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海洋小型固定翼无人机续航能力提升研究提出串联混合动力系统（SHPS）与复合能源管理策略，通过实时优化发动机工作点与电池荷电状态，显著降低燃料消耗。实验表明，相比传统内燃机系统与理想运行线策略，该方案分别提升燃料效率35.7%和31.2%，且系统结构更简化适配紧凑机身。
Jianglei Zhou|Zhaoyu Wei|Weiqiang Hu
上海交通大学海洋学院，中国华山路1954号
摘要
用于连续海上任务的海洋无人机需要具备出色的耐力和机动性。然而，传统的固定翼长航时无人机在低功率运行时往往存在燃油效率低的问题，这限制了它们的续航能力。本文提出了一种基于串联混合动力系统（SHPS）的复合能源管理策略来解决这一挑战。通过分析多种混合动力架构，选择了一种专门用于缓解低功率效率问题的SHPS。该能源效率策略将发动机维持在最佳运行点（BOP），以优化效率，并同时管理电池电量（SOC），从而提高充放电效率和稳定性。此外，还开发了一个数学模型来对燃油经济性进行敏感性分析，并通过多约束优化确定最佳飞行参数。仿真结果显示，与传统的内燃机系统和理想运行线策略相比，该配置的燃油经济性分别提高了35.7%和31.2%，展现了其优越性。
引言
随着人类探索活动向海岸、岛屿和海洋等不同领域的深入扩展，长航时小型海洋无人机（UAV）被广泛应用于各种类型的科学研究活动中[1]、[2]、[3]。然而，无人机运行面临的一个严重问题是续航时间较短[4]，尤其是在偏远和复杂的海洋环境中[5]。典型的解决方案是配置内燃机（ICE）动力系统[6]、[7]。然而，不可忽视的是，由于负载较低，内燃机在长时间运行时通常效率较低[8]、[9]。对于小型无人机而言，这种效率低下问题尤为明显：在相同的功率与额定功率比下，小排量发动机的热效率明显低于大排量发动机，这是由于燃烧不充分所致[10]。因此，燃油经济性的不足会导致大量燃油浪费和温室气体（GHG）排放，尤其是在长航时巡航任务中[11]。
无人机电气化被广泛认为是提高能源效率和减少排放的关键手段[12]、[13]。不幸的是，全电动推进方案仍无法满足航空航天领域长航时任务的要求，这主要是由于电池存储和密度技术的限制[1]。为了实现长航时飞行任务并提高小型无人机的能源效率，最近的研究重点在于升级混合动力系统并优化能源管理策略[14]。
BAE系统开发了一种名为PHASA-35的持久高空飞行器，该飞行器由太阳能和燃料电池驱动，用于监视、边境控制、通信和救灾[15]。同样，埃斯基谢希尔技术大学开发了一种由氢燃料电池和锂离子电池组成的混合动力无人机测试平台[16]。值得注意的是，基于燃料电池的混合动力系统往往体积较大，因此不适合空间有限的小型无人机[1]。雷神科技公司正在开发一种涡轮发电机混合动力解决方案，以大幅提高轻型飞机的燃油效率，这与行业到2050年实现净零碳排放的目标一致[17]。Yezeguelian等人[18]将发动机替换为有机朗肯循环增强型发动机，使续航时间增加了约11%。然而，这种改动导致发动机重量增加，从而抵消了预期的效率提升。此外，比勒陀利亚大学开发了一种由内燃机和电池组成的混合动力电动无人机模型，在特定巡航速度下可降低9.6%的能耗[19]。小型无人机体积小、空间有限，因此混合动力架构设计必须考虑系统复杂性，以避免额外的重量增加。
无人机能源管理算法可以分为四类：基于规则的、基于智能的、基于优化的以及其他方法[20]。基于规则的能源管理策略通过预设控制变量的阈值来优化功率分配，从而实现实时在线功率分配，且计算负担较低。Lee等人[21]设计了一种由太阳能电池/质子交换膜燃料电池/电池驱动的无人机，并进行了3.6小时的飞行测试，证明了其有效性。Zhu等人[22]引入了一种基于理想运行线（IOL）控制器的规则策略，与基于规则的策略相比，燃油消耗降低了2.8%。基于智能的能源管理策略试图模仿自然行为，通常涉及模糊逻辑和神经网络控制等熟悉的技术。然而，这些方法会增加额外的计算和存储负担，并可能偶尔出现性能下降[23]。基于优化的能源管理策略（如动态规划和庞特里亚金最小值原理）计算量较大，只能离线实施。Zhang等人[24]使用直接动态规划方法求解了飞机的最佳加速度，整个过程大约需要0.5小时。Xie等人[25]引入了一种凸优化策略，显著提高了混合动力航空能源系统的燃油经济性，相比动态规划方法节省了大量时间，展示了其在实际应用中的潜力。Tian等人[26]提出了一种基于模型预测控制的自适应分层能源管理策略，展示了混合动力电动无人机在线功率分配的潜力。总体而言，在小型无人机的情况下，平衡最佳解决方案的有效性和计算负担仍然具有挑战性，通常可以牺牲一定的优化性能以换取更易管理的计算负担。
为应对这些挑战，本研究旨在通过关注混合动力系统架构和能源管理策略来提高小型固定翼海洋无人机的燃油效率。AAI Aerosonde无人机被用作代表性的原型案例进行研究。
本文的结构如下：第2节介绍了基于规则的最佳运行点（BOP）- 电池电量（SOC）恒温器能源管理策略；第3节建立了串联混合动力无人机的能量传输效率模型；第4节展示了仿真和计算结果；第5节从技术和应用角度讨论了研究结果；第6节提出了结论性意见。
混合动力系统分类
混合动力系统的分类
根据动力架构的不同，混合动力系统可以分为三种主要类型[27]、[28]，如图1、2、3所示：串联混合动力系统（SHPS）、并联混合动力系统（PHPS）和串并联混合动力系统（SPHPS）。其中，能量流动方向由连接箭头指示，实线和虚线分别代表机械连接和电气连接。
SHPS是一种完全由电动机驱动的动力系统，
平衡方程
在本研究中，使用经典的AAI Aerosonde无人机作为参考原型来评估所提出的SHPS配置和能源效率策略。质量点模型用于近似无人机的前向飞行运动，力分析如图6所示进行了简化。
为了考虑爬升和降落机动，对平移飞行方程进行了调整。x轴表示投影在地面的速度方向，y轴表示...
燃油经济性敏感性分析
飞机重量和巡航飞行高度等参数决定了飞行所需的功率水平，而硬件的能源效率和管理策略则决定了整体燃油利用率。
讨论
本研究的一个关键发现是SHPS在小型固定翼长航时无人机中的优势作用。SHPS可以匹配低功率任务，提高巡航期间的效率。此外，SHPS消除了对离合器变速箱的需求，简化了系统结构，使其更适应紧凑的空间布局。原型修改的成本显著降低，使其成为小型无人机开发的理想选择。
这一发现的重要性...
结论
本研究为管理小型海洋无人机的长期能源效率提供了方法论支持，并强调了SHPS在此方面的优势。此外，它表明未来实施先进策略将进一步提升性能。得出以下关键结论：
•SHPS配置适用于主要处于巡航模式下的固定翼无人机，在低功率需求下显著提高燃油效率。本文提出的数学模型...
作者贡献声明
Jianglei Zhou：撰写——原始草案、可视化、方法论、概念化。Zhaoyu Wei：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、形式分析。Weiqiang Hu：撰写——审稿与编辑、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
