大跨時(shí)空任務(wù)背景下的太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究進(jìn)展

吳健發(fā)，王宏倫，黃宇

1. 北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100083 2. 北京航空航天大學(xué) 飛行器控制一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3. 北京航空航天大學(xué) 高等理工學(xué)院，北京 100083 4. 北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

太陽能無人機(jī)(Solar powered Unmanned Aerial Vehicle, SUAV)利用其機(jī)翼表面覆蓋的太陽能光伏器件，將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，一部分供飛機(jī)飛行消耗，另一部分儲(chǔ)備于后備電池中，用于在光伏組件能量生產(chǎn)不足時(shí)為飛機(jī)供能。由于太陽能的可持續(xù)性，太陽能無人機(jī)相比傳統(tǒng)無人機(jī)來說，續(xù)航能力大大提高。同時(shí)由于沒有化石燃料消耗，太陽能無人機(jī)的使用成本更低，也更為環(huán)保。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使太陽能無人機(jī)引起了世界各主要航空大國的高度關(guān)注，最近20年來，以美國為首的西方國家先后推出了多項(xiàng)太陽能無人機(jī)項(xiàng)目，其中比較典型的是美國國家航空航天局(NASA)的“Pathfinder”“Helios”無人機(jī)和空客的“Zephyr”系列無人機(jī)，如圖1所示，這些無人機(jī)的不間斷飛行時(shí)間可達(dá)數(shù)十乃至數(shù)百小時(shí)[1]。近幾年，中國在該領(lǐng)域也取得了長足的進(jìn)步，2017年5月24日，由中國航天科技集團(tuán)公司自主研發(fā)的新型“彩虹”太陽能無人機(jī)完成了臨近空間飛行試驗(yàn)，如圖2所示，使中國正式成為繼美國、英國之后，世界第3個(gè)掌握臨近空間太陽能無人機(jī)技術(shù)的國家[2]。表1和表2分別列舉了最近20年間國外和國內(nèi)在太陽能無人機(jī)工程研發(fā)領(lǐng)域所取得的主要研究成果[3-9]。

優(yōu)秀的續(xù)航性能使太陽能無人機(jī)能夠勝任許多大范圍跨時(shí)間空間飛行任務(wù)(以下簡稱大跨時(shí)空任務(wù))。所謂大跨時(shí)空飛行，是指太陽能無人機(jī)在飛行過程中，其經(jīng)緯度和飛行高度發(fā)生較為明顯的變化，這同時(shí)也將對應(yīng)較長的飛行時(shí)間(例如從北京到廣州的飛行，而從北京到天津之間的短程飛行則不算在其范疇以內(nèi))，或者無人機(jī)所處任務(wù)區(qū)域的經(jīng)緯度變化不大，但飛行時(shí)間跨度較長，使得太陽角度發(fā)生明顯的變化(例如長達(dá)十余小時(shí)乃至橫跨晝夜的固定目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)，而僅持續(xù)數(shù)十分鐘的飛行任務(wù)則不算其列)。這類任務(wù)主要包括遠(yuǎn)距離目標(biāo)跟蹤[10]、高空偵察監(jiān)視[11]、持久通訊中繼[1,5]等，其對太陽能無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間要求較為苛刻，因此要求研究者必須盡可能的提高太陽能無人機(jī)的能量生產(chǎn)狀況或者降低能量消耗。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的太陽能無人機(jī)來說，延長續(xù)航時(shí)間一般有以下2種手段：① 為無人機(jī)翼面更換高性能太陽能電池板。然而，受限于當(dāng)前的材料工業(yè)水平，具有高光電轉(zhuǎn)換效率的光伏元件難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且成本較高，這直接制約了太陽能無人機(jī)的推廣與應(yīng)用[1]。② 對無人機(jī)進(jìn)行合理高效的任務(wù)規(guī)劃，通過優(yōu)化無人機(jī)的飛行軌跡和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提高能量的利用率。這種方式成本相對低廉，且易于實(shí)現(xiàn)，因此逐漸受到許多研究者的關(guān)注。從目前的研究與實(shí)踐來看，在執(zhí)行大跨時(shí)空任務(wù)之前，一般按如下步驟對太陽能無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃[1,12-15]：

圖1 國外典型太陽能無人機(jī)[1]Fig.1 Typical foreign SUAVs [1]

圖2 中國“彩虹”太陽能無人機(jī)[2]Fig.2 Chinese “CaiHong” SUAV [2]

1) 建立太陽能無人機(jī)的能量生產(chǎn)與消耗模型，作為任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)條件。

2) 設(shè)定飛行任務(wù)區(qū)域，根據(jù)所建立的能量模型評估該區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間、地點(diǎn)、飛行高度情況下太陽能無人機(jī)的續(xù)航性能，為后續(xù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的能量管理策略奠定基礎(chǔ)，為任務(wù)規(guī)劃的成功實(shí)施提供重要保障。

表1 國外在太陽能無人機(jī)工程研發(fā)領(lǐng)域所取得的主要研究成果Table 1 Main research results in the field of foreign SUAV engineering development

表2 國內(nèi)在太陽能無人機(jī)工程研發(fā)領(lǐng)域所取得的主要研究成果Table 2 Main research results in the field of domestic SUAV engineering development

3) 根據(jù)續(xù)航性能評估結(jié)果，設(shè)計(jì)太陽能無人機(jī)的能量管理策略，包括合理地優(yōu)化跨區(qū)域飛行軌跡[5]、利用多種能量(太陽能、重力勢能、風(fēng)能等)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，在已規(guī)劃的飛行軌跡上根據(jù)當(dāng)前飛行及能量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整其高度、速度、姿態(tài)等飛行參數(shù)等[13-15]，這是任務(wù)規(guī)劃的核心步驟。

因此，總結(jié)來說，太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃主要涉及3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：能量建模、續(xù)航評估以及能量管理策略。

然而，從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，對于這3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來說，針對大跨時(shí)空飛行這一任務(wù)屬性的相關(guān)研究尚不多見，且存在一定的局限性。在大跨時(shí)空飛行任務(wù)中，外界環(huán)境因素(如大氣密度、氣溫、光照情況等)往往伴隨著時(shí)間和空間的變化而變化，這些因素的耦合將對太陽能無人機(jī)的能量生產(chǎn)狀況帶來較大的影響。面對差異較大的能量狀況，太陽能無人機(jī)的續(xù)航性能、能量管理策略等也將面臨重新調(diào)整，這使得無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃更趨于復(fù)雜化。一個(gè)最典型的例子就是24 h跨晝夜跨區(qū)域飛行[12-17]，其復(fù)雜性體現(xiàn)在：

1) 從時(shí)間角度來看，在晝間，太陽能無人機(jī)有相對充足的太陽能可以轉(zhuǎn)化，因此可以在吸收太陽能的同時(shí)不斷爬升，儲(chǔ)備重力勢能，而在夜間，由于沒有太陽能的存在，必須綜合利用重力或風(fēng)力滑翔等手段實(shí)現(xiàn)續(xù)航[15-17]。因此，為了應(yīng)對晝夜間不同的能量生產(chǎn)情況，需要在任務(wù)規(guī)劃的過程中設(shè)計(jì)多種不同的飛行策略及其切換條件，從而獲得最大的能量利用率。

2) 從空間角度來看，理論上講飛行地點(diǎn)緯度越低，光照水平及其對應(yīng)的能量生產(chǎn)水平越高[18]，但不同地區(qū)之間氣象因素的差異性(例如同一緯度地區(qū)氣溫、云層狀況以及風(fēng)速風(fēng)向可能存在較大差異)又使得該規(guī)律存在一定的不確定性。另外，隨著飛行高度的變化，氣動(dòng)阻力及其能耗水平呈非線性變化[1,14-15]。因此，在任務(wù)規(guī)劃的過程中必須根據(jù)任務(wù)區(qū)域的氣象狀況，合理地設(shè)計(jì)無人機(jī)的水平飛行軌跡，在此基礎(chǔ)上結(jié)合無人機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與機(jī)載光伏組件參數(shù)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整無人機(jī)的最優(yōu)巡航飛行高度。

目前國內(nèi)外學(xué)者已在太陽能無人機(jī)的總體布局[1,19-20]、氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[21-23]、能源系統(tǒng)[24-26]乃至常規(guī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)(面向短航時(shí)或小范圍飛行區(qū)域)[10,27-35]等方面取得了一系列卓有成效的研究成果。Zhu等[1]、Gao等[13]、Abbe和Smith[36]分別從不同角度對太陽能無人機(jī)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。然而，針對大跨時(shí)空任務(wù)背景下的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，目前尚未檢索到相關(guān)的研究綜述。本文僅對與其相關(guān)的能量建模、續(xù)航評估和能量管理策略3大關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，并總結(jié)當(dāng)前研究中存在的問題，在此基礎(chǔ)上對值得研究的重要問題和發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 能量建模

1.1 太陽輻射模型

太陽能無人機(jī)最主要的能量來源是太陽輻射?？紤]到太陽能無人機(jī)的飛行環(huán)境一般為距海平面10～30 km的平流層高空中，此環(huán)境下可忽略云層的遮擋，因此，基于地球與太陽之間的空間關(guān)系，可計(jì)算出任意時(shí)間和任意緯度的太陽直射輻射強(qiáng)度，其計(jì)算過程可參見文獻(xiàn)[37]，很多經(jīng)典的有關(guān)太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃方面的研究成果均沿用該輻射強(qiáng)度模型[16-17,29,38]。

隨著越來越多的研究將太陽能無人機(jī)的應(yīng)用空間由高空拓展到中低空[10,12,15,17,27-28,31,33-35]，這種理想化的建模方式也暴露出一些問題，導(dǎo)致其在大跨時(shí)空任務(wù)中的應(yīng)用受到限制，主要為以下兩點(diǎn)：

1) 當(dāng)無人機(jī)在中低空執(zhí)行大跨時(shí)空任務(wù)時(shí)，由于時(shí)空的大范圍變化，任務(wù)區(qū)域的天氣情況會(huì)存在一定的時(shí)變性和不確定性，這導(dǎo)致云層以及相關(guān)大氣環(huán)境因素對太陽輻射的影響將難以忽略。

2) 上述模型只考慮了太陽的直射輻射，實(shí)際上，當(dāng)無人機(jī)處于中低空時(shí)，由于空氣中存在水汽、懸浮固體顆粒以及其他雜質(zhì)，導(dǎo)致太陽散射輻射的影響難以忽略。此外，上述模型并未考慮到跨區(qū)域機(jī)動(dòng)飛行時(shí)不同地區(qū)所處自然環(huán)境的差異。實(shí)際上，即使是位于同一緯度的兩個(gè)地區(qū)，例如沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)，其中低空空氣含水量也可能存在較大差異，而水汽對太陽輻射的吸收是相當(dāng)明顯的[39]。

為了解決第1個(gè)問題，一些氣象概念被進(jìn)一步引入上述模型中。例如，Grenestedt和Spletzer[40]考慮了大氣渾濁度對太陽輻射的影響，引入了林克渾濁因子和瑞利散射效應(yīng)對原有模型進(jìn)行修正。與文獻(xiàn)[40]的思路相似，Lee和Yu[16]通過大氣透過率修正模型，重點(diǎn)考慮了氣候、海拔、大氣成分比等地理與環(huán)境因素對大氣透過率的影響，并利用LOWTRAN 7軟件[41]根據(jù)海拔高度對大氣透過率進(jìn)行建模。為了直觀體現(xiàn)跨區(qū)域飛行中地理位置對天氣以及太陽輻射的影響，Dai[31]基于氣象地圖首先預(yù)估了任務(wù)區(qū)域的太陽光譜密度分布，其氣象地圖可提供區(qū)域內(nèi)溫度、濕度以及降水信息，然后利用光譜密度計(jì)算太陽輻射強(qiáng)度，從而繪制出能量強(qiáng)度地理分布圖，并將其應(yīng)用于太陽能無人機(jī)的軌跡優(yōu)化中。

為了解決第2個(gè)問題，部分研究提出利用太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型取代上述模型?；诓糠殖墒斓奶栞椛淠Ｐ?，通過對全球范圍內(nèi)各地面觀測站多年積累的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，可以得到太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型。由于是基于實(shí)測數(shù)據(jù)的，因此不同區(qū)域環(huán)境對太陽輻射的影響已經(jīng)被考慮到模型中。此類模型能夠較好地體現(xiàn)中低空環(huán)境中太陽輻射強(qiáng)度隨地理位置變化的情況，并為工業(yè)界所廣泛采用[39]。太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型一般可分為兩類[12,42]：一類為考慮云層、復(fù)雜氣象條件的全球輻射模型，然而此條件下模型的估計(jì)與計(jì)算相當(dāng)繁雜且困難、準(zhǔn)確度低；另一類為晴空輻射統(tǒng)計(jì)模型，其計(jì)算相對簡單，因此目前多數(shù)涉及太陽能無人機(jī)能量方面的研究均是基于晴空模型展開的，文獻(xiàn)[42]列舉了近幾十年來主要的太陽晴空輻射模型。針對上述晴空模型，Badescu等[43]的分析中指出：美國供暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE)模型[44]的計(jì)算最為簡單且能夠保持較高的精度，更重要的是該模型已被全球研究者所認(rèn)可并廣泛應(yīng)用于太陽能工程的各個(gè)領(lǐng)域?；谏鲜龇治?，王宏倫等[10,12,14-15,27-28,34,42]選擇ASHRAE晴空模型對太陽能無人機(jī)的能量生產(chǎn)進(jìn)行建模。基于大規(guī)模復(fù)雜光譜仿真模型和全球范圍內(nèi)大量地面站實(shí)測數(shù)據(jù)，ASHRAE模型能夠估計(jì)中低空范圍內(nèi)由直射輻射強(qiáng)度、散射輻射強(qiáng)度以及地面反射輻射強(qiáng)度所共同組成的總輻射強(qiáng)度。針對太陽能無人機(jī)大跨時(shí)空飛行任務(wù)，文獻(xiàn)[14]還基于任務(wù)區(qū)域范圍內(nèi)的ASHRAE站點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了不同時(shí)間、不同高度剖面下相應(yīng)的太陽輻射分布狀況，并將其應(yīng)用于任務(wù)規(guī)劃中。

盡管以ASHRAE晴空模型為代表的部分太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型已被用于大跨時(shí)空任務(wù)背景下的太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃，并取得了若干成果，但目前仍存在一些缺陷難以克服：① 太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型主要以地面站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)作為建模依據(jù)，然而，地面站點(diǎn)的地理分布具有不均勻的特點(diǎn)[44]，例如在經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的地區(qū)，站點(diǎn)密度較高，而在廣大海洋區(qū)域和內(nèi)陸沙漠、高原等無人區(qū)，其站點(diǎn)密度極低，這導(dǎo)致當(dāng)無人機(jī)在不同站點(diǎn)密度區(qū)域穿梭時(shí)，其能量建模誤差相對明顯，一定程度上限制了太陽能無人機(jī)在這些區(qū)域的應(yīng)用。② 當(dāng)太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型在估計(jì)中低空輻射強(qiáng)度時(shí)，能夠獲得較為精確的結(jié)果，但如果將此類模型用于估計(jì)高空乃至臨近空間的輻射強(qiáng)度時(shí)，則可能會(huì)造成一定的誤差，且誤差會(huì)隨著海拔的升高而升高，特別是在夏季。原因在于太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型所基于的地面實(shí)測數(shù)據(jù)在一定程度上考慮了不同區(qū)域各時(shí)間段空氣平均含水量的影響(即水汽對輻射的衰減效應(yīng))，而高空環(huán)境下空氣含水量極低，太陽輻射的衰減較小，這種水汽在高度上的非線性分布是造成估計(jì)誤差的主要原因，特別是在夏季，沿海地區(qū)和部分內(nèi)陸盆地地區(qū)的中低空空氣濕度相對較高，進(jìn)一步加劇了這種誤差。由于在大跨時(shí)空任務(wù)中，無人機(jī)的高度剖面變化較大，因此這種誤差對能量建模帶來的影響也會(huì)較為明顯。

1.2 能量生產(chǎn)基本框架

太陽能無人機(jī)能量模型包括能量生產(chǎn)和消耗模型兩部分。能量消耗模型主要包括機(jī)載設(shè)備消耗和飛行動(dòng)力學(xué)消耗兩部分，對于設(shè)備消耗，一般可視為常值[15,27]，而對于飛行動(dòng)力學(xué)消耗，目前研究基本都采用了受力平衡的原則進(jìn)行分析，并取得較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[10-18]，因此能量建模的重心在于對能量生產(chǎn)模型的處理上。一個(gè)合理的能量生產(chǎn)模型應(yīng)能夠較為準(zhǔn)確的反映太陽能無人機(jī)運(yùn)動(dòng)與其能量獲取之間的關(guān)系，是太陽能無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)能量管理、決策評估、軌跡優(yōu)化等任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的基礎(chǔ)。在時(shí)間段[t0,tf]內(nèi)，對于常規(guī)布局固定翼太陽能無人機(jī)(忽略翼型上表面曲率、機(jī)翼安裝角等，其機(jī)翼上的光伏組件可以認(rèn)為是水平鋪設(shè)的)[24]，其能量生產(chǎn)與自身姿態(tài)和日照的相對幾何關(guān)系息息相關(guān)，方程為

(1)

式中：Pin和Ein分別為能量生產(chǎn)功率和能量值；ηsol為光伏組件效率；S為機(jī)翼面積；PUAV為垂直入射至光伏組件(機(jī)翼)的單位有效太陽能功率，與太陽光線進(jìn)入翼面的入射角λi(t)相關(guān)，而λi(t)是關(guān)于無人機(jī)三軸姿態(tài)角θ(t)、ψ(t)、φ(t)，太陽高度角αe(t)和太陽方位角αz(t)的一個(gè)復(fù)雜時(shí)變函數(shù)，其值越小，有效太陽功率越大，該函數(shù)在無滾轉(zhuǎn)水平飛行情況下的具體形式最早由Klesh和Kabamba[29]給出，隨后Hosseini和Mesbahi[45]將其推廣至包含三個(gè)歐拉角的三維空間飛行中。

在式(1)的基礎(chǔ)上，Wang等[46]考慮了如圖1(a)和圖1(b)所示的具有曲率效應(yīng)的機(jī)翼表面對能量生產(chǎn)的影響；王宏倫等[10,12,14-15,27-28,34,42]又進(jìn)一步考慮了中低空散射輻射及地面反射輻射的影響，參考工程中常用的太陽傾斜表面輻射強(qiáng)度計(jì)算原則[39]，將PUAV修正為同時(shí)與λi(t)和翼面與地平面的夾角λt(t)相關(guān)的函數(shù)，其中的相對幾何關(guān)系見圖3。

圖3 太陽光與無人機(jī)的相對幾何關(guān)系Fig.3 Relative geometrical relationship between sunlight and SUAV

目前，大部分有關(guān)太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究在利用式(1)計(jì)算太陽能無人機(jī)能量生產(chǎn)功率Pin時(shí)，都將光伏組件效率ηsol簡化為一個(gè)常數(shù)，即認(rèn)為光伏組件效率恒定。對于太陽能無人機(jī)執(zhí)行一般小范圍飛行任務(wù)來說，這樣的簡化是合理的。然而，當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行大跨時(shí)空飛行任務(wù)時(shí)，隨著地理位置、飛行高度以及滯空時(shí)間的變化，其所處的外界自然環(huán)境可能發(fā)生較大變化，例如太陽能無人機(jī)由于任務(wù)要求，在短時(shí)間內(nèi)由2 000 m爬升至20 000 m，其所處的大氣密度和溫度將驟降，根據(jù)光伏器件熱力學(xué)平衡原理[47]，環(huán)境的變化將改變光伏器件的工作溫度，進(jìn)而影響其效率ηsol以及相應(yīng)的能量生產(chǎn)。因此，針對大跨時(shí)空任務(wù)背景，光伏組件效率的時(shí)變性是不可忽略的。

針對光伏組件效率的時(shí)變性修正問題，昌敏等[24]和Wu等[14-15]通過引入光伏器件熱力學(xué)平衡原理進(jìn)行分析。首先，從光伏組件自身的工作特性出發(fā)，由于其效率ηsol受自身溫度影響較大，基本呈線性相關(guān)，且表面溫度越高，ηsol越低，因此，可首先建立ηsol與光伏組件表面溫度的線性方程。然后，根據(jù)熱平衡原理，對于飛機(jī)翼面光伏組件接收的太陽輻射能，一般可轉(zhuǎn)化為3部分：一部分轉(zhuǎn)化為電能，一部分向天空進(jìn)行熱輻射，另一部分與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，結(jié)合飛機(jī)外形特征、飛行環(huán)境的氣溫、飛行速度和飛行高度，可建立熱平衡方程，從而求解出光伏組件表面溫度。最后，將解算出的表面溫度代回之前的線性方程，即可得到當(dāng)前飛行狀態(tài)下的效率?；谏鲜鲅芯砍晒?，可得到當(dāng)無人機(jī)在同一經(jīng)緯度處于不同飛行高度和不同氣溫時(shí)的光伏組件效率，分別見圖4和圖5[14]。由圖4可見，當(dāng)無人機(jī)處于對流層時(shí)(飛行高度小于11 km)，光伏效率隨高度的升高而單調(diào)升高，當(dāng)無人機(jī)處于平流層時(shí)，光伏效率隨高度的升高而單調(diào)降低。由圖5可見，當(dāng)無人機(jī)所處的氣溫越低時(shí)，光伏組件的散熱能力越強(qiáng)，因此其效率越高。結(jié)合任務(wù)區(qū)域的天氣和溫度情況以及相關(guān)能量建模分析，這些研究結(jié)果能夠求解出無人機(jī)的最優(yōu)飛行高度和任務(wù)區(qū)域能量分布情況，從而為后續(xù)續(xù)航評估和能量管理策略設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

圖4 無人機(jī)處于不同飛行高度下的光伏組件效率[14]Fig.4 Photovoltaic module efficiencies of SUAVs at different flight altitudes [14]

圖5 無人機(jī)處于不同氣溫下的光伏組件效率[14]Fig.5 Photovoltaic module efficiencies of SUAVs at different air temperatures [14]

除了對光伏組件效率的修正外，為了進(jìn)一步提高太陽能無人機(jī)在大跨時(shí)空任務(wù)中的續(xù)航性，部分研究還在飛機(jī)上適當(dāng)增設(shè)非主升力面的翼面，并鋪設(shè)以光伏組件。這些光伏組件可沿機(jī)體軸的平行軸滾偏或者通過全機(jī)的航向偏轉(zhuǎn)以實(shí)時(shí)跟蹤太陽，被稱為“主動(dòng)式光伏組件”[24]。此類變體機(jī)翼已廣泛應(yīng)用于多種型號的太陽能無人機(jī)，例如空客“Zephyr”無人機(jī)和中國“彩虹”無人機(jī)，分別如圖1(c)和圖2所示。昌敏等[24]提出“滾偏/偏航”太陽跟蹤方式，并建立了基于該跟蹤方式的、處于無滾轉(zhuǎn)平飛狀態(tài)下帶有垂直固定滾偏角機(jī)翼的太陽能無人機(jī)能量生產(chǎn)模型，結(jié)果表明在相同條件下，主動(dòng)式光伏組件日均面功率超出水平機(jī)翼上鋪設(shè)的光伏組件日均面功率約為45%～317%；且緯度越高，離冬至日越近(北半球)，超出的幅值越顯著。在此類帶有垂直滾偏角機(jī)翼太陽能無人機(jī)的基礎(chǔ)上，一種翼面滾偏角在飛行過程中可變的長航時(shí)太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)方案被提出[48]，該方案中，無人機(jī)的翼面呈Z型布置，如圖6(a)所示，可根據(jù)太陽角度的變化實(shí)時(shí)調(diào)整其翼面滾偏角，具有更大的能量生產(chǎn)能力，從而能夠更好的應(yīng)對大跨時(shí)空飛行任務(wù)。針對此類無人機(jī)，Wu等[49-50]在考慮Z型機(jī)翼間光線遮擋問題的基礎(chǔ)上，建立了此類無人機(jī)在三維無滾轉(zhuǎn)飛行狀態(tài)下的能量生產(chǎn)與消耗模型，并研究了光伏組件效率、飛行日期、飛行緯度等參數(shù)對其能量生產(chǎn)的影響，結(jié)果表明在冬季附近的較小太陽高度角與較高轉(zhuǎn)換效率光伏組件的飛行條件下，太陽能無人機(jī)通過Z型變體來增加飛行時(shí)間的設(shè)計(jì)方案相較常規(guī)布局太陽能無人機(jī)更為有效。然而，由于Z型變體無人機(jī)存在翼面陽光遮擋的固有缺陷，其能量生產(chǎn)能力受到一定的限制，為了解決該問題，Wu等[51]又進(jìn)一步提出一種N型變體無人機(jī)的設(shè)計(jì)方案，其機(jī)翼布局如圖6(b)所示，并建立了該類無人機(jī)的能量生產(chǎn)模型，通過試飛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了太陽能無人機(jī)在飛行過程中進(jìn)行N型變體的可行性。

圖6 典型變體太陽能無人機(jī)[49-51]Fig.6 Typical morphing SUAVs [49-51]

2 續(xù)航評估

無人機(jī)續(xù)航評估是指根據(jù)無人機(jī)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)、能量儲(chǔ)備、飛行狀態(tài)等參數(shù)，估計(jì)無人機(jī)在穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下的續(xù)航能力(例如續(xù)航時(shí)間、航程等)的過程[52]。在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)之前，通過續(xù)航評估，可以保證無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中有足夠的能量完成必要的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)，續(xù)航評估還能為無人機(jī)提供效費(fèi)比最佳的飛行高度和飛行速度，從而提升飛行任務(wù)的經(jīng)濟(jì)性。

對于即將執(zhí)行大跨時(shí)空任務(wù)的太陽能無人機(jī)來說，續(xù)航評估能夠?yàn)楹罄m(xù)飛行路徑的選擇以及能量管理策略的設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。然而，遺憾的是根據(jù)目前的文獻(xiàn)檢索結(jié)果，在任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域，相較于能量建模和能量管理策略兩大關(guān)鍵技術(shù)，太陽能無人機(jī)續(xù)航評估領(lǐng)域的研究非常稀少，且對于大跨時(shí)空任務(wù)背景考慮不夠充足。這方面的研究主要集中在兩大關(guān)鍵問題上：①對可量化續(xù)航指標(biāo)的設(shè)計(jì)與計(jì)算(即“是什么”問題)；②如何應(yīng)用續(xù)航評估的結(jié)果進(jìn)行決策(即“怎么用”問題)。

2.1 續(xù)航評估指標(biāo)

對于續(xù)航評估來說，可量化的續(xù)航指標(biāo)是衡量無人機(jī)續(xù)航性能的基礎(chǔ)。如何定義評價(jià)太陽能無人機(jī)續(xù)航性能的指標(biāo)，從而較好的反映太陽能無人機(jī)執(zhí)行大跨時(shí)空任務(wù)時(shí)的續(xù)航特征，且評價(jià)指標(biāo)可計(jì)量或統(tǒng)計(jì)，對太陽能無人機(jī)初期設(shè)計(jì)評估和后期任務(wù)規(guī)劃、決策，以及推動(dòng)太陽能無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，具有重要的意義。

傳統(tǒng)飛機(jī)/電動(dòng)飛機(jī)以化石燃料/化學(xué)電池為主，其攜帶燃料總量/電池容量以及能量使用情況也相對穩(wěn)定，且地理與環(huán)境因素的變化對其影響并不明顯，因此續(xù)航時(shí)間或最大航程是可以計(jì)算出來的，故而對于傳統(tǒng)飛機(jī)/電動(dòng)飛機(jī)來說，續(xù)航評估指標(biāo)就是其續(xù)航時(shí)間或最大航程，一般以小時(shí)或千米計(jì)?；诖祟愔笜?biāo)的評估方法目前已非常成熟，其按解算方法不同通?？煞譃榻馕龇╗53-56]和圖解法[57-59]。解析法根據(jù)飛行器運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)方程以及力學(xué)分析，進(jìn)而將目標(biāo)變量表述成解析函數(shù)，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，物理概念清晰，能直接準(zhǔn)確求解所需性能參數(shù)的數(shù)學(xué)公式而備受重視。圖解法通過綜合繪制能量機(jī)動(dòng)圖、能量機(jī)動(dòng)效率圖和航程圖，直觀的體現(xiàn)飛機(jī)速度、爬升性能、航程、航時(shí)之間的約束關(guān)系，進(jìn)而利用數(shù)值方法求解飛機(jī)的最佳軌跡。在飛行性能計(jì)算時(shí)，圖解法表示直觀易懂，易與原始數(shù)據(jù)相結(jié)合，特別是面對難以進(jìn)行解析求解的高次方程時(shí)，其同樣適用，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

然而太陽能無人機(jī)與傳統(tǒng)飛機(jī)/電動(dòng)飛機(jī)不同，它以太陽輻射能為主要能量，其能量狀況不僅與電池容量有關(guān)，還取決于太陽照射情況。而照射情況又與地理位置、天氣情況等密切相關(guān)[18]。當(dāng)太陽能無人機(jī)進(jìn)行跨區(qū)域飛行時(shí)，其能量生產(chǎn)狀況也會(huì)隨所處位置的變化而實(shí)時(shí)變化，這就導(dǎo)致飛行過程中，無人機(jī)的能量總量具有非常大的不確定性，從而難以估算出續(xù)航時(shí)間。因此，上述針對傳統(tǒng)飛機(jī)/電動(dòng)飛機(jī)的續(xù)航評估指標(biāo)與方法將不再適合于太陽能無人機(jī)。

由于難以直接計(jì)算太陽能無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，研究者轉(zhuǎn)而從能量平衡的角度分析無人機(jī)的續(xù)航性能。Montgomery和Mourtos[60]以及Burton和Hoburg[61]從時(shí)間角度出發(fā)，繪制了24 h內(nèi)太陽能無人機(jī)能量生產(chǎn)與消耗的平衡關(guān)系圖，并提出了依靠太陽能實(shí)現(xiàn)永久性續(xù)航的條件。Rajendran和Smith[18]從空間角度出發(fā)，基于全球各地的太陽輻射實(shí)測數(shù)據(jù)分析了經(jīng)緯度對太陽能無人機(jī)能量平衡的影響，并從能量角度給出了最適于太陽能無人機(jī)執(zhí)行大跨時(shí)空飛行任務(wù)的區(qū)域范圍。盡管上述研究并沒有為太陽能無人機(jī)提出一個(gè)明確的續(xù)航指標(biāo)，但這種從時(shí)間和空間兩個(gè)維度進(jìn)行能量平衡分析的思路卻啟發(fā)了后續(xù)的研究者。在此基礎(chǔ)上，Huang等[12]首次提出將一年內(nèi)太陽能無人機(jī)能夠完成24 h跨晝夜飛行(即24 h飛行的凈能量大于0)的天數(shù)選為太陽能無人機(jī)續(xù)航性能的評估指標(biāo)，并給出了8個(gè)中國典型城市的指標(biāo)值。然而，盡管此項(xiàng)研究對于續(xù)航評估指標(biāo)的設(shè)計(jì)具有一定的開創(chuàng)意義，但所設(shè)計(jì)的指標(biāo)僅能從宏觀上定性判斷任務(wù)區(qū)域內(nèi)哪些地點(diǎn)可能適合太陽能無人機(jī)飛行。當(dāng)給定某一任務(wù)起始日期時(shí)，對于該日期是否適宜太陽能無人機(jī)執(zhí)行跨區(qū)域飛行任務(wù)，存在多少富余能量能夠支持無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，按該指標(biāo)所設(shè)計(jì)的續(xù)航評估方法是難以判斷的，因此其應(yīng)用價(jià)值較為有限。針對文獻(xiàn)[12]所提指標(biāo)的缺陷，結(jié)合能量平衡原理和大跨時(shí)空飛行任務(wù)的特點(diǎn)，Wu等[14]提出從能量角度而非時(shí)間角度設(shè)計(jì)續(xù)航評估指標(biāo)，即以24 h跨晝夜飛行的凈能量值(即能量生產(chǎn)值減去消耗值)作為可量化的續(xù)航評估指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了跨區(qū)域飛行中不同地理位置(經(jīng)緯度與飛行高度)的外界實(shí)際環(huán)境(包括大氣模型、實(shí)際氣溫等)、無人機(jī)構(gòu)型及光伏組件參數(shù)等因素對太陽能無人機(jī)能量生產(chǎn)的影響，引入了1.1節(jié)所提的ASHRAE太陽輻射模型和1.2節(jié)所提的可變光伏組件轉(zhuǎn)化效率，從而直接反映了能量生產(chǎn)與消耗的綜合效應(yīng)，可用于定量評估任意任務(wù)起始時(shí)間、任務(wù)區(qū)域、飛行包線下的太陽能無人機(jī)的24 h跨晝夜不間斷飛行能力。

2.2 續(xù)航評估應(yīng)用

盡管與續(xù)航評估相關(guān)的能量平衡原則已廣泛應(yīng)用于太陽能無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)[60-61]，但由于目前對可量化續(xù)航評估指標(biāo)與方法的研究相對較少，導(dǎo)致其在任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用更為稀缺。根據(jù)檢索結(jié)果，目前僅Wu等[14]對其提出的續(xù)航指標(biāo)的應(yīng)用方法進(jìn)行了一定的探索。文獻(xiàn)[14]首先采集了任務(wù)區(qū)域內(nèi)所有ASHRAE地面測量站點(diǎn)的太陽光照數(shù)據(jù)，并根據(jù)天氣預(yù)報(bào)結(jié)果建立所有站點(diǎn)位置各個(gè)高度剖面的氣溫模型。然后，計(jì)算所有站點(diǎn)位置各個(gè)高度剖面的續(xù)航性能指標(biāo)(即24 h飛行凈能量值)。通過對不同飛行高度下各站點(diǎn)凈能量值進(jìn)行Kriging插值，繪制出太陽能無人機(jī)任務(wù)區(qū)域的凈能量分布地圖，稱為“續(xù)航地圖”。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)結(jié)果，該地圖可每小時(shí)更新一次。利用“續(xù)航地圖”，可以優(yōu)化太陽能無人機(jī)在恒定高度下的飛行軌跡，如圖7(a)所示。對于兩條航程大致相同的飛行軌跡，從圖中可以直觀看出，軌跡1所經(jīng)過區(qū)域的凈能量值更大(底圖顏色更偏紅色)，因此，太陽能無人機(jī)可執(zhí)行更為復(fù)雜的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，具有更好的續(xù)航性。

圖7 “續(xù)航地圖”在任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的典型應(yīng)用[14]Fig.7 Typical applications of “Endurance Map” in the field of mission planning [14]

基于該地圖繪制方法，還可進(jìn)一步繪制出最優(yōu)凈能量分布地圖(含全部高度剖面)和能量最優(yōu)飛行高度分布地圖，二者相結(jié)合，可用于優(yōu)化太陽能無人機(jī)三維飛行軌跡，如圖7(b)所示，進(jìn)而可用于面向大跨時(shí)空任務(wù)的能量管理策略設(shè)計(jì)中(本文將在第3節(jié)中介紹三維飛行軌跡設(shè)計(jì)與面向大跨時(shí)空任務(wù)的能量管理策略的關(guān)系)。該圖中，底圖為最優(yōu)凈能量分布地圖，所優(yōu)化的軌跡同時(shí)帶有最優(yōu)飛行高度信息和對應(yīng)的最優(yōu)凈能量信息。

當(dāng)然，文獻(xiàn)[14]的研究也存在一定的局限性，由于所繪制的“續(xù)航地圖”是基于ASHRAE晴空模型的，其在考慮氣象因素時(shí)僅考慮了氣溫的影響，而并沒有考慮到復(fù)雜天氣情況的影響(例如云層狀況)，因此凈能量分布可能存在一定的誤差。

3 能量管理策略

根據(jù)太陽及環(huán)境情況，通過采用一定的策略優(yōu)化太陽能無人機(jī)的飛行軌跡及運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)，從而協(xié)調(diào)各種能量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)提升凈能量生產(chǎn)率，最終獲得最佳的能源利用率或最長的續(xù)航時(shí)間，這種策略就是太陽能無人機(jī)的能量管理策略[37]。該技術(shù)是任務(wù)規(guī)劃的核心，同時(shí)也是目前任務(wù)規(guī)劃3大技術(shù)中最為活躍的研究方向。

相較于面向短航時(shí)或小范圍飛行區(qū)域任務(wù)(以下簡稱常規(guī)任務(wù))所優(yōu)化出的軌跡，面向大跨時(shí)空的軌跡有其特殊性：

1) 所涉及的約束更為復(fù)雜。常規(guī)任務(wù)下的軌跡優(yōu)化往往僅追求凈能量生產(chǎn)的最優(yōu)性，對能量儲(chǔ)備的考慮較少[10,27-35]。而在大跨時(shí)空任務(wù)背景下，太陽能無人機(jī)的任務(wù)時(shí)間很可能會(huì)橫跨晝夜，因此必須考慮在陽光充足的時(shí)候儲(chǔ)備盡可能多的能量，從而在傍晚或夜間釋放所儲(chǔ)備的能量，彌補(bǔ)太陽能生產(chǎn)上的虧損，實(shí)現(xiàn)不間斷續(xù)航。為了增加能量儲(chǔ)備，一方面可通過為儲(chǔ)能電池充電，另一方面使無人機(jī)具有較高的機(jī)械能。為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，一方面，必須在充電時(shí)考慮儲(chǔ)能電池的性能約束，例如最大儲(chǔ)電量[15]和電池荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)[11]等。另一方面，由于儲(chǔ)備機(jī)械能的需要，太陽能無人機(jī)往往需要采用爬升的機(jī)動(dòng)方式進(jìn)行重力儲(chǔ)能或借助風(fēng)力滑翔，對于這種復(fù)雜飛行方式所生成的軌跡相較于常規(guī)水平飛行軌跡，其飛行包線變化往往較為明顯，需要進(jìn)一步考慮爬升角度、過載、飛行高度、空速以及迎角-升力系數(shù)等動(dòng)力學(xué)約束條件[11,13,15-17,37-38]。

2) 由于大跨時(shí)空飛行往往涉及多種能量間的相互轉(zhuǎn)化，因此太陽能無人機(jī)在飛行過程中需要結(jié)合太陽光照情況和自身能量儲(chǔ)備情況，按飛行階段進(jìn)行劃分其所采用的能量管理策略，并為之設(shè)計(jì)對應(yīng)的飛行軌跡[13,15-16,37-38]。各階段間(即各段軌跡間)的約束與切換關(guān)系比較復(fù)雜，這是常規(guī)軌跡所不具備的。

3) 應(yīng)用太陽能無人機(jī)執(zhí)行某些特定任務(wù)(例如目標(biāo)跟蹤、區(qū)域監(jiān)視等)是其任務(wù)規(guī)劃技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。相較于面向常規(guī)飛行的能量管理策略，面向大跨時(shí)空飛行的能量管理策略所生成的軌跡與任務(wù)的耦合關(guān)系更為復(fù)雜。舉例來說，假設(shè)太陽能無人機(jī)采用光電傳感器執(zhí)行大跨時(shí)空目標(biāo)跟蹤任務(wù)，當(dāng)需要釋放重力勢能時(shí)，光電傳感器的視野會(huì)隨飛行高度的降低而變小，這就驅(qū)使所生成的軌跡在保證重力勢能合理釋放的同時(shí)必須能夠使無人機(jī)以更小的盤旋半徑在目標(biāo)附近飛行，否則丟失目標(biāo)的可能性就會(huì)增大[15]；而面向常規(guī)飛行所生成的軌跡的高度變化一般不大，因此受這一問題影響較小。

考慮到上述特殊性，本文將從能量綜合應(yīng)用、風(fēng)力滑翔機(jī)制、軌跡優(yōu)化方法以及面向特定任務(wù)的應(yīng)用等4個(gè)角度有針對性的對當(dāng)前面向大跨時(shí)空飛行的太陽能無人機(jī)能量管理策略研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。

3.1 能量綜合應(yīng)用

在大跨時(shí)空飛行中，太陽能無人機(jī)可利用的能源包括自身儲(chǔ)能電池的電能、太陽能、重力勢能和風(fēng)能。通過調(diào)整飛行軌跡及飛行狀態(tài)，從而利用上述能源間的轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)多能源的綜合應(yīng)用，成為提升能量利用率的關(guān)鍵。

目前，對于電能、太陽能和重力勢能的綜合應(yīng)用在能量管理策略的研究中得到了最為廣泛的關(guān)注。針對24 h跨晝夜飛行的太陽能無人機(jī)，Sachs等[62]首次提出將其飛行軌跡劃分為3段，即：儲(chǔ)能爬升段、重力滑翔段和低高度巡航段。以此為基礎(chǔ)，Gao等[37,63-65]深入研究并改進(jìn)了這種基于三段式軌跡的能量管理策略，重點(diǎn)突破了其中的軌跡切換條件設(shè)計(jì)、約束條件處理以及能量等價(jià)性理論等關(guān)鍵性問題，其成果對于后續(xù)研究具有極高的參考價(jià)值。文獻(xiàn)[37]在考慮儲(chǔ)能電池充放電速率約束的前提下，將能量管理策略劃分為對應(yīng)的3個(gè)階段，并將飛行高度和輸入到儲(chǔ)能電池和推進(jìn)系統(tǒng)的功率比共同作為階段的切換條件。研究證明了該策略的優(yōu)越性并對與該策略相關(guān)的太陽能電池技術(shù)、儲(chǔ)能電池技術(shù)以及抗風(fēng)能力和飛行穩(wěn)定性技術(shù)進(jìn)行了敏感性分析?？紤]到儲(chǔ)能電池充電需要一個(gè)較為穩(wěn)定的環(huán)境，因此文獻(xiàn)[63]以無人機(jī)在儲(chǔ)能電池充電時(shí)保持水平巡航飛行為前提，將三階段能量管理策略擴(kuò)展為五階段，如圖8所示，并進(jìn)一步將電池儲(chǔ)電量、飛行高度、光照情況引入各階段間的切換條件。文獻(xiàn)[64]對重力勢能儲(chǔ)能與儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能之間的等價(jià)性問題進(jìn)行了研究，重點(diǎn)討論了重力勢能儲(chǔ)能和儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能的最佳時(shí)機(jī)、等價(jià)性比較方法以及影響等價(jià)性的關(guān)鍵因素等理論問題。除了Gao等的研究外，文獻(xiàn)[66]還分析了無動(dòng)力重力滑翔軌跡的運(yùn)動(dòng)特征及其影響因素，并據(jù)此研究了最優(yōu)滑翔軌跡的設(shè)計(jì)方法。

圖8 典型基于五階段能量管理策略的飛行軌跡縱向剖面[63]Fig.8 Longitudinal flight trajectory profile of a typical five-stage based energy management strategy [63]

與文獻(xiàn)[37,62-65]類似的研究還有文獻(xiàn)[38,66]等，這些文獻(xiàn)研究了太陽能無人機(jī)在縱向平面內(nèi)的能量管理策略問題，但未考慮無人機(jī)在三維空間飛行時(shí)如何實(shí)現(xiàn)對3種能源的綜合利用。實(shí)際上，面向三維飛行的能量管理策略具有更高應(yīng)用價(jià)值，特別是當(dāng)無人機(jī)在復(fù)雜約束情況下執(zhí)行某些特定任務(wù)時(shí)(本文將在3.4節(jié)中介紹其應(yīng)用問題)。針對該問題，Lee等[16]率先進(jìn)行了研究。在文獻(xiàn)[16]中，太陽能的凈能量值和重力勢能之和被設(shè)定為軌跡優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過同時(shí)控制飛機(jī)姿態(tài)(俯仰和偏航)和高度，使得無人機(jī)可在白天完成爬升和儲(chǔ)能，在夜間完成無動(dòng)力滑翔，從而實(shí)現(xiàn)能量間的最優(yōu)綜合利用。所生成的軌跡從水平方向投影為一個(gè)圓弧形，其形狀僅與無人機(jī)位置和當(dāng)前時(shí)間有關(guān)，因此可在不考慮天氣和光照情況的前提下在線規(guī)劃。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合文獻(xiàn)[62-64]中的多段式飛行軌跡設(shè)計(jì)思想，王少奇等[46,67]設(shè)計(jì)了面向點(diǎn)到點(diǎn)三維飛行任務(wù)的能量管理策略，該策略可將飛行過程分為4個(gè)階段：定高巡航、平飛充電、爬升飛行和無動(dòng)力下降，階段間的切換條件由太陽凈能量值、SOC和剩余功率組成。對于大跨時(shí)空飛行任務(wù)，其點(diǎn)到點(diǎn)的飛行策略相較于文獻(xiàn)[16]的自由飛行策略更具有實(shí)用價(jià)值，與之類似的還有文獻(xiàn)[11]。Martin等[68]基于分段設(shè)計(jì)思想和動(dòng)力滑翔機(jī)制，還研究了保持與固定目標(biāo)點(diǎn)水平距離恒定約束條件(即位置保持約束，Station-keeping Constraint)下的太陽能無人機(jī)能量管理策略問題，并討論了季節(jié)和環(huán)繞半徑對該策略所生成軌跡的影響。

上述研究均假設(shè)太陽能無人機(jī)處于平靜大氣而不受氣流影響。然而，在實(shí)際大氣中，風(fēng)對飛行器的影響是客觀且廣泛存在的。如果能夠合理利用風(fēng)能，則可減少太陽能無人機(jī)的阻力和機(jī)械能消耗，從而達(dá)到延長續(xù)航時(shí)間的目的。因此，在對電能、太陽能和重力勢能進(jìn)行綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上，部分研究者又進(jìn)一步將風(fēng)能應(yīng)用引入到能量管理策略中。針對風(fēng)場條件下太陽能無人機(jī)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤問題，Wu等[15]在無人機(jī)動(dòng)力學(xué)和能量建模時(shí)考慮了風(fēng)的影響，然后，考慮到無人機(jī)和儲(chǔ)能電池性能參數(shù)的差異，提出了如下2種多階段能量管理策略，2種策略下太陽能無人機(jī)飛行高度變化對比如圖9所示。

策略1 按時(shí)間順序劃分為4個(gè)階段：電池儲(chǔ)能階段、間斷爬升重力儲(chǔ)能階段、無動(dòng)力/動(dòng)力滑翔階段以及能量最優(yōu)跟蹤階段。

策略2 按時(shí)間順序劃分為5個(gè)階段：電池儲(chǔ)能階段、快速爬升重力儲(chǔ)能階段、高空電池儲(chǔ)能階段、無動(dòng)力/動(dòng)力滑翔階段以及能量最優(yōu)跟蹤階段。

2種策略的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于其優(yōu)化指標(biāo)與階段間的切換條件，主要考慮了無人機(jī)、目標(biāo)、風(fēng)之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系、電池儲(chǔ)能情況以及飛行高度。2種策略的差異主要在于其爬升方式，策略1的目的在于使無人機(jī)剛好能將多余的(無法存入儲(chǔ)能電池的)生產(chǎn)能量用于爬升機(jī)動(dòng)中，而策略2的目的在于使無人機(jī)盡可能快的爬升到預(yù)定高度。當(dāng)重力勢能被儲(chǔ)存，并達(dá)到一定的切換條件時(shí)，無人機(jī)將進(jìn)入滑翔階段。在2種策略的該階段中，無人機(jī)首先進(jìn)行無動(dòng)力滑翔，當(dāng)無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及風(fēng)速與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的相對關(guān)系同時(shí)滿足一定條件時(shí)，無人機(jī)的滑翔模式將切換為動(dòng)力滑翔，以避免無人機(jī)所攜帶的光電傳感器的視野丟失目標(biāo)。

圖9 兩種策略下太陽能無人機(jī)飛行高度變化 對比[15]Fig.9 Comparison of SUAV flight altitude variations based on the two strategies[15]

與文獻(xiàn)[15]相似的還有文獻(xiàn)[17]，針對太陽能無人機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)長航時(shí)飛行任務(wù)，該研究在設(shè)計(jì)能量管理策略時(shí)進(jìn)一步考慮了更為真實(shí)的風(fēng)場環(huán)境，從而在一定程度上提升了策略的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 風(fēng)力滑翔機(jī)制

3.1節(jié)已經(jīng)提到，風(fēng)的影響在自然界是客觀存在的，且不同高度的風(fēng)場也呈現(xiàn)出不同的分布特征[17]。一般而言，由于重力儲(chǔ)能和減小阻力的需要，面向大跨時(shí)空飛行任務(wù)的太陽能無人機(jī)往往會(huì)選擇在高空進(jìn)行巡航飛行。而在高空中(特別是15～20 km的高度范圍內(nèi))，風(fēng)速隨高度基本呈線性變化，這種現(xiàn)象被稱為風(fēng)梯度[69]。大量研究已經(jīng)表明，通過采用風(fēng)梯度滑翔方式(包括彎曲型和橢圓形滑翔方式，見圖10)，飛行器能夠持續(xù)從環(huán)境中獲取能量，從而延長其續(xù)航時(shí)間[69-75]。

從飛行器設(shè)計(jì)角度來看，面向大跨時(shí)空飛行任務(wù)的太陽能無人機(jī)一般具有機(jī)翼展弦比大(見圖1和圖2)、結(jié)構(gòu)重量輕的特點(diǎn)，這種大升阻比布局非常有利于其進(jìn)行動(dòng)態(tài)滑翔，也因此吸引了大量研究者對其滑翔運(yùn)動(dòng)特性和軌跡優(yōu)化方法進(jìn)行探索。文獻(xiàn)[76]對太陽能無人機(jī)在文獻(xiàn)[62]所提出的儲(chǔ)能爬升和夜間滑翔階段采用風(fēng)梯度滑翔方式的可行性進(jìn)行了研究，在高度剖面內(nèi)分析了風(fēng)梯度方向和強(qiáng)度對無人機(jī)爬升和滑翔性能以及能量消耗的影響。文獻(xiàn)[77]首先對如圖10(b)所示的橢圓形滑翔軌跡按運(yùn)動(dòng)特征劃分為逆風(fēng)爬升、高空轉(zhuǎn)彎、順風(fēng)下降以及低空轉(zhuǎn)彎4段，然后基于上述運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)了一種無動(dòng)力滑翔軌跡優(yōu)化算法，該算法相較于以高斯偽譜法為代表的基于數(shù)值方法的軌跡優(yōu)化算法[71-72]具有解算時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。

圖10 典型滑翔方式[69]Fig.10 Typical gliding methods [69]

上述文獻(xiàn)僅單純研究了太陽能無人機(jī)在風(fēng)場中的滑翔特性，其所設(shè)計(jì)的軌跡優(yōu)化方法并未與太陽能能量生產(chǎn)相結(jié)合。為了解決這一問題，文獻(xiàn)[40]在設(shè)計(jì)如圖10(a)所示的彎曲型能量最優(yōu)滑翔軌跡時(shí)，綜合考慮了無人機(jī)從風(fēng)力滑翔過程中提取到的機(jī)械能與翼面吸收的太陽輻射能，從而使太陽能無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了周期性不間斷的動(dòng)態(tài)滑翔。文獻(xiàn)[78]進(jìn)一步考慮了大跨時(shí)空飛行中不確定的天氣因素(降雨、強(qiáng)風(fēng)、云層等)對無人機(jī)太陽能能量生產(chǎn)和風(fēng)力滑翔綜合應(yīng)用的影響，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的氣象預(yù)測數(shù)據(jù)開發(fā)了名為“考慮氣象的太陽能無人機(jī)軌跡規(guī)劃與分析軟件”(Meteorology-aware Trajectory Planning and Analysis Software for Solar-powered UAVs, METPASS)。依靠該軟件卓越的能量優(yōu)化能力，太陽能無人機(jī)能夠完成不間斷跨大西洋點(diǎn)對點(diǎn)飛行任務(wù)，且由于該軟件對風(fēng)場的合理預(yù)測和運(yùn)用，使得太陽能無人機(jī)的越洋時(shí)間被大幅縮短。

3.3 軌跡優(yōu)化方法

如果說3.1和3.2節(jié)側(cè)重于對能量管理策略架構(gòu)和機(jī)制的介紹，那本節(jié)將偏重于對策略的具體解算方法(即軌跡優(yōu)化方法)進(jìn)行梳理。本文將軌跡優(yōu)化方法劃分為2個(gè)大類：面向確定性模型、環(huán)境和約束條件的方法和針對模型、環(huán)境和約束條件中存在不確定因素的方法。

3.3.1 面向確定性模型、環(huán)境和約束條件的方法

當(dāng)任務(wù)中的模型、環(huán)境和約束條件的變化規(guī)律已知時(shí)(例如處于晴空環(huán)境下太陽能無人機(jī)執(zhí)行長航時(shí)固定目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)[11])，可采用此類方法優(yōu)化軌跡。此類方法一般是基于最優(yōu)控制思想的，其典型優(yōu)化軌跡求解算法包括高斯偽譜法(Gauss Pseudo-spectral Method, GPM)、序列二次規(guī)劃法(Sequence Quadratic Programming, SQP)和直接配點(diǎn)法(Direct Collocation Method, DCM)等。

1) 高斯偽譜法

高斯偽譜法將狀態(tài)變量和控制變量在一系列的配點(diǎn)上離散，然后以各離散配點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)利用Lagrange插值基函數(shù)來全局近似狀態(tài)變量和控制變量，從而將連續(xù)最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為在一系列代數(shù)約束下的離散非線性規(guī)劃問題[79]。太陽能無人機(jī)最優(yōu)軌跡往往采取分段設(shè)計(jì)的方法，各段軌跡間通過設(shè)置一定的狀態(tài)邊界條件進(jìn)行銜接[46,63,67]。此類問題屬于大規(guī)模多段連續(xù)時(shí)間的Bolza問題，很適合GPM這種將最優(yōu)控制問題離散化進(jìn)而轉(zhuǎn)化成非線性規(guī)劃問題來求解的方法[80]。文獻(xiàn)[46]和文獻(xiàn)[67]針對固定時(shí)間段內(nèi)太陽能無人機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)飛行任務(wù)這一具有過程約束和終端約束的非線性最優(yōu)控制問題，利用GPM將無人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和SOC微分方程進(jìn)行離散化處理，配合其所提出的分段能量管理策略，可以求解出能量最優(yōu)軌跡。文獻(xiàn)[63]考慮在設(shè)計(jì)24小時(shí)能量最優(yōu)軌跡的同時(shí)使得太陽能無人機(jī)所攜帶的儲(chǔ)能電池質(zhì)量最少。針對這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，首先確定了各段軌跡之間的目標(biāo)函數(shù)(包括飛行時(shí)間、高度、能耗)和邊界條件(包括飛行狀態(tài)和電池儲(chǔ)電量)。然后將軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)兩級優(yōu)化問題，從而進(jìn)行求解，首先利用GPM對給定儲(chǔ)能電池質(zhì)量的無人機(jī)求解最優(yōu)的飛行軌跡，然后采用粒子群優(yōu)化算法尋找無人機(jī)在滿足高空長航時(shí)約束條件下的最小儲(chǔ)能電池質(zhì)量。

2) 序列二次規(guī)劃法

序列二次規(guī)劃法的基本思想是在每個(gè)迭代點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)二次規(guī)劃子問題來確定迭代的搜索方向，并沿該方向進(jìn)行一維搜索，逼近約束優(yōu)化問題的解[81]。文獻(xiàn)[11]針對24 h靜態(tài)目標(biāo)監(jiān)視這一對飛行過程中太陽能無人機(jī)位置嚴(yán)格約束的問題，首先設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)約束、狀態(tài)與控制變量約束以及初始與終端狀態(tài)約束，然后為了降低計(jì)算復(fù)雜度，采用DCM將連續(xù)軌跡離散化為24段直線軌跡(每1 h 1段)，從而使兩點(diǎn)邊界值問題轉(zhuǎn)化為對狀態(tài)與控制變量的參數(shù)優(yōu)化問題，最后針對該參數(shù)優(yōu)化問題采用SQP算法進(jìn)行求解。另外為了避免在估計(jì)近似Hessian矩陣時(shí)可能出現(xiàn)的奇點(diǎn)，算法還相應(yīng)地縮放一些狀態(tài)和控制變量。

3) 直接配點(diǎn)法

直接配點(diǎn)法是將系統(tǒng)整個(gè)時(shí)間過程劃分為多段，每一段的兩個(gè)端點(diǎn)稱為“節(jié)點(diǎn)”，節(jié)點(diǎn)之間的狀態(tài)用屬于Gauss-Lobatto多項(xiàng)式族的多項(xiàng)式代表，并假定控制量是線性變化的，經(jīng)過離散最終可以將連續(xù)時(shí)間的最優(yōu)控制轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的非線性規(guī)劃問題[82]。文獻(xiàn)[17]針對風(fēng)場條件下太陽能無人機(jī)能量管理策略中的大規(guī)模優(yōu)化問題，采用DCM中的Hermite-Simpson配置法離散軌跡，從而將軌跡優(yōu)化轉(zhuǎn)化為一個(gè)非線性規(guī)劃問題。在離散過程中，考慮到算法收斂的快速性，與文獻(xiàn)[11]一樣對控制和狀態(tài)變量進(jìn)行了縮放。然后利用內(nèi)點(diǎn)法求解優(yōu)化問題。

3.3.2 針對模型、環(huán)境和約束條件中存在不確定因素的方法

當(dāng)模型、環(huán)境或約束條件的變化規(guī)律可能存在不確定因素時(shí)(例如太陽能無人機(jī)執(zhí)行移動(dòng)目標(biāo)跟蹤任務(wù)時(shí)面臨的不確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡[15]或復(fù)雜多變的天氣情況[78])，往往需要無人機(jī)基于當(dāng)前狀態(tài)，對后續(xù)狀態(tài)及其變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，然后再對當(dāng)前階段做出相應(yīng)決策(給出相應(yīng)的控制量)，一旦該階段的決策確定后，又常常會(huì)影響到下一個(gè)階段的決策，如此反復(fù)。針對這種具有不確定因素且多階段相互依賴的大跨時(shí)空軌跡優(yōu)化問題，研究者主要采用模型預(yù)測控制(Model Predictive Control, MPC)/滾動(dòng)時(shí)域控制(Receding Horizon Control, RHC)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programming, DP)等方法。

1) 模型預(yù)測控制/滾動(dòng)時(shí)域控制

模型預(yù)測控制/滾動(dòng)時(shí)域控制由多步預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正3大步驟組成，算法首先對未來有限步長內(nèi)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測，然后在之前所確定代價(jià)函數(shù)的度量下，通過優(yōu)化算法選擇系統(tǒng)當(dāng)前及未來有限時(shí)間步長的控制輸入，從而使得該步長序列的代價(jià)函數(shù)值最小，最后執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻所需要的控制輸入，以此抑制系統(tǒng)運(yùn)行過程中的狀態(tài)偏離，從而使系統(tǒng)按期望的要求運(yùn)行[27,83]。文獻(xiàn)[15]在考慮移動(dòng)目標(biāo)跟蹤任務(wù)約束的前提下，首先構(gòu)造了由可飛性指標(biāo)、任務(wù)指標(biāo)、飛行高度指標(biāo)以及能量指標(biāo)所組成的總優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)，然后采用MPC架構(gòu)，根據(jù)預(yù)測的移動(dòng)目標(biāo)的位置在線控制無人機(jī)的飛行軌跡。針對所提出的兩種能量管理策略中的爬升階段(具體描述見3.1節(jié)和圖9)，當(dāng)無人機(jī)采用策略1中的爬升方式時(shí)，通過合理設(shè)置能量指標(biāo)函數(shù)與飛行高度指標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，可以使無人機(jī)剛好能將多余的生產(chǎn)能量用于爬升機(jī)動(dòng)中，從而在能量儲(chǔ)存與爬升速度間達(dá)到一定的平衡，即無人機(jī)以相對緩慢的速度(間歇性)爬升。而當(dāng)無人機(jī)采用策略2進(jìn)行爬升時(shí)，其飛行高度指標(biāo)權(quán)重將占主導(dǎo)地位，使得無人機(jī)能在短時(shí)間內(nèi)快速爬升到預(yù)定高度。與文獻(xiàn)[15]采用相同軌跡優(yōu)化方法的還有文獻(xiàn)[16,68]。

2) 動(dòng)態(tài)規(guī)劃

動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本思想是將決策問題的過程劃分成幾個(gè)相互聯(lián)系的階段，選取恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量，決策變量以及定義最優(yōu)值函數(shù)，從而把一個(gè)大問題化成一族同類型的子問題，然后逐個(gè)求解。即從邊界條件開始，逐段遞推尋優(yōu)，在每一個(gè)子問題的求解中，均利用了它前面的子問題的最優(yōu)化結(jié)果，依次進(jìn)行，而最后一個(gè)子問題所得的最優(yōu)解即為整個(gè)決策問題的最優(yōu)解[84]。文獻(xiàn)[78]所提到的METPASS軟件針對太陽能無人機(jī)跨大西洋飛行任務(wù)，使用改進(jìn)的DP算法在給定出發(fā)和到達(dá)點(diǎn)的三維網(wǎng)格上搜索最佳飛行軌跡，該算法步驟如下：首先定義成本函數(shù)并生成連接出發(fā)點(diǎn)和到達(dá)點(diǎn)的三維網(wǎng)格，計(jì)算并存儲(chǔ)從出發(fā)節(jié)點(diǎn)到每個(gè)后續(xù)節(jié)點(diǎn)的成本，然后，從網(wǎng)格的第三切片中的節(jié)點(diǎn)開始，應(yīng)用DP算法以找到從出發(fā)點(diǎn)到網(wǎng)格的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短總距離。由此建立由連接出發(fā)和到達(dá)點(diǎn)的全局最優(yōu)子軌跡組成的決策樹。最后通過從到達(dá)點(diǎn)對決策樹進(jìn)行回溯從而提取出最佳軌跡。成本函數(shù)由飛行時(shí)間，環(huán)境成本和系統(tǒng)成本經(jīng)歸一化后加權(quán)組成，其中，環(huán)境成本表示對無人機(jī)的環(huán)境威脅因素，可直接從氣象預(yù)測數(shù)據(jù)中得出，包括強(qiáng)風(fēng)、陣風(fēng)、濕度、降水和雷暴；系統(tǒng)成本由SOC、無人機(jī)太陽輻射能量生產(chǎn)和功耗組成。以此為基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[85]還將上述基于DP的軌跡優(yōu)化方法用于太陽能無人機(jī)大跨時(shí)空區(qū)域搜索任務(wù)中。

3.3.3 方法總結(jié)

總體而言，目前針對第1類軌跡優(yōu)化方法的研究相對充分。由于所采用的模型和約束的復(fù)雜程度較低，此類方法以離線優(yōu)化為主，對計(jì)算實(shí)時(shí)性的要求較低，但也相對地缺乏任務(wù)靈活性，難以勝任復(fù)雜多變的、具有特殊需求的大跨時(shí)空飛行任務(wù)。相反，第2類軌跡優(yōu)化方法以在線優(yōu)化為主，具有更好的任務(wù)適配性和更廣泛的應(yīng)用前景，但此類方法由于包括了狀態(tài)預(yù)測等配套算法(例如天氣預(yù)報(bào)算法、目標(biāo)軌跡預(yù)測算法等)，其計(jì)算過程更為復(fù)雜，且需要較好的計(jì)算實(shí)時(shí)性，這對飛行控制和管理系統(tǒng)的處理能力提出了更高的要求。另外，此類方法高度依賴預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此必須同步提升狀態(tài)預(yù)測等配套算法的性能，才能保證獲得較好的優(yōu)化效果。

3.4 面向特定任務(wù)的應(yīng)用

不同于文獻(xiàn)[16,37-38,40,63-66,76-77]，部分研究專注于對太陽能無人機(jī)執(zhí)行特定大跨時(shí)空任務(wù)時(shí)能量管理策略的探索，從而進(jìn)一步拓展了太陽能無人機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果，這些特定任務(wù)目前主要包括：大跨時(shí)空點(diǎn)對點(diǎn)飛行任務(wù)、長航時(shí)靜態(tài)目標(biāo)監(jiān)視/動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤任務(wù)和廣域目標(biāo)搜索任務(wù)。

3.4.1 大跨時(shí)空點(diǎn)對點(diǎn)飛行任務(wù)

此類任務(wù)要求太陽能無人機(jī)在從起始點(diǎn)飛往指定到達(dá)點(diǎn)的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷續(xù)航與能量最優(yōu)飛行，且滿足終端約束條件(包括時(shí)間、飛行狀態(tài)、能量等約束)，是執(zhí)行其他特定任務(wù)的基礎(chǔ)。其兩點(diǎn)位置須滿足大跨時(shí)空特征。代表性研究有文獻(xiàn)[11,46,67,78]。

3.4.2 長航時(shí)靜態(tài)目標(biāo)監(jiān)視/動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤任務(wù)

此類任務(wù)要求靜態(tài)/動(dòng)態(tài)目標(biāo)能夠在較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)位于太陽能無人機(jī)機(jī)載傳感器的探測范圍中，其特點(diǎn)在于傳感器在地面的探測覆蓋范圍與無人機(jī)飛行高度相耦合，因此在設(shè)計(jì)能量管理策略的爬升和滑翔階段時(shí)必須注意無人機(jī)與目標(biāo)間相對距離，以避免無人機(jī)丟失目標(biāo)。根據(jù)無人機(jī)與目標(biāo)間水平相對距離的約束，長航時(shí)目標(biāo)監(jiān)視/跟蹤任務(wù)又可分為以下2類：

1) 水平相對距離只要滿足一定探測范圍約束即可，這與傳統(tǒng)無人機(jī)的持續(xù)跟蹤任務(wù)(Persistent Tracking, 即以持續(xù)監(jiān)視/跟蹤時(shí)間為主要評價(jià)指標(biāo))[86-88]相似，目前文獻(xiàn)[11，15]已分別開展了在此類任務(wù)模式下對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行長航時(shí)跟蹤與監(jiān)視的能量管理策略研究。

2) 水平相對距離需盡可能滿足固定值約束，從而使太陽能無人機(jī)持續(xù)沿某一方向環(huán)繞目標(biāo)飛行，這種約束又稱為位置保持約束(見3.1節(jié))。該任務(wù)模式可保證無人機(jī)不易被目標(biāo)發(fā)現(xiàn)且能夠獲取各個(gè)角度下的目標(biāo)探測信息，這與傳統(tǒng)無人機(jī)的對峙跟蹤任務(wù)(Standoff Tracking, 即以水平和垂直相對距離偏差作為主要評價(jià)指標(biāo))[89-91]相似。從目前的文獻(xiàn)來看，針對長航時(shí)這一任務(wù)屬性的研究仍相對較少，僅文獻(xiàn)[68]開展了在位置保持約束下對靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行24 h環(huán)繞監(jiān)視的能量管理策略研究，但該研究為了保證能量的最優(yōu)性，在策略的動(dòng)力滑翔階段并未嚴(yán)格遵守固定距離約束，使太陽能無人機(jī)在水平面上的投影上只能盡可能沿預(yù)定圓形軌跡飛行(即犧牲部分任務(wù)性能換取能量最優(yōu)性能)。為使太陽能無人機(jī)能夠嚴(yán)格遵守水平位置保持約束，Spangelo和Gilbert[33]和Huang等[34]提出了一種基于圓柱體側(cè)表面的飛行模式，在此模式下，無人機(jī)會(huì)根據(jù)太陽光照角度選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行爬升，到達(dá)預(yù)定高度后進(jìn)行無動(dòng)力滑翔并回到初始位置。整個(gè)過程中無人機(jī)的軌跡在水平面上的投影始終圍繞預(yù)定圓周，而從整個(gè)空間上來看，無人機(jī)始終處在一個(gè)虛擬的圓柱面飛行。這種方法可在嚴(yán)格遵守水平位置約束時(shí)盡量使凈能量生產(chǎn)達(dá)到最優(yōu)(即犧牲部分能量最優(yōu)性能換取任務(wù)性能，與文獻(xiàn)[68]相反)。然而遺憾的是，文獻(xiàn)[33-34]并未對其所提出的能量管理策略是否適用于長航時(shí)飛行這一特殊任務(wù)屬性進(jìn)行深入討論(其仿真案例時(shí)間僅持續(xù)數(shù)分鐘)，也沒有為其設(shè)計(jì)相應(yīng)的策略。另外需要注意的是，根據(jù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果，目前尚無在此約束條件下針對移動(dòng)目標(biāo)跟蹤任務(wù)的能量管理策略研究。

3.4.3 廣域目標(biāo)搜索任務(wù)

此類任務(wù)要求太陽能無人機(jī)能夠在大面積區(qū)域內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行長航時(shí)的覆蓋搜索，因此需要將無人機(jī)覆蓋搜索航路規(guī)劃方法(例如平行線掃描法[92]、螺旋線法[93]、基于搜索圖的方法[94]等)與能量管理策略中的軌跡優(yōu)化方法相結(jié)合。然而，這種同時(shí)考慮搜索任務(wù)和能量優(yōu)化的策略研究卻相當(dāng)稀少，目前僅Oettershagen等[85]進(jìn)行了相關(guān)的探索?；谖墨I(xiàn)[78]所提到的METPASS軟件，文獻(xiàn)[85]進(jìn)一步將啟發(fā)式A*搜索算法與軟件中的DP軌跡優(yōu)化算法相結(jié)合，提出一種新型平行線掃描搜索算法，并將該搜索算法整合到太陽能無人機(jī)的能量管理策略中以實(shí)現(xiàn)搜索過程的能量優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，還開發(fā)了相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃軟件并將其應(yīng)用于北冰洋冰川調(diào)查長航時(shí)飛行任務(wù)中。

4 未來可能的研究方向及展望

面向大跨時(shí)空任務(wù)背景的太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)受到航空工業(yè)界越來越多的關(guān)注，諸多國內(nèi)外學(xué)者圍繞其中的能量建模、續(xù)航評估和能量管理策略3大關(guān)鍵技術(shù)開展了大量的研究，在理論分析和實(shí)際應(yīng)用中都取得了較多的成果。下面簡要分析其未來可能的研究方向和發(fā)展趨勢：

方向1 建立中高空太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型。

由于目前太陽輻射統(tǒng)計(jì)模型主要以地面站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)作為建模依據(jù)，而基于地面數(shù)據(jù)推算的中高空太陽輻射強(qiáng)度可能會(huì)存在一定的誤差，從而影響后續(xù)的續(xù)航評估和能量管理策略設(shè)計(jì)。因此，有必要考慮收集太陽能無人機(jī)潛在任務(wù)區(qū)域內(nèi)的中高空太陽輻射數(shù)據(jù)并建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型。

方向2 進(jìn)一步豐富續(xù)航評估指標(biāo)的計(jì)算模型，并探索將續(xù)航性能評估與能量管理策略設(shè)計(jì)相結(jié)合的可能性。

在計(jì)算太陽能無人機(jī)續(xù)航評估指標(biāo)時(shí)，可進(jìn)一步引入更多的復(fù)雜氣象因素，以獲得更接近實(shí)際情況的續(xù)航性能，例如在繪制文獻(xiàn)[14]所提出的續(xù)航地圖時(shí)，除了考慮任務(wù)區(qū)域內(nèi)的氣溫及其預(yù)報(bào)信息外，還可將不同天氣類型下的大氣透過率模型、光譜密度分布、風(fēng)場情況以及相應(yīng)的預(yù)測機(jī)制集成到地圖中，從而生成特定飛行軌跡下的凈能量分布地圖。另外，由于文獻(xiàn)[14]已展現(xiàn)出將其所提出的續(xù)航地圖應(yīng)用于太陽能無人機(jī)軌跡優(yōu)化的基本思路(如圖7所示)，因此在未來工作中可以考慮將二者相結(jié)合，組成一種基于續(xù)航地圖的能量管理策略，并將其應(yīng)用于特定飛行任務(wù)中，例如廣域目標(biāo)搜索任務(wù)。

方向3 開展大跨時(shí)空任務(wù)背景下特種太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究。

這里所指的特種太陽能無人機(jī)主要包括以下兩類：

1) 具有特殊機(jī)翼構(gòu)型的太陽能無人機(jī)，例如文獻(xiàn)[49-51]所提出Z型和N型變體無人機(jī)。相較于傳統(tǒng)固定翼太陽能無人機(jī)，這類無人機(jī)具有更優(yōu)秀的續(xù)航能力和應(yīng)用前景。然而，目前對其任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)研究卻相對滯后，以Z型和N型變體無人機(jī)為例，目前其研究集中在總體布局設(shè)計(jì)、能量建模和二維軌跡優(yōu)化[49-51]。因此在未來應(yīng)著重對其風(fēng)力滑翔特性和能量綜合應(yīng)用機(jī)制開展研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的大跨時(shí)空能量管理策略。另外還可積極探索除Z型和N型以外的特殊機(jī)翼構(gòu)型，并研究相應(yīng)太陽能無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。

2) 具有特殊起降能力的太陽能無人機(jī)，例如文獻(xiàn)[95]所提到的太陽能無人水上飛機(jī)(以下簡稱水上飛機(jī))和文獻(xiàn)[96]所提到的太陽能旋翼機(jī)。對于水上飛機(jī)，相較于傳統(tǒng)的太陽能無人機(jī)，其特殊性在于可通過自身安裝的浮筒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在水面的起降，這使得水上飛機(jī)在執(zhí)行大跨時(shí)空任務(wù)時(shí)，一旦面臨由夜間飛行或天氣不佳而導(dǎo)致的電能儲(chǔ)備不足的情況，可以考慮在任務(wù)區(qū)域中尋找一片適合的水域降落，待太陽輻射恢復(fù)至理想狀態(tài)時(shí)再次起飛。與之相似的還有太陽能旋翼機(jī)，其特殊性在于具有不依賴機(jī)場的起降能力和空中懸停能力。這些特殊的起降能力在提升大跨時(shí)空任務(wù)靈活性的同時(shí)，也必然會(huì)對能量管理策略的設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)，如何巧妙的將這些特殊起降能力應(yīng)用于能量管理策略中，有待進(jìn)一步研究。

方向4 探索多太陽能無人機(jī)能量管理策略協(xié)同機(jī)制及其在特定大跨時(shí)空飛行任務(wù)中的應(yīng)用。

多架太陽能無人機(jī)通過協(xié)同配合的方式執(zhí)行部分特定大跨時(shí)空飛行任務(wù)，能夠有效地提高任務(wù)效率，舉例來說，在動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤任務(wù)中，多架無人機(jī)可提供不同視角的目標(biāo)光電探測圖像，從而使地面指揮人員能夠獲得更全面的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息。另外，多機(jī)協(xié)同方式還具有較高的任務(wù)可靠性，一旦出現(xiàn)編隊(duì)中某架太陽能無人機(jī)儲(chǔ)電量不足的情況，可根據(jù)機(jī)群中其他無人機(jī)的能量儲(chǔ)備情況和飛行位置，合理分配部分無人機(jī)并協(xié)調(diào)其行動(dòng)以接替離隊(duì)無人機(jī)的位置，然后該無人機(jī)可采用能量最優(yōu)的軌跡進(jìn)行充電，待充電完畢后繼續(xù)參與任務(wù)即可。

然而遺憾的是，從3.4節(jié)的文獻(xiàn)綜述可以看出，目前針對特定大跨時(shí)空飛行任務(wù)的能量管理策略基本都是基于單架太陽能無人機(jī)的。因此在未來，針對多太陽能無人機(jī)協(xié)同能量管理策略的設(shè)計(jì)問題，應(yīng)重點(diǎn)突破其中兼顧任務(wù)效率和能量生產(chǎn)的多機(jī)最優(yōu)動(dòng)態(tài)任務(wù)分配機(jī)制以及軌跡協(xié)同優(yōu)化方法，并將協(xié)同能量管理策略應(yīng)用于更多的特定大跨時(shí)空飛行任務(wù)中。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步探索太陽能無人機(jī)與其他異構(gòu)太陽能載具(例如飛艇[97]、浮空氣球[98]、無人地面載具[99]、無人船[100]等)間的協(xié)同機(jī)制。

方向5 進(jìn)一步開展對更多類型特定大跨時(shí)空任務(wù)中能量管理策略的探索。

目前，面向特定大跨時(shí)空任務(wù)的太陽能無人機(jī)能量管理策略的研究還較為局限，僅集中在點(diǎn)對點(diǎn)飛行任務(wù)、目標(biāo)跟蹤任務(wù)和廣域目標(biāo)搜索任務(wù)，如3.4節(jié)所述。盡管已有部分研究對其他特定任務(wù)進(jìn)行了探索，例如文獻(xiàn)[35]提到的通信資源分配任務(wù)等，但這些研究在設(shè)計(jì)能量管理策略時(shí)并未充分考慮大跨時(shí)空任務(wù)背景。因此在未來工作中，可以從這類以文獻(xiàn)[35]為代表的具有一定太陽能無人機(jī)能量優(yōu)化研究基礎(chǔ)的任務(wù)入手，考慮將大跨時(shí)空任務(wù)要素與之相結(jié)合，從而進(jìn)行相應(yīng)的能量管理策略設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

本文從能量建模、續(xù)航評估和能量管理策略3個(gè)角度對大跨時(shí)空任務(wù)背景下太陽能無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，分析并總結(jié)了當(dāng)前研究中存在的問題，并闡述了未來可能的研究方向。目前，我國在該領(lǐng)域的理論與方法學(xué)研究方面已處于國際先進(jìn)的水平，涌現(xiàn)出眾多原創(chuàng)性研究成果，但在相應(yīng)任務(wù)規(guī)劃軟件與系統(tǒng)的開發(fā)工作方面，仍相對滯后。因此在未來應(yīng)積極推進(jìn)該領(lǐng)域的工程化研究，發(fā)展能量建模-續(xù)航評估-能量管理策略設(shè)計(jì)一體化任務(wù)規(guī)劃技術(shù)及其集成系統(tǒng)，并開展相關(guān)的飛行試驗(yàn)工作。