本發(fā)明涉及太陽能無人機(jī)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、太陽能無人機(jī)是一種以太陽能為唯一能量來源的無人飛行器，擁有飛行高度高、航時(shí)長、能源清潔的特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

2、常規(guī)的太陽能無人機(jī)由于其起降方式的特點(diǎn)，需靠其機(jī)翼產(chǎn)生升力使無人機(jī)離開地面，這就必然的需要達(dá)到一定的速度才能夠起飛，也就需要較長的滑跑跑道進(jìn)行起飛，又由于無人機(jī)在地面環(huán)境遇到的氣流環(huán)境是比較復(fù)雜的，其跑道上側(cè)風(fēng)風(fēng)向變化紊亂，這對太陽能無人機(jī)的起飛安全影響也是十分大的。

3、因此，有必要開發(fā)一種分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)及其設(shè)計(jì)方法。

4、公開于本發(fā)明背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對本發(fā)明的一般背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)及其設(shè)計(jì)方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)短距起降，并且由于其較好的橫向穩(wěn)定性，能夠抵抗一部分側(cè)風(fēng)，這使太陽能無人機(jī)能夠擁有較好的起降性能和起降安全性。

2、第一方面，本公開實(shí)施例提供了一種分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)，包括：

3、左側(cè)機(jī)身與右側(cè)機(jī)身，通過0#翼段將兩側(cè)機(jī)身連接；

4、左側(cè)1#翼段與右側(cè)1#翼段，分別與左側(cè)機(jī)身、右側(cè)機(jī)身的外側(cè)連接；

5、傾轉(zhuǎn)短艙，設(shè)置于1#翼段遠(yuǎn)離機(jī)身的端部；

6、傾轉(zhuǎn)旋翼，設(shè)置于所述傾轉(zhuǎn)短艙上。

7、第二方面，本公開實(shí)施例還提供了一種設(shè)計(jì)方法，包括：

8、計(jì)算太陽輻射強(qiáng)度；

9、根據(jù)設(shè)計(jì)輸入和飛行重量初值，結(jié)合能量平衡、功率平衡計(jì)算無人機(jī)的總重，并迭代優(yōu)化飛行重量；

10、針對分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)的部件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

11、優(yōu)選地，計(jì)算太陽輻射強(qiáng)度包括：

12、計(jì)算地球與太陽的距離系數(shù)f：

13、f＝1+k1?cos(2πnday/365)

14、式中：k1為調(diào)節(jié)系數(shù)，nday為日序數(shù)；

15、計(jì)算地球大氣層內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度esc：

16、

17、式中：c為非均質(zhì)大氣的吸收作用，a為大氣層的平均摩爾吸收系數(shù)，s0為太陽常數(shù)。

18、優(yōu)選地，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入和飛行重量初值，結(jié)合能量平衡、功率平衡計(jì)算無人機(jī)的總重，并迭代優(yōu)化飛行重量包括：

19、計(jì)算爬升、日間巡航、夜間巡航的飛行功率；

20、根據(jù)飛行階段的能耗與載荷日間和夜間的消耗功率能耗，確定能量平衡關(guān)系式；

21、基于能量平衡、功率平衡，并與初始重量進(jìn)行差值計(jì)算，確定無人機(jī)的總重。

22、優(yōu)選地，計(jì)算爬升、日間巡航、夜間巡航的飛行功率包括：

23、計(jì)算爬升階段所需的功率pclimb：

24、

25、式中：f1為飛行過程中機(jī)翼承擔(dān)的部分升力，為爬升率，ηpro為推進(jìn)系統(tǒng)效率，p0為傾轉(zhuǎn)旋翼所消耗的功率；

26、計(jì)算日間巡航功率pcruise_day：

27、pcruise_day＝k1mgvday/k/ηpro+k2mgvday/k/ηrotor

28、式中：k1和k2分別為推力螺旋槳產(chǎn)生推力和傾轉(zhuǎn)旋翼產(chǎn)生的拉力的占比，ηpro和ηrotor為推力螺旋槳和傾轉(zhuǎn)旋翼的效率；

29、計(jì)算夜間巡航功率pcruise_night：

30、pcruise-night＝k0(k1mgv/k/ηpro+k2mgv/k/ηrotor)

31、式中：k0為夜間巡航高度時(shí)與日間巡航高度時(shí)的消耗的功率的比值。

32、優(yōu)選地，根據(jù)飛行階段的能耗與載荷日間和夜間的消耗功率能耗，確定能量平衡關(guān)系式包括：

33、分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)依據(jù)當(dāng)日的日出時(shí)間開始爬升，根據(jù)爬升率性能計(jì)算得到無人機(jī)的爬升時(shí)間為t1，同時(shí)根據(jù)下滑率計(jì)算得到下滑時(shí)間t3，剩余的時(shí)間分別為日間巡航時(shí)間t2和夜間巡航時(shí)間t4，則飛行階段的能耗為：

34、eday＝pclimbt1+pcruise_dayt2+pslipt3

35、enight＝pcruise_nightt4

36、進(jìn)而計(jì)算載荷日間和夜間的消耗功率能耗為：

37、epld_day＝ppld(t1+t2+t3)

38、epld_night＝ppldt4

39、分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)本身機(jī)載設(shè)備所消耗的能耗為eav_day和eav_night；

40、進(jìn)而得到能量平衡關(guān)系式為：

41、ebat＝enight+epld_night+eav_night

42、esc＝eday+epld_day+eav_day+enight+epld_night+eav_night

43、其中，ebat和esc分別為儲能電池和太陽電池所需的能量供應(yīng)。

44、優(yōu)選地，基于能量平衡、功率平衡，并與初始重量進(jìn)行差值計(jì)算，確定無人機(jī)的總重包括：

45、將無人機(jī)所有的部件總和計(jì)算無人機(jī)總重，并與初始重量進(jìn)行差值計(jì)算，直至|(mtotal-m0)/m0|≤0.01，進(jìn)行迭代形成最終的無人機(jī)的總重。

46、優(yōu)選地，將無人機(jī)所有的部件總和計(jì)算無人機(jī)總重為：

47、mtotal＝mmppt+mfuse+mwing+msc+mwire+mrotor+mpro+mbat+mpld+mtilt

48、其中，mtotal為無人機(jī)總重，mbat為儲能電池重量，mwing為機(jī)翼重量，mfuse為機(jī)身重量，mrotor為傾轉(zhuǎn)旋翼重量，msc為太陽電池重量，mmppt為電源控制器重量，mwire為機(jī)載線纜重量，mpro為推進(jìn)系統(tǒng)重量。

49、優(yōu)選地，所述傾轉(zhuǎn)旋翼重量mrotor包含旋翼重量、槳轂重量以及安裝部件和槳帽的重量，即為：

50、

51、式中：σr、pr、ωr、rr、a2和fr分別為傾轉(zhuǎn)旋翼的實(shí)度、槳盤載荷、轉(zhuǎn)速、半徑、調(diào)節(jié)系數(shù)和產(chǎn)生的拉力；

52、太陽電池重量msc為：

53、msc＝ρscssc

54、式中：ρsc為太陽電池陣面密度，ssc為太陽電池鋪片面積：

55、ssc＝esc/(esc0ηscηcηmppt)

56、式中：esc0為太陽電池單位面積光電轉(zhuǎn)換的能量，ηsc為太陽電池陣光電轉(zhuǎn)換效率，ηc為太陽電池陣組損失效率，ηmppt為電源控制器效率；

57、電源控制器重量mmppt為：

58、mmppt＝1280sscηscηc/kmppt

59、式中：ssc為太陽電池鋪片面積，ηsc為光電轉(zhuǎn)換效率，ηc為損失效率，kmppt為電源控制器功重比。

60、優(yōu)選地，針對分布式傾轉(zhuǎn)旋翼太陽能無人機(jī)的傾轉(zhuǎn)旋翼的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)包括：

61、輸入傾轉(zhuǎn)旋翼的初始參數(shù)，包括設(shè)計(jì)拉力t、轉(zhuǎn)速ω、根切r0、槳葉片數(shù)k、空氣密度ρ、入流速度v、旋翼半徑r；

62、將旋翼槳葉分成n段葉素，并確定各截面處的翼型分布，輸入翼型截面處最佳迎角和升阻系數(shù)；

63、通過下式求解拉格朗日乘數(shù)k：

64、

65、計(jì)算轉(zhuǎn)換角與誘導(dǎo)攻角αi，進(jìn)而求解各特征剖面處旋翼槳葉弦長bi：

66、

67、通過動量-葉素理論求解對應(yīng)的誘導(dǎo)速度vi和來流角β*：

68、

69、進(jìn)而求解安裝角：

70、θ＝β*+αi+αbest。

71、本發(fā)明的方法和裝置具有其它的特性和優(yōu)點(diǎn)，這些特性和優(yōu)點(diǎn)從并入本文中的附圖和隨后的具體實(shí)施方式中將是顯而易見的，或者將在并入本文中的附圖和隨后的具體實(shí)施方式中進(jìn)行詳細(xì)陳述，這些附圖和具體實(shí)施方式共同用于解釋本發(fā)明的特定原理。