【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机收集风能的可行性验证，尤其涉及一种模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法。
技术介绍
1、受自然界智能动物飞行技能的启发，研究者逐渐了解了鸟类如何获取梯度风场。为了利用切变风，信天翁等大型鸟类已经在各种形式的大气流动中发展出了能量。它们通常利用上升气流、海切变风和山坡，不拍打翅膀就能在海洋上空飞行数千公里的“动力翱翔”策略。通过对16只背羽上装有伐木装置的信天翁进行跟踪，验证了信天翁的能量获取行为分为四个阶段。与信天翁相比，栖息在森林中的鸟类分别利用温差和屏障引起的热流和波浪上升气流来觅食。典型的例子是游隼和护卫舰鸟，它们被证实可以成功地利用热能进行静态翱翔，从而减少能量消耗。因此，有效利用由换热或自然障碍物引起的对流将是长航时固定翼微型无人机(fmuau)研究的一个突破口。
2、为了模仿用fmuau在城市或山区翱翔的鸟类，人们进行了大量的模拟和实验研究。在控制无人机收集能量方面，采用自适应lq控制器在热中心周围自动徘徊进行热量的利用。多滑翔机的协同飞行任务也进行了研究，在没有热气流云的情况下，采用静态翱翔。综上所述，静态翱翔一直是研究者们热衷研究的课题之一，并取得了巨大的进展。
3、然而，目前对能量收集的研究主要集中在热上升气流中，而对波浪上升气流的研究较少。尽管有人成功地捕捉到了山上的上升气流，但由风撞击障碍物产生的地形上升气流是通过势流计算确定的。然而，势流理论在模拟中未能捕捉到非恒定涡的影响。此外，在实际飞行试验中，风速的不确定性、飞行器状态的估计误差以及传感器的测量
4、固定翼微型无人机在地理环境中翱翔，在民用和军事领域发挥着不可替代的作用。为了高效、完整地完成任务，扩大射程和耐力是至关重要的。然而，它们的续航能力一直是一个挑战。受静态和动态翱翔的启发，本专利技术旨在探讨山坡上能源利用的可行性。本专利技术将利用飞机的纵向动力学公式，考虑气流环境与滑翔机相互作用的风场模拟和能量收集过程，验证特定区域无人机收集风能的可行性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法。本专利技术通过模拟地形环境，验证无人机在某一特定区域收集风能的可行性。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，包括以下步骤：
3、(1)从国家地理信息系统中提取感兴趣区域地形的高程数据，对其进行整理并在pointwise软件中绘制结构化网格；
4、(2)将步骤(1)中的网格信息导入到openfoam平台中，基于该网格信息，在openfoam平台中使用大涡模拟数值计算方法对整片流场域的气流速度进行计算，并收集大气流的速度信息；
5、(3)构建固定翼无人机动力学系统数学方程；
6、(4)基于大气流的速度信息和固定翼无人机动力学系统数学方程进行仿真模拟，通过计算仿真模拟过程中的能量验证无人机是否能够收集风能。
7、进一步地，所述步骤(1)中，所述高程数据的精度为12.5米；
8、所述步骤(1)中，在绘制结构化网格的过程中，还可将其替换非结构化网格。
9、进一步地，所述使用大涡模拟数值计算方法对整片流场域的气流速度进行计算，具体包括：
10、通过过滤物理空间中的n-s方程来描述粘性流体的动量守恒，其计算公式为：
11、
12、式中，ρ表示密度，x表示物理量，p表示压力，μ表示亚网格湍流粘度，τij表示第i行第j列的亚网格尺度应力，u表示速度矢量，上标～表示滤波操作；
13、基于上述计算公式进行变形，以计算整片流场域的气流速度。
14、进一步地，所述构建固定翼无人机动力学系统数学方程，具体包括：
15、首先参考纵向二维动力学公式的方式，确定固定翼无人机的绝对运动等于气流坐标系运动加上相对运动，表示为：
16、
17、式中，表示无人机的速度在惯性坐标系下的矢量，下标i表示无人机所处的惯性坐标系；表示在气流坐标系下无人机的速度相对于空速的矢量，下标a表示无人机所处的气流坐标系；表示风速的矢量；
18、然后在等式两边同时对时间求导并移项，得到：
19、
20、式中，ω表示气流坐标系沿ja轴的旋转角速度，×表示向量的叉乘，va表示气流坐标系下的空速，上标·表示导数；
21、再设置并在气流坐标系下运用牛顿第二定律，得到：
22、
23、式中，t表示推力，无动力滑翔机的推力t＝0；m表示质量，g表示重力加速度，ka表示气流坐标系下的基向量，l表示垂直气流方向的升力，d表示沿着来流方向的阻力，其表达式分别为：
24、
25、g＝gki
26、式中，ρ表示密度，s表示翼面积，ki表示垂直基向量，cl表示升力系数，cd表示阻力系数；
27、其次，将惯性坐标系下的风场转换到气流坐标系下，二者的二维转换矩阵如下所示：
28、
29、式中，sγ表示二维转换矩阵，γ表示航迹角；
30、然后，定义俯仰角θ，根据二维转换矩阵得到俯仰角θ与航迹角γ的关系，表示为θ＝α-γ，其中α表示迎角，设置俯仰角速率将其代入牛顿第二定律方程推导出风场作用下二维纵向动力学方程，表示为：
31、
32、式中，q表示动压，ct表示推力系数，wx表示来流风速，wz表示上升气流，q表示角加速度，sc表示翼面积弦长，cm表示力矩系数，iyy表示惯性矩。
33、进一步地，所述步骤(4)中，将无人机的总能量定义为：
34、
35、式中，ea表示无人机在气流坐标系下的总能量，下标a表示气流坐标系，h表示高度，va表示空速；基于无人机的总能量获取比能量随时间的变化率，其表达式为：
36、
37、式中，表示能量变化率；基于比能量随时间的变化率和固定翼无人机动力学系统数学方程整理后得到：
38、
39、上式中，当计算出的时，即表示无人机能够收集风能。
40、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
41、(1)本专利技术在数值模拟中，提出一种能量收集框架来模拟无人机利用复杂地形引起的上升气流，利用12.5m分辨率的山坡高程数据作为模拟飞行实验场地的物理信息。
42、(2)本专利技术利用大涡模拟计算山坡周围环境的湍流风场，以便在特定地形条件下进行更真实的模拟，实践证明，滑翔机可以在没有动力系统支持和燃油消耗的情况下，利用山坡上升气流，提高总能量。
43、(3)本专利技术通过实验发现能量变化的主要来源包括垂直方向、风速和阻力；而与上升气流和阻力相比，时变风对能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述高程数据的精度为12.5米；
3.根据权利要求1所述的模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，所述使用大涡模拟数值计算方法对整片流场域的气流速度进行计算，具体包括：
4.根据权利要求1所述的模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，所述构建固定翼无人机动力学系统数学方程，具体包括：
5.根据权利要求1所述的模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将无人机的总能量定义为：
【技术特征摘要】
1.一种模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述高程数据的精度为12.5米；
3.根据权利要求1所述的模拟大气上升气流和无人机收集风能的可行性验证方法，其特征在于，所述使用大涡模...
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