本發(fā)明涉及飛行汽車動力系統(tǒng)功率匹配優(yōu)化的，尤其涉及一種混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、混合推進(jìn)系統(tǒng)作為飛行汽車實(shí)現(xiàn)陸地行駛與空中飛行無縫切換的關(guān)鍵技術(shù)，在城市空中交通和智能運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的混合推進(jìn)系統(tǒng)在陸空轉(zhuǎn)換過程中存在諸多技術(shù)瓶頸，特別是在功率匹配優(yōu)化方面，難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動與渦軸發(fā)動機(jī)輸出功率的最佳組合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)功率浪費(fèi)、系統(tǒng)響應(yīng)遲緩以及推力不足等問題，嚴(yán)重影響了飛行汽車的能源利用效率和飛行穩(wěn)定性。

2、目前針對混合推進(jìn)系統(tǒng)的功率匹配優(yōu)化研究還并不十分全面，現(xiàn)有的一些相關(guān)技術(shù)方案可為該領(lǐng)域研究提供一些參考。例如：中國發(fā)明專利申請?zhí)枮閏n?201910001816?.9，名稱為“輕型固定翼無人機(jī)的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)與控制方法”中，提出了一種基于實(shí)時監(jiān)測不同飛行狀態(tài)下系統(tǒng)消耗的電能和燃油以及無人機(jī)各種動作完成時間，采用聚類算法對電機(jī)和渦軸發(fā)動機(jī)的首次輸出功率進(jìn)行調(diào)整的控制策略。但是該方法對于突發(fā)情況下的響應(yīng)速度仍然不足，特別是在緊急起飛或降落時，系統(tǒng)無法快速提供所需的推力或功率，存在一定的安全隱患；再如中國發(fā)明專利號為cn?202080034245?.x，名稱為“用于垂直起飛和著陸的航空器的混合推進(jìn)系統(tǒng)”中，提出了一種預(yù)先建立飛行階段，根據(jù)發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電機(jī)數(shù)量匹配能量支路，設(shè)定相應(yīng)數(shù)量的電能存儲組件以優(yōu)化能量傳輸路徑的方法，在保證起飛和著陸階段輸出功率的同時減少燃油和電量消耗。然而該方法對推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件方面要求較高，依賴于靜態(tài)預(yù)設(shè)的飛行階段，缺乏對實(shí)際工況變化的動態(tài)響應(yīng)能力；此外，中國發(fā)明專利號為“cn?201910471374?.4”，名稱為“一種基于飛行數(shù)據(jù)的無人機(jī)混合推進(jìn)系統(tǒng)能量管控方法”中，提出了利用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率分配優(yōu)化的方法，通過對歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和實(shí)時數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)了功率分配的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。不過該方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨較高的計(jì)算復(fù)雜度，且對系統(tǒng)硬件性能也有較高要求，在實(shí)際應(yīng)用層面具有一定的局限性。由此可見，現(xiàn)有的混合推進(jìn)系統(tǒng)功率匹配優(yōu)化方法在面對復(fù)雜多變的陸空轉(zhuǎn)換場景時，仍存在動態(tài)響應(yīng)不足、功率分配僵化以及計(jì)算復(fù)雜度高等問題。這些技術(shù)瓶頸導(dǎo)致了系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的推力不足或能量浪費(fèi)，從而影響飛行汽車的整體性能和安全性。

3、因此，如何在混合推進(jìn)系統(tǒng)的陸空轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動與渦軸發(fā)動機(jī)功率輸出的最佳匹配，成為亟待解決的技術(shù)難題。本發(fā)明旨在提供一種混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法，通過實(shí)時監(jiān)測和精確控制功率分配，確保系統(tǒng)在不同工況下都能實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的陸空轉(zhuǎn)換，從而提升能源利用效率，并確保飛行安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本部分的目的在于概述本發(fā)明的實(shí)施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實(shí)施例。在本部分以及本技術(shù)的說明書摘要和發(fā)明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發(fā)明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發(fā)明的范圍。

2、鑒于上述現(xiàn)有混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法存在的問題，提出了本發(fā)明。

3、因此，本發(fā)明目的是提供一種混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法，其通過優(yōu)化功率分配策略，旨在確保系統(tǒng)在不同工況下實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的陸空轉(zhuǎn)換，提升飛行汽車的能源利用效率和安全性。

4、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法，包括以下步驟：

5、步驟一：構(gòu)建飛行汽車的陸空轉(zhuǎn)換工況識別方法，通過多種傳感器實(shí)時監(jiān)測飛行汽車的速度、加速度、姿態(tài)角、輪胎壓力及螺旋槳轉(zhuǎn)速參數(shù)，識別陸地行駛、起飛、巡航、降落工況，并在狀態(tài)切換時觸發(fā)功率匹配優(yōu)化程序；

6、步驟二：基于步驟一中的工況識別結(jié)果，計(jì)算陸地行駛和空中飛行的功率需求；陸地行駛功率需求主要受道路摩擦力、加速需求和車輛載荷影響，而空中飛行功率需求則由空氣阻力、飛行高度和速度決定，以此為基礎(chǔ)建立功率匹配優(yōu)化模型；

7、步驟三：根據(jù)步驟二中的功率需求計(jì)算結(jié)果，制定陸空切換策略；在從陸地到空中的轉(zhuǎn)換中，先提高電機(jī)輸出功率，隨后逐漸引入渦軸發(fā)動機(jī)的功率輸出，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡；在從空中到陸地的轉(zhuǎn)換中，逐步減少渦軸發(fā)動機(jī)功率輸出，增大電機(jī)驅(qū)動力，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸，并通過自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制優(yōu)化功率分配；

8、步驟四：基于步驟三中的優(yōu)化策略，建立反饋控制機(jī)制，實(shí)時監(jiān)測功率匹配效果，并根據(jù)工況特定優(yōu)化要求對功率分配策略進(jìn)行調(diào)整，確保在不同轉(zhuǎn)換工況下功率匹配的最佳狀態(tài)，特別是針對起飛和降落階段的特殊需求進(jìn)行精細(xì)控制。

9、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟一具體包括：

10、11）多傳感器融合算法設(shè)計(jì)：利用加速度傳感器測得的縱向加速度ax、橫向加速度ay、垂直加速度az及姿態(tài)角傳感器測得的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角θ、偏航角ψ，通過卡爾曼濾波算法融合，得出飛行汽車當(dāng)前的姿態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)，公式如下：，其中，為當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)，k(k)為卡爾曼增益，z(k)為傳感器觀測值，h為觀測矩陣；

11、12）基于11）中的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)狀態(tài)切換檢測機(jī)制：當(dāng)檢測到速度v、加速度a及姿態(tài)角θ的組合達(dá)到臨界值(vc,ac,θc)?時，系統(tǒng)識別出飛行汽車的狀態(tài)切換；起飛工況的識別條件定義為：，其中，v起飛、az臨界、θ臨界為起飛臨界值。

12、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟二具體包括：

13、21）基于12）中的狀態(tài)切換檢測結(jié)果，建立陸地行駛功率需求計(jì)算模型：根據(jù)地面摩擦力fr、車輛質(zhì)量m及加速度a計(jì)算陸地行駛功率需求p陸地，公式如下：，其中，，μ為地面摩擦系數(shù)，g為重力加速度；

14、22）基于21）中的陸地行駛功率模型，建立空中飛行功率需求計(jì)算模型：空中飛行時，由空氣阻力fd和升力需求l決定的功率需求p空中，計(jì)算公式如下：，其中，cd為空氣阻力系數(shù)，為空氣密度，a為迎風(fēng)面積，為推進(jìn)系統(tǒng)效率。

15、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟三具體包括：

16、31）基于22）中的功率需求計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)從陸地到空中的功率分配策略：在起飛階段，通過提高電機(jī)輸出功率p電機(jī)，并在達(dá)到臨界速度vc后逐步引入渦軸發(fā)動機(jī)功率p發(fā)動機(jī)，公式表示如下：，其中，t切換為從陸地模式切換到空中模式的總時間，t為切換過程中當(dāng)前時刻所經(jīng)過的時間；

17、32）基于31）中的功率分配策略，設(shè)計(jì)從空中到陸地的功率轉(zhuǎn)換機(jī)制：在降落階段，逐步減少渦軸發(fā)動機(jī)功率p發(fā)動機(jī)，并增大電機(jī)驅(qū)動力p電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸：；

18、33）基于32）中的功率轉(zhuǎn)換機(jī)制，設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制：系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時風(fēng)速vw和地面摩擦力fr反饋，動態(tài)調(diào)整電機(jī)與渦軸發(fā)動機(jī)的功率輸出比例，使功率分配達(dá)到最優(yōu)，調(diào)整公式如下，其中，為調(diào)整功率增益，kp、為調(diào)整系數(shù)，vw短為設(shè)定的目標(biāo)風(fēng)速，fr短為設(shè)定的目標(biāo)地面摩擦力。

19、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟四具體包括：

20、41）基于33）中的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，設(shè)計(jì)反饋控制方程：通過實(shí)時監(jiān)測功率匹配效果，建立閉環(huán)控制方程，調(diào)整功率分配策略，使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，控制方程如下：，其中，為調(diào)整功率，為原始功率，e參考(t)為參考功率輸出，e實(shí)際(t)為實(shí)時功率輸出，k為反饋增益；

21、42）基于41）中的反饋控制方程，設(shè)計(jì)工況特定優(yōu)化控制策略：針對起飛和降落等關(guān)鍵工況，分別設(shè)計(jì)特定的控制增益k起飛和k降落，以滿足不同階段的功率需求，公式如下：，其中，函數(shù)f根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)調(diào)整控制增益。

22、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法基于混合推進(jìn)系統(tǒng)，所述混合推進(jìn)系統(tǒng)包括：電動驅(qū)動模塊、渦軸發(fā)動機(jī)模塊、能量管理模塊、推進(jìn)轉(zhuǎn)換模塊及智能功率分配控制器；

23、所述電動驅(qū)動模塊和渦軸發(fā)動機(jī)模塊相互協(xié)作，構(gòu)成飛行汽車在陸地行駛與空中飛行之間無縫轉(zhuǎn)換的核心驅(qū)動系統(tǒng)；能量管理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)實(shí)施工況分配和調(diào)節(jié)能量供應(yīng)；推進(jìn)轉(zhuǎn)換模塊將電機(jī)驅(qū)動模塊和渦軸發(fā)動機(jī)模塊的輸出集成并分配，確保飛行汽車在各種工況下運(yùn)行平穩(wěn)；智能功率分配控制器接受來自外界環(huán)境和飛行汽車自身的實(shí)時數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整各模塊的工作狀況，從而在保證能源利用效率和安全性的同時，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的陸空轉(zhuǎn)換。

24、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述電動驅(qū)動模塊包括：電機(jī)控制器、電機(jī)、電源管理單元、減速機(jī)構(gòu)及車輪驅(qū)動總成；所述電機(jī)控制器連電機(jī)與電源管理單元，通過實(shí)時監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩以及電流，控制電機(jī)管理單元放電，從而精確控制電機(jī)的輸出功率；所述電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)相連，減速機(jī)構(gòu)與車輪驅(qū)動總成相連，通過減速機(jī)構(gòu)的作用，將電機(jī)的輸出功率進(jìn)一步調(diào)整以適應(yīng)不同工況下的驅(qū)動需求；所述減速機(jī)構(gòu)采用雙級行星齒輪組設(shè)計(jì)，以提高電機(jī)的扭矩輸出，并通過電子差速控制實(shí)現(xiàn)對各車輪的獨(dú)立驅(qū)動控制，確保在轉(zhuǎn)彎及非對稱負(fù)載情況下的行駛穩(wěn)定性。

25、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述渦軸發(fā)動機(jī)模塊包括：發(fā)動機(jī)控制器、燃油管理單元、增壓系統(tǒng)、輔助動力裝置及渦軸發(fā)動機(jī)；所述發(fā)動機(jī)控制器與燃油管理單元、增壓系統(tǒng)和輔助動力裝置相連；所述燃油管理單元受發(fā)動機(jī)控制器控制，提供所需的燃油供給量；所述增壓系統(tǒng)與燃油管理單元協(xié)調(diào)工作，以調(diào)節(jié)燃油噴射量和空氣混合比，提高渦軸發(fā)動機(jī)功率和性能；所述輔助動力裝置作為支持設(shè)備，幫助在渦軸發(fā)動機(jī)關(guān)閉或低負(fù)荷時維持系統(tǒng)的基本運(yùn)行；所述渦軸發(fā)動機(jī)與燃油管理單元、增壓系統(tǒng)和輔助動力裝置相連，受三者協(xié)同控制以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工作狀態(tài)；所述增壓系統(tǒng)為可變幾何渦輪增壓器，以適應(yīng)不同飛行高度和空氣密度條件下的推力需求，確保渦軸發(fā)動機(jī)在各種飛行狀態(tài)下的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

26、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述能量管理模塊包括：能量分配控制器、高壓電池組、燃油箱及能量轉(zhuǎn)換器；所述能量分配控制器連接高壓電池組和燃油箱，實(shí)時監(jiān)測電池電量、燃油儲量及功率需求，動態(tài)調(diào)整電力和燃料的分配，以保證系統(tǒng)在不同工況下的能量供應(yīng)；所述高壓電池組連接能量轉(zhuǎn)換器，為電動驅(qū)動模塊提供電力；所述燃油箱為渦軸發(fā)動機(jī)模塊提供燃料；所述能量轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將電力與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量優(yōu)化管理；所述能量轉(zhuǎn)換器采用高效雙向dc-dc轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，能夠在電動模式和渦軸模式之間切換時快速響應(yīng)，確保功率轉(zhuǎn)換的無縫銜接。

27、作為本發(fā)明所述混合推進(jìn)系統(tǒng)陸空轉(zhuǎn)換功率匹配優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述推進(jìn)轉(zhuǎn)換模塊包括：動力耦合機(jī)構(gòu)、推力傳輸系統(tǒng)及切換控制單元；所述動力耦合機(jī)構(gòu)與推力傳輸系統(tǒng)相連，將電動驅(qū)動模塊和渦軸發(fā)動機(jī)模塊的輸出功率進(jìn)行集成和分配，實(shí)現(xiàn)飛行汽車在地面行駛與空中飛行狀態(tài)間的平穩(wěn)切換；所述推力傳輸系統(tǒng)連接切換控制單元，控制其工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)從車輪驅(qū)動模式向渦輪驅(qū)動模式的轉(zhuǎn)換，確保飛行汽車在轉(zhuǎn)換過程中保持平穩(wěn)的動力輸出；所述切換控制單元具備多級冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)在故障情況下的可靠性，確保飛行汽車在突發(fā)情況下仍能安全完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換；所述智能功率分配控制器通過can總線與電機(jī)控制器、發(fā)動機(jī)控制器及能量管理模塊進(jìn)行通信，基于飛行汽車的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)如速度、高度、加速度、傾斜角度和環(huán)境參數(shù)如風(fēng)速、氣溫，建立功率分配模型，并在陸地行駛與空中飛行狀態(tài)間切換時，動態(tài)調(diào)整電機(jī)與渦軸發(fā)動機(jī)的功率輸出比例，確保系統(tǒng)平穩(wěn)高效地完成過渡，其還通過能量管理模塊實(shí)時優(yōu)化電池和燃油的消耗，提高能源利用效率，并通過對功率輸出的精確控制，減少轉(zhuǎn)換過程中的推力損失和能量浪費(fèi)。

28、本發(fā)明的有益效果：

29、1、本發(fā)明提供了一種高效的功率匹配優(yōu)化方法，能夠?qū)崟r適應(yīng)飛行汽車在陸地與空中工況下的動態(tài)功率需求變化，確保系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)換工況下的功率輸出始終處于最優(yōu)狀態(tài)；

30、2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了陸地行駛與空中飛行之間的平滑過渡，利用自適應(yīng)的功率分配策略，顯著減少了切換過程中的能量損失和系統(tǒng)不穩(wěn)定性，確保飛行汽車在各種工況下的平穩(wěn)運(yùn)行；

31、3、本發(fā)明通過引入閉環(huán)反饋控制機(jī)制和自適應(yīng)調(diào)整策略，系統(tǒng)能夠在面對不同環(huán)境條件和突發(fā)變化時，快速響應(yīng)并優(yōu)化功率分配，確保系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)，從而大幅提升了飛行安全性和能源利用效率。