学术报告摘要
北京航空航天大学与香港城市大学智能安全氢动力科研团队针对氢能无人机在长航时自主飞行中的节能轨迹规划、氢电混动系统高效率能量管理等问题展开合作研究，提出了一种高能效的规划与管理一体化框架，用于氢能无人机自主飞行中的轨迹规划与能量管理协同优化问题，相关成果发表于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（IEEE 和 ASME 联合出版期刊、一区TOP）。相比于传统的分层优化策略，本文所提方法能够有效应对复杂飞行安全避障、飞行环境高动态变化和多能量源混合驱动等难题，在长航时自主飞行中实现氢能无人机安全节能规划与自适应高能效能量管理。此研究基于溯驭技术与北京航空航天大学共同研发的氢电混合动力无人机，使用溯驭技术开发的氢燃料电池动力系统地面测试平台，在能量管理模块中编写自适应等效氢耗的能量优化策略，生成实时最优的功率分配指令并下达到氢电混动系统，完成能量管理实验验证。除能量管理模块外，此教学实践平台还提供了故障识别等多个可编程模块，可满足功能丰富的实验教学。
论文题目：Integrated Energy-Efficient Planning and Management Framework for Autonomous Long-Endurance Flight of Hydrogen Fuel Cell/Battery Hybrid UAVs
作者：Xiaoyu Guo, Xiaowei Song, Dan Zeng, Zhen Dong, Xiang Yu, Lu Liu, Yuguang Fang.
期刊名称：IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
影响因子：6.4
引用格式：X. Guo et al., "Integrated Energy-Efficient Planning and Management Framework for Autonomous Long-Endurance Flight of Hydrogen Fuel Cell/Battery Hybrid UAVs," in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, doi: 10.1109/TMECH.2024.3524751.
论文链接：https://doi.org/10.1109/TMECH.2024.3524751
背景与问题描述
氢燃料电池/锂电池混合动力无人机因兼具氢能高能量密度与电池高功率响应的优势，被视为长航时自主飞行的理想平台。然而，复杂多变的飞行环境与混合能源系统的强耦合特性，导致传统单一维度的能量管理策略难以实现全局最优，且现有研究多聚焦于燃料电池或电池的独立优化，缺乏面向动态任务场景的环境自适应能量管理策略。同时，轨迹规划是提升无人机自主飞行能效性的关键因素，一方面，高能效的飞行轨迹为节能飞行提供引导，另一方面，利用规划的运行信息能够实现长时间的预测性能量优化。尽管一些研究已经对轨迹规划与能量管理的整机实现进行了验证，但是规划与管理的耦合性、协同性弱，规划的运动信息并未被充分利用，飞行效率有待提升。因此，面向氢能无人机长航时自主飞行任务，轨迹规划与能量管理的一体化协同优化是提升整机能效性、实现复杂环境下节能自主飞行的关键技术。
研究方法
基于B样条曲线的轨迹节能规划方法，建立飞行通道保障安全约束并建立考虑轨迹能效的代价函数实现节能轨迹规划，为无人机自主飞行提供参考飞行轨迹；
基于运动信息的SOC规划方法，使用全局优化方法获取自主飞行中能量分配的全局优化解，解优化得到一条全局SOC优化参考轨迹；
基于在线参数辨识的能量管理方法，使用扩展卡尔曼滤波方法EKF辨识燃料电池参数并更新模型，再使用基于SOC优化参考轨迹的自适应等效氢耗最小策略完成实时的混合动力系统功率分配任务。
研究内容
实验验证
氢电混动无人机实验验证
氢电混动无人机
采用溯驭技术与北京航空航天大学共同研发的氢电混动无人机验证所提出的规划与管理一体化框架，该无人机已经于2022年完成试飞工作验证，满载氢气可实现100分钟的超长航时飞行。
能量管理实验测试
采用溯驭技术提供的氢燃料电池动力系统地面测试平台进行能量管理算法验证，该平台包括完整的储氢瓶、电堆、氢气供给子系统、电气子系统及负载，可满足燃料电池的多种教学实验需求。该集成式的系统平台，配备实验操控系统与独立可编程模块，可满足不同工况下的实验设计。
氢燃料电池动力系统地面测试平台
在能量管理实验中，首先对功率曲线进行数据处理，得到符合实验平台设定量级的功率数据。进一步，在该平台中独立出的可编程能量管理模块中编写能量管理策略，包括基于规则的策略，等效氢耗策略，自适应等效氢耗策略，特别地，该平台与上位机建立实时通讯，构建上位机轨迹规划与实验平台能量管理的实时信息交互。针对不同的飞行工况与运动轨迹，将本文设计的一体化框架与常规的分离解耦式方法进行对比。通过仿真与实验验证，相比分离式方法，考虑运动规划信息的能量管理策略最高能够降低氢耗10.24%，显著提升了能量效率及氢能无人机的续航时间。
结果与展望
本文设计了一种基于氢能无人机的高能效规划与管理一体化方法，解决高动态复杂飞行环境下自主安全飞行、混合动力无人机节能优化与控制、高能效集成一体化的问题。所设计的能量管理策略充分利用了运动规划信息，并能在实际的氢电混动系统中实现高效、稳定的功率分配，展现出良好的工程适应性。在氢燃料电池动力系统地面测试平台中的实验结果验证了所提能量管理策略与一体化方法的有效性。未来的工作考虑将该方案扩展到氢能无人机与氢动力eVTOL的全域集成优化中。
团队信息
宋晓伟
硕士研究生，于2023年获得北京航空航天大学测控技术与仪器学士学位。目前在北京航空航天大学攻读控制科学与工程硕士学位。主要研究方向为混合电动力系统的节能控制与能量管理。
余翔
目前为北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院教授/博士生导师，国家杰出青年科学基金、国家海外高层次人才青年项目获得者，曾经在加拿大西安大略大学和加拿大康考迪亚大学从事科学研究工作。主要研究方向为无人飞行器仿生自主导航与安全控制等，近年来在IEEE汇刊、AIAA汇刊、IFAC汇刊、Progress in Aerospace Sciences、中国科学、航空学报等著名学术杂志发表论文80余篇，出版无人飞行器安全控制领域英文专著1部，授权国家发明专利30余项，获中国仪器仪表学会科技进步一等奖、日内瓦发明展览金奖、中国（国际）传感器创新创业大赛特等奖、中国航空学会青年科技奖、国内外学术会议最佳论文奖等荣誉。现为IEEE高级会员、IEEE空中机器人与无人机技术委员会委员、中国自动化学会导航制导与控制专委会常务副秘书长；目前担任IEEE/ASME Transactions on Mechatronics Technical Editor等；还作为国际程序委员会共主席、邀请组主席、国际程序委员会委员等多次参与组织了国际学术会议。
产品介绍
风冷型氢燃料电池动力系统教学实践平台包括完整的储氢瓶、电堆、氢气供给子系统、电气子系统及负载，可满足不同中、高等院校氢能相关课程对于燃料电池的教学实验需求。集成式的系统平台拥有透明化的外壳，能够清晰地展示系统结构布置，同时配备实验操控系统，可满足不同工况的实验教学需求。
支撑学生完成课程要求的实验内容，并提高学生的动手实践能力；
满足对燃料电池实验的教学要求，支持通过显示屏操控工作电流、流量、温度等参数；
配备实验操控系统，支持不同工况下工作电流、压力、流量、温度条件的实验内容；
支持实测数据与目标控制数据的实时对比与分析，可直观展示实验结果，增强学生对燃料电池控制的认知能力。
