.4×10J；光伏电池实际
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输出总能量为7.53×10J，较优化前增加了4.8×10J；蓄电池放电总能量为3.05×10J，较
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优化前减少了2.8×10J；蓄电池充电总能量为3.17×10J，较优化前增加了1.4×10J；在
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10km左右盘旋时，飞行器所消耗的总能量为3.23×10J，较优化前减小了5.8×10J；经过优化后24:00时的荷电状态为0.667，较优化前增加了0.087，较0:00时刻增加了0.017，此工况下蓄电池可以为飞行器供能直到第二天光伏电池可以单独供电。优化后的飞行轨迹如图7所示，优化前后光伏电池输出以及蓄电池荷电状态的对比分别如图8和图9所示。
[0111] 能量分布优化过程根据遗传算法，将飞行过程分为10km高度处的盘旋飞行、爬升飞行、15km高度处的盘旋飞行、滑翔四个工况，设置蓄电池的荷电状态时刻在(0.1,1)区间内。以当日24:00蓄电池荷电状态大于或等于当日0:00时的荷电状态且模拟结束时刻荷电状态最大，模拟过程中光伏电池可以输出的总最大能量最大为优化目标，产生以推力、攻角和滚转角为自变量的Np个初始飞行工况，利用交叉、遗传和变异，筛选出蓄电池荷电状态和电池输入输出最优的一组飞行工况，种群数量Np设置为20，最大迭代次数Nit为500，当迭代等于最大迭代次数或者优化后的工况基本不变时停止计算。
[0112] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
