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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的基于ECMS与PPO算法的无人机混合动力能量管理方法，属于四旋翼无人机动力技术领域。本发明实现方法为：通过构建四旋翼动力学模型、考虑海拔高度的发动机仿真模型与无人机混合动力系统模型，并采集的无人机飞行工况参数，通过ECMS策略构建考虑动力电池能耗的等效燃油消耗率，构建由等效燃油消耗率、SOC稳定性、电池温度组成的多目标优化奖励函数；通过PPO算法对对目标优化问题进行迭代求解，依据寻找奖励值递增的动作原则和参数更新公式不断更新参数，输出奖励值收敛到最大的动作值，即满足目标函数无人机混合动力能量管理最优结果，进而实现对于发动机输出功率的连续实时控制与能量的最佳分配，提高混动系统经济性、续航性、可靠性。

主权项：1.基于ECMS和PPO算法的无人机混合动力能量管理方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，针对四旋翼机各部件建立四旋翼机非线性动力学模型，采集四旋翼无人机飞行参数包括旋翼转速、飞行高度h和动力电池电压U；将机身模型、机身力与力矩模型、旋翼模型、旋翼力与力矩模型叠加得到整体多旋翼机非线性动力学模型，根据设计工况得到整机功率需求，将功率需求数据联合后续步骤二，三，四，五构建的发动机混合动力系统模型进行仿真计算；步骤二，建立混合动力系统模型，所述混合动力系统包括转子发动机、交流发电机、整流稳压器、动力电池组、电池管理系统；转子发动机，通过发电机为电机提高电能或为动力电池充电；交流发电机，将转子发动机动能转换为电能；整流稳压器，将交流发电机的交流电转换为直流电，并将电压稳定在动力电池电压附近为其充电；动力电池组，为电机提供电能，储存发动机动能；发动机控制器，主要控制电子油门，调节转子发动机转速；电池管理系统，实时监测动力电池的SOC状态；发动机驱动发电机工作，发电机的输出经整流调压后输出稳定的电压范围，稳定的电压范围与动力电池组并联后进行输出；整流稳压器实现发动机-发电机组与动力电池的完全解耦，确保发动机工况不受飞行器飞行工况和电池端电压的影响，使其始终工作在高效率区，不用频繁的控制发动机转速变化；步骤三，建立考虑海拔高度转子发动机仿真模型；基于不同海拔高度建立的转子发动机仿真模型，根据国际标准大气修改发动机模型的进气环境参数，包括温度，压力和空气密度；在不同的海拔高度建立发动机不同海拔模型，以转速和转矩为输入，发动机油耗为输出，根据旋翼机的飞行高度对不同海拔高度h1,h2…hn的油耗b1,b2…bn进行拉格朗日线性插值，即能够得到发动机在一定海拔范围内各海拔高度的发动机性能参数，得到变海拔高度的发动机查表模型，提高模型在不同海报高度下的发动机性能预测准确度；步骤四，通过动力电池SOC的变化与电池容量，依据生热公式、热平衡方程推导计算电池温度建立电池生热模型；动力电池的温度升高的原因主要包括欧姆内阻生热与电池内部化学反应产热；步骤五，将锂电池电能等效为油油耗，利用哈密顿优化函数构建考虑发动机油耗和电能等效油耗的无人机等效燃油消耗函数模型，通过所述动力系统代价函数解表征动力电池部分能源消耗，提高对系统燃油经济性评估的准确度；步骤六，通过构建多目标优化的奖励函数，将等效燃油消耗率，SOC稳定性，电池温度纳入优化目标，并通过理想点法逼近评价函数的最优解，确定多目标优化奖励函数的各项权重系数，取代传统的经验法，实现系统经济性，可靠性的最佳权衡；步骤七，通过PPO算法对步骤六构建的对目标优化问题进行迭代求解，基于PPO算法解算出出每个动作值所对应的奖励值，依据寻找奖励值递增的动作原则和参数更新公式，不断更新神经网络的参数，输出奖励值收敛到最大的动作值，即满足目标函数的无人机混合动力能量管理最优结果，所述无人机混合动力能量管理最优结果指使得步骤六中多目标优化的奖励函数最大的发动机功率最优控制曲线；步骤八：四旋翼无人机的发动机输出功率对步骤七中得到的发动机最优输出功率曲线进行跟随，电池输出功率通过步骤二中系统需求功率、发动机输出功率、动力电池输出功率的关系得到，根据ECMS算法与PPO算法优化后的混合动力能量管理结果进行无人机混合动力能量管理，提高混合动力系统的燃油经济性能、续航性能与动力电池工作稳定性。

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