太阳能无人机升阻比实时测试方法、电子设备及介质与流程

1.本发明涉及太阳能无人机领域，更具体地，涉及一种太阳能无人机升阻比实时测试方法、电子设备及介质。


背景技术：

2.太阳能无人机是一种极具发展潜力的新型飞行器，它以太阳能为动力来源，无需携带任何燃料，理论上可以实现永久空中飞行。相比常规无人机，太阳能无人机最大的特点就是飞行高度高、航时超长、能量利用率要求极高等。太阳能无人机的升阻比指标直接影响太阳能无人机的载重能力，影响太阳能无人机的飞行高度和航时，是太阳能无人机的核心设计指标，所以太阳能无人机升阻比这一指标的设计复合性尤为关键。目前对于太阳能无人机升阻比的测试方法有限，大都是利用飞行速度、加速度等飞行数据完成升阻比的估算，准确度不得而知。
3.因此，有必要开发一种太阳能无人机升阻比实时测试方法、电子设备及介质。
4.公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种太阳能无人机升阻比实时测试方法、电子设备及介质，其基于轴向纯电磁轴承实现，无需增加任何附加硬件设备，即可实现太阳能无人机飞行期间的升阻比实时获取，方法简单实用，切实可行，物理意义明确，结合对应时刻无人机姿态等参数信息，可有效应用于太阳能无人机总体气动性能分析，对太阳能无人机的总体设计起指导作用。
6.第一方面，本公开实施例提供了一种太阳能无人机升阻比实时测试方法，包括：
7.建立太阳能无人机的轴向单侧等效磁路模型，计算磁路的总磁阻；
8.根据所述总磁阻，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力；
9.根据每一套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，计算所述太阳能无人机的推力；
10.计算所述太阳能无人机的升力与阻力，进而计算升阻比。
11.优选地，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力包括：
12.根据所述总磁阻，分别计算x轴正向、负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力；
13.根据x轴正向、负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，计算所述磁悬浮轴承产生的磁力合力。
14.优选地，通过公式(1)计算x轴正向的侧磁悬浮轴承产生的吸力：
[0015][0016]
其中，f
x
为x轴正向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，r为总磁阻，r1、r2、r3、r4分别为定子的内环外径、内环内径、外环内径、外环外径，n为线圈匝数，μ0为真空磁导率，i1为x正向部分线圈电流大小。
[0017]
优选地，通过公式(2)计算x轴负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力：
[0018][0019]
其中，f-x
为x轴负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，i2为x负向部分线圈电流大小。
[0020]
优选地，通过公式(3)计算所述磁悬浮轴承产生的磁力合力：
[0021]
f＝f-x-f
x
+m1a
x
ꢀꢀ
(3)
[0022]
其中，f为磁悬浮轴承产生的磁力合力，m1为转子系统质量。
[0023]
优选地，通过公式(4)计算所述太阳能无人机的推力：
[0024][0025]
其中，f
t
为太阳能无人机的推力，fj为第j套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，n为推进系统的数量。
[0026]
优选地，通过公式(5)计算所述太阳能无人机的升力：
[0027]ff
＝maz+g
ꢀꢀ
(5)
[0028]
通过公式(6)计算所述太阳能无人机的阻力：
[0029]fr
＝f
t-ma
x
ꢀꢀ
(6)
[0030]
其中，ff为升力，fr为阻力，m为太阳能无人机的质量，g为太阳能无人机的重力，az为当前时刻的上升加速度。
[0031]
优选地，通过公式(7)计算所述升阻比：
[0032]
k＝ff/frꢀꢀ
(7)
[0033]
其中，k为升阻比。
[0034]
作为本公开实施例的一种具体实现方式，
[0035]
第二方面，本公开实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：
[0036]
存储器，存储有可执行指令；
[0037]
处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。
[0038]
第三方面，本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。
[0039]
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实
施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0040]
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0041]
图1示出了根据本发明的一个实施例的太阳能无人机用轴向磁悬浮轴承的截面示意图。
[0042]
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的磁路区域划分与等效磁路的示意图。
[0043]
图3示出了根据本发明的一个实施例的太阳能无人机升阻比实时测试方法的步骤的流程图。
[0044]
图4示出了根据本发明的一个实施例的太阳能无人机的示意图。
[0045]
附图标记说明：
[0046]
1、x正向的定子铁芯；2、x正向的线圈；3、x负向的线圈；4、x负向的定子铁芯；5、转子轴；5-a、转子轴上的推力盘。
具体实施方式
[0047]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0048]
本发明提供一种太阳能无人机升阻比实时测试方法，包括：
[0049]
建立太阳能无人机的轴向单侧等效磁路模型，计算磁路的总磁阻；
[0050]
根据总磁阻，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力；
[0051]
根据每一套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，计算太阳能无人机的推力；
[0052]
计算太阳能无人机的升力与阻力，进而计算升阻比。
[0053]
在一个示例中，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力包括：
[0054]
根据总磁阻，分别计算x轴正向、负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力；
[0055]
根据x轴正向、负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力。
[0056]
在一个示例中，通过公式(1)计算x轴正向的侧磁悬浮轴承产生的吸力：
[0057][0058]
其中，f
x
为x轴正向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，r为总磁阻，r1、r2、r3、r4分别为定子的内环外径、内环内径、外环内径、外环外径，n为线圈匝数，μ0为真空磁导率，i1为x正向部分线圈电流大小。
[0059]
在一个示例中，通过公式(2)计算x轴负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力：
[0060][0061]
其中，f-x
为x轴负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，i2为x负向部分线圈电流大小。
[0062]
在一个示例中，通过公式(3)计算磁悬浮轴承产生的磁力合力：
[0063]
f＝f-x-f
x
+m1a
x
ꢀꢀ
(3)
[0064]
其中，f为磁悬浮轴承产生的磁力合力，m1为转子系统质量。
[0065]
在一个示例中，通过公式(4)计算太阳能无人机的推力：
[0066][0067]
其中，f
t
为太阳能无人机的推力，fj为第j套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，n为推进系统的数量。
[0068]
在一个示例中，通过公式(5)计算太阳能无人机的升力：
[0069]ff
＝maz+g(5)
[0070]
通过公式(6)计算太阳能无人机的阻力：
[0071]fr
＝f
t-ma
x
(6)
[0072]
其中，ff为升力，fr为阻力，m为太阳能无人机的质量，g为太阳能无人机的重力，az为当前时刻的上升加速度。
[0073]
在一个示例中，通过公式(7)计算升阻比：
[0074]
k＝ff/f(7)
[0075]
其中，k为升阻比。
[0076]
图1示出了根据本发明的一个实施例的太阳能无人机用轴向磁悬浮轴承的截面示意图。
[0077]
具体地，本方法原理上重点是太阳能无人机推力的获取。对于任意磁轴承结构，都存在着等效磁路，所以本方法的磁路分析和推力求解建模的原理对各类型的轴向纯电磁磁悬浮轴承都适用。因此，以图1所示结构为例，对所述太阳能无人机升阻比实时测试方法中推力测试的原理说明如下。
[0078]
如图1所示，转子轴外径为r0，定子内环外径为r1、内环内径为r2、外环内径为r3、外环外径为r4，单边气隙长度为g，推力盘厚度为h1，绕组槽轴向长度为h2，绕组磁极顶部轴向厚度为h3。此外，线圈匝数为n，μ0为真空磁导率，μr为铁芯相对磁导率，m1为转子系统质量。假设转子轴沿x轴正向位移为δg，x正向部分线圈电流大小为i1，x负向部分线圈电流大小为i2。
[0079]
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的磁路区域划分与等效磁路的示意图。
[0080]
以x轴正向一侧为例进行分析，将轴向磁轴承磁路分为几个不同的部分(忽略漏磁)，二维截面示意图如图2a所示(圆环结构，所以仅展示截面中对称部分)。区域1包括内侧磁极顶部的过渡区域，内侧磁极对应的气隙，以及内侧磁极对应的推力盘中的过渡区域组成，区域3包括外侧磁极顶部的过渡区域，外侧磁极对应的气隙，以及外侧磁极对应的推力
盘中的过渡区域组成，在这两个区域中过渡区域的磁力线沿径向分布，而气隙中的磁力线与轴向平行；区域2为推力盘中除去区域1和区域3以外的部分，区域5为在定子中与区域2相对应的部分，区域2和区域5中的磁力线都是平行于径向方向；区域4为定子内环中除去区域1的部分，区域6为定子外环中除去区域3的部分，这两个区域中磁力线均平行于轴向方向。每个区域对应的等效磁阻分别为r1、r2、r3、r4、r5、r6：
[0081][0082][0083][0084][0085][0086][0087]
等效磁路模型为简单的串联模型，等效磁路示意图如图2b所示。显而易见，磁路中总磁阻r为
[0088][0089]
所以x轴正向侧磁悬浮轴承产生的吸力f
x
的数学模型可通过公式(1)所得。
[0090]
x轴负向一侧仅气隙大小和线圈电流与x轴正向侧不同，所以f-x
为公式(2)。假设太阳能无人机的前向加速度为a
x
，对转子系统受力分析，可知所以此状态下磁悬浮轴承产生的磁力合理大小如公式(3)所示。
[0091]
假设太阳能无人机有n套推进系统，则同上述原理可分别对应求出磁悬浮轴承产生的电磁力大小分别为f1～fn。
[0092]
简单的受力分析，可知太阳能无人机推力大小等于推进系统推力的合力大小，如公式(4)所示。
[0093]
假设太阳能无人机的质量为m，重力为g，对应时刻的上升加速度为az。则可求的太阳能无人机的升力，如公式(5)所示，太阳能无人机的阻力如公式(6)所示。最终，通过公式(7)求得太阳能无人机的升阻比。
[0094]
由上述原理分析可知，绝大部分参数都是确定参数值，而随飞行变化的变量仅有磁悬浮轴承气隙长度、线圈电流和加速度。而上述参数均可以在飞行期间实时获取，并完成解算。因此，所述太阳能无人机升阻比实时测试方法原理清晰，切实可行。
[0095]
本方法的升阻比计算(建模)所需的自变量模型大多数已知，仅气隙长度、线圈电流大小和加速度等参数需要实时测量。所有参数的测量和解算等由无人机原有机载设备完成，无需额外增加设备。
[0096]
本发明还提供一种电子设备，电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的可执行指令，以实现上述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。
[0097]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。
[0098]
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出三个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
[0099]
实施例1
[0100]
图3示出了根据本发明的太阳能无人机升阻比实时测试方法的步骤的流程图。
[0101]
如图3所示，该太阳能无人机升阻比实时测试方法包括：步骤101，建立太阳能无人机的轴向单侧等效磁路模型，计算磁路的总磁阻；步骤102，根据总磁阻，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力；步骤103，根据每一套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，计算太阳能无人机的推力；步骤104，计算太阳能无人机的升力与阻力，进而计算升阻比。
[0102]
以图4所示意的太阳能无人机说明，轴向磁悬浮轴承仍以图1所示轴承为例，参数赋值如下表1所示。
[0103]
表1
[0104][0105][0106]
由上述原理计算，可得到每个区域对应的等效磁阻分别为
[0107][0108][0109]
[0110][0111][0112][0113]
等效磁路模型为简单的串联模型，等效磁路示意图如图2b所示。显而易见，磁路中总磁阻
[0114]
所以x轴正向侧磁悬浮轴承产生的吸力
[0115][0116]
x轴负向一侧仅气隙大小和电流大小与x轴正向侧不同，所以同理可求得f-x
＝497n。假设无人机目前前向加速度ax为0.8m/s，纵向加速度a为0.1m/s，无人机重量约为500kg。此状态下磁悬浮轴承产生的磁力合力大小为f＝f-x-f
x
+m1a
x
＝184n。
[0117]
假设太阳能无人机有3套推进系统，每套推进系统参数相同，则可知无人机的推力基于上述假设，可求得太阳能无人机的升力ff＝maz+g＝4950n，太阳能无人机的阻力fr＝f
t-ma
x
＝152n，则求得太阳能无人机的升阻比k＝ff/fr＝32.6。
[0118]
实际应用中，气隙长度变化δg、x正向部分线圈电流大小i1、x负向部分线圈电流大小i2的获取由太阳能无人机磁轴承控制系统实现，并按规定协议实时传输至飞控计算机，由飞控计算机综合太阳能无人机飞行速度、加速度等参数，完成升阻比的实时解算和保存。
[0119]
实施例2
[0120]
本公开提供一种电子设备，该电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的可执行指令，以实现上述太阳能无人机升阻比实时测试方法。需特别说明的是：仅要求设备的构成、功能和实现形式，不排斥与机上设备集成化设计。
[0121]
根据本公开实施例的电子设备包括存储器和处理器。
[0122]
该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。
[0123]
该处理器可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力
的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
[0124]
本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本公开的保护范围之内。
[0125]
有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。
[0126]
实施例3
[0127]
本公开实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。
[0128]
根据本公开实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本公开各实施例方法的全部或部分步骤。
[0129]
上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：cd－rom和dvd)、磁光存储介质(例如：mo)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置rom的媒体(例如：rom盒)。
[0130]
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
[0131]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

技术特征：
1.一种太阳能无人机升阻比实时测试方法，其特征在于，包括：建立太阳能无人机的轴向单侧等效磁路模型，计算磁路的总磁阻；根据所述总磁阻，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力；根据每一套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，计算所述太阳能无人机的推力；计算所述太阳能无人机的升力与阻力，进而计算升阻比。2.根据权利要求1所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力包括：根据所述总磁阻，分别计算x轴正向、负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力；根据x轴正向、负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，计算所述磁悬浮轴承产生的磁力合力。3.根据权利要求2所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，通过公式(1)计算x轴正向的侧磁悬浮轴承产生的吸力：其中，f
x
为x轴正向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，r为总磁阻，r1、r2、r3、r4分别为定子的内环外径、内环内径、外环内径、外环外径，n为线圈匝数，μ0为真空磁导率，i1为x正向部分线圈电流大小。4.根据权利要求3所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，通过公式(2)计算x轴负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力：其中，f-x
为x轴负向的侧磁悬浮轴承产生的吸力，i2为x负向部分线圈电流大小。5.根据权利要求4所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，通过公式(3)计算所述磁悬浮轴承产生的磁力合力：f＝f-x-f
x
+m1a
x
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，f为磁悬浮轴承产生的磁力合力，m1为转子系统质量。6.根据权利要求1所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，通过公式(4)计算所述太阳能无人机的推力：其中，f
t
为太阳能无人机的推力，f
j
为第j套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，n为推进系统的数量。7.根据权利要求6所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，通过公式(5)计算所述太阳能无人机的升力：f
f
＝ma
z
+g
ꢀꢀꢀꢀ
(5)通过公式(6)计算所述太阳能无人机的阻力：
f
r
＝f
t-ma
x
ꢀꢀꢀ
(6)其中，f
f
为升力，f
r
为阻力，m为太阳能无人机的质量，g为太阳能无人机的重力，a
z
为当前时刻的上升加速度。8.根据权利要求7所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法，其中，通过公式(7)计算所述升阻比：k＝f
f
/f
r
ꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，k为升阻比。9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现权利要求1-8中任一项所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8中任一项所述的太阳能无人机升阻比实时测试方法。

技术总结
本申请公开了一种太阳能无人机升阻比实时测试方法、电子设备及介质。该方法可以包括：建立太阳能无人机的轴向单侧等效磁路模型，计算磁路的总磁阻；根据总磁阻，计算磁悬浮轴承产生的磁力合力；根据每一套推进系统的磁悬浮轴承产生的磁力合力，计算太阳能无人机的推力；计算太阳能无人机的升力与阻力，进而计算升阻比。本发明基于轴向纯电磁轴承实现，无需增加任何附加硬件设备，即可实现太阳能无人机飞行期间的升阻比实时获取，简单实用，切实可行，物理意义明确，结合对应时刻无人机姿态等参数信息，可有效应用于太阳能无人机总体气动性能分析，对太阳能无人机的总体设计起指导作用。用。用。


技术研发人员：俱子研 兰根龙 王政 黄泳诚 郭林
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/4/18