सौर-विद्युत UAVs के लिए उच्च-निष्ठा सौर ऊर्जा आय मॉडलिंग: विकास और उड़ान परीक्षण सत्यापन

1 परिचय

यह तकनीकी रिपोर्ट मानवरहित हवाई वाहनों (UAVs) के लिए सौर ऊर्जा मॉडल पर पिछले कार्य का विस्तार करती है। इसे ETH Zurich के AtlantikSolar UAV के विकास और उड़ान परीक्षण के साथ जारी किया गया है, जिसने 81 घंटे की निरंतर उड़ान के साथ एक विश्व रिकॉर्ड स्थापित किया था। सटीक सौर ऊर्जा मॉडल संकल्पनात्मक डिजाइन चरण—उड़ान सहनशक्ति ($T_{endur}$) और अतिरिक्त समय ($T_{exc}$) जैसे प्रदर्शन मेट्रिक्स की भविष्यवाणी करने—और प्रदर्शन मूल्यांकन के लिए संचालन चरण दोनों के लिए महत्वपूर्ण हैं। सौर ऊर्जा मॉडल की गुणवत्ता सीधे इन भविष्यवाणियों की विश्वसनीयता निर्धारित करती है।

1.1 एक मूल सौर ऊर्जा मॉडल

सौर ऊर्जा संचालित UAVs पर मौजूदा साहित्य अक्सर सरलीकृत मॉडल का उपयोग करता है। तात्कालिक एकत्रित सौर शक्ति के लिए एक सामान्य मॉडल है:

$P^{nom}_{solar} = I_{solar}(\phi_{lat}, h, \delta, t, \vec{n}_{sm}) \cdot A_{sm} \cdot \eta_{sm} \cdot \eta_{mppt}$

जहां $I_{solar}$ सौर विकिरण है (अक्षांश $\phi_{lat}$, ऊंचाई $h$, वर्ष का दिन $\delta$, समय $t$, और मॉड्यूल सामान्य वेक्टर $\vec{n}_{sm}$ का एक फ़ंक्शन), $A_{sm}$ मॉड्यूल क्षेत्र है, $\eta_{sm}$ मॉड्यूल दक्षता है (एक कैम्बर कमी कारक सहित), और $\eta_{mppt}$ अधिकतम शक्ति बिंदु ट्रैकर दक्षता है। हालांकि प्रारंभिक डिजाइन चरणों के लिए उपयुक्त है, यह मॉडल उड़ान परीक्षणों के दौरान विस्तृत विश्लेषण और समस्या निवारण के लिए आवश्यक सटीकता का अभाव रखता है।

1.2 इस रिपोर्ट का योगदान

यह रिपोर्ट उच्च-सटीकता मॉडलों की आवश्यकता को इस प्रकार संबोधित करती है: 1) एक व्यापक मॉडल का परिचय देकर जो वास्तविक विमान की स्थिति, ज्यामिति और भौतिक प्रभावों (तापमान, आपतन कोण) को ध्यान में रखता है। 2) प्रारंभिक डिजाइन चरणों के लिए उपयुक्त सरलीकृत मॉडल प्राप्त करके। 3) 28-घंटे के निरंतर दिन/रात सौर-शक्ति चालित उड़ान के वास्तविक उड़ान डेटा के विरुद्ध सभी मॉडलों का सत्यापन करके।

2 हाई-फिडेलिटी सोलर पावर मॉडल

प्रस्तावित हाई-फिडेलिटी मॉडल मूल सूत्रीकरण पर काफी विस्तार करता है। प्रमुख वृद्धियों में शामिल हैं:

• डायनेमिक अटीट्यूड इंटीग्रेशन: यह मॉडल यूएवी के वास्तविक समय रोल ($\phi$), पिच ($\theta$), और यॉ ($\psi$) कोणों को शामिल करता है ताकि सौर पैनलों की सूर्य के सापेक्ष सटीक अभिविन्यास की गणना की जा सके, जो एक क्षैतिज सतह की धारणा से आगे बढ़ता है।
• ज्यामितीय परिशुद्धता: यह विमान के पंखों और धड़ पर सौर सेलों की वास्तविक 3डी ज्यामिति और स्थान को ध्यान में रखता है, न कि उन्हें एक एकल सपाट प्लेट के रूप में मानता है।
• भौतिक प्रभाव मॉडलिंग: यह सेल तापमान (जो दक्षता $\eta_{sm}$ को प्रभावित करता है) और गैर-लंबवत सूर्य आपतन कोणों से होने वाली कोसाइन हानि जैसे कारकों को एकीकृत करता है, जिन्हें अक्सर सरल मॉडलों में नजरअंदाज कर दिया जाता है।

मुख्य शक्ति गणना सभी व्यक्तिगत सौर सेलों या पैनलों पर एक योग बन जाती है, जिनमें से प्रत्येक की अपनी अभिविन्यास और स्थानीय परिस्थितियाँ होती हैं: $P_{solar}^{HF} = \sum_{i} I_{solar, i} \cdot A_{i} \cdot \eta_{sm,i}(T) \cdot \cos(\theta_{inc,i}) \cdot \eta_{mppt}$, जहाँ $\theta_{inc,i}$ पैनल $i$ के लिए आपतन कोण है।

3 संकल्पनात्मक डिजाइन के लिए मॉडल सरलीकरण

यह मानते हुए कि प्रारंभिक डिजाइन के दौरान विस्तृत अभिविन्यास और ज्यामिति डेटा उपलब्ध नहीं होते हैं, रिपोर्ट उच्च-सटीकता बेसलाइन से सरलीकृत मॉडल प्राप्त करती है। ये मॉडल कम इनपुट सेट का उपयोग करते हैं, जैसे कि:

• समय-औसत मॉडल: एक दिन में औसत सौर विकिरण का उपयोग करता है, बहुत मोटे आकार निर्धारण के लिए उपयुक्त।
• दैनिक-चक्र मॉडल: पूरे दिन सौर ऊर्जा के साइनसॉइडल परिवर्तन को शामिल करता है, उड़ान पथ विवरण की आवश्यकता के बिना सहनशक्ति पूर्वानुमान के लिए बेहतर सटीकता प्रदान करता है।

ये मॉडल एक स्पष्ट समझौता स्थापित करते हैं: कम पूर्वानुमान सटीकता के लिए इनपुट जटिलता कम होती है, जो डिजाइनरों को परियोजना चरण के आधार पर मॉडल चयन में मार्गदर्शन करती है।

4 फ्लाइट टेस्ट सत्यापन

मॉडलों का AtlantikSolar UAV के रिकॉर्ड-सेटिंग मिशनों के उड़ान डेटा का उपयोग करके कठोर परीक्षण किया गया। एक समर्पित 28-घंटे की निरंतर उड़ान ने डेटा का एक पूर्ण दिन/रात चक्र प्रदान किया, जिसमें शामिल हैं:

• UAV की पावर सिस्टम से मापित सौर ऊर्जा आय।
• इनर्शियल मेजरमेंट यूनिट (IMU) से उच्च-सटीकता अभिविन्यास डेटा (रोल, पिच, यॉ)।
• GPS स्थिति, ऊंचाई और समय डेटा।
• पर्यावरण डेटा (तापमान) जहां उपलब्ध हो।

इस डेटासेट ने विभिन्न मॉडलों से पूर्वानुमानित सौर ऊर्जा और वास्तविक मापित मूल्यों के बीच सीधी तुलना की अनुमति दी।

5 परिणाम और चर्चा

सत्यापन से स्पष्ट, मात्रात्मक परिणाम प्राप्त हुए:

हाई-फिडेलिटी मॉडल की श्रेष्ठ सटीकता विस्तृत अभिविन्यास, ज्यामिति और भौतिक प्रभावों को शामिल करने के महत्वपूर्ण प्रभाव को प्रदर्शित करती है। पूर्व मॉडलों की ~18% त्रुटि इतनी महत्वपूर्ण है कि यह दोषपूर्ण डिजाइन निर्णयों को जन्म दे सकती है, जैसे कि सौर सरणी का आकार छोटा रखना या सतत उड़ान क्षमता का अधिक अनुमान लगाना।

6 Core Insight & Analyst's Perspective

मूल अंतर्दृष्टि: सौर मानवरहित हवाई वाहन (UAV) उद्योग अब तक अत्यधिक सरलीकृत पावर मॉडलों पर निर्भर रहा है, जो लगभग 20% त्रुटि उत्पन्न करते हैं, मूलतः अंधाधुंध उड़ान भर रहा है। यह रिपोर्ट केवल एक मामूली सुधार नहीं है; यह एक आधारभूत सुधार है जो सौर UAV डिज़ाइन को अनुमान के आधार पर काम करने से हटाकर इंजीनियरिंग सटीकता पर ले जाती है। 5% से कम सटीकता का मानक एक नया मानदंड स्थापित करता है, जो विश्वसनीय, बहु-दिवसीय सहनशीलता उड़ानों को सीधे सक्षम बनाता है जो इस क्षेत्र की अग्रिम पंक्ति को परिभाषित करती हैं।

तार्किक प्रवाह: लेखक समस्या का शानदार विश्लेषण प्रस्तुत करते हैं। वे पुराने मॉडलों की मूलभूत कमी—उनकी स्थिर, ज्यामिति-अज्ञेय प्रकृति—को उजागर करके शुरुआत करते हैं। फिर वे एक भौतिकी-आधारित, उच्च-सटीकता वाला मॉडल विकसित करते हैं जो विमान के हिलने और पंख की वक्रता जैसे वास्तविक-विश्व के चरों का गतिशील रूप से हिसाब रखता है। अंत में, वे व्यावहारिक उपयोगकर्ताओं को पीछे नहीं छोड़ते; वे सरलीकृत मॉडलों का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं, जो विभिन्न डिज़ाइन चरणों के लिए एक "सटीकता सीढ़ी" का निर्माण करता है। एक विश्व-रिकॉर्ड प्लेटफॉर्म (AtlantikSolar) के विरुद्ध उड़ान-परीक्षण सत्यापन चरमोत्कर्ष है, जो अकाट्य, वास्तविक-विश्व का प्रमाण प्रदान करता है।

Strengths & Flaws: शक्ति निर्विवाद है: एक कठोर, सत्यापित ढांचा जो एक प्रमुख ज्ञान अंतराल को समाप्त करता है। पद्धति अनुकरणीय है, जो मूलभूत रोबोटिक्स और ML शोधपत्रों, जैसे कि Robotics: Science and Systems सम्मेलन, जहां सिमुलेशन-टू-रियल ट्रांसफर का कड़ाई से परीक्षण किया जाता है। हालांकि, खामी दायरे की है। मॉडल विंग-माउंटेड पैनलों वाले फिक्स्ड-विंग यूएवी के लिए भारी रूप से ट्यून किया गया है। रोटरी-विंग या मॉर्फिंग-विंग विमानों की ओर छलांग, जहां अटीट्यूड परिवर्तन अधिक हिंसक और तीव्र होते हैं, गैर-तुच्छ और अनुपयोगी है। यह उच्च-गुणवत्ता वाले अटीट्यूड सेंसिंग को भी मानता है, जो अल्ट्रा-लो-कॉस्ट प्लेटफॉर्म पर उपलब्ध नहीं हो सकता है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: यूएवी डेवलपर्स के लिए: विस्तृत डिजाइन और फ्लाइट टेस्ट विश्लेषण के लिए तुरंत इस उच्च-निष्ठा मॉडल को अपनाएं। प्रारंभिक आकार निर्धारण के लिए सरलीकृत मॉडल का उपयोग करें, लेकिन हमेशा उनके साथ आने वाली ~18% अनिश्चितता के लिए बजट बनाएं। शोधकर्ताओं के लिए: अगला सीमांत क्षेत्र रियल-टाइम, अनुकूली मॉडलिंग है। इसे मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल (एमपीसी) एल्गोरिदम के साथ एकीकृत करें—ठीक वैसे ही जैसे आधुनिक स्वायत्त प्रणालियाँ योजना बनाने के लिए धारणा मॉडल का उपयोग करती हैं—ताकि यूएवी सक्रिय रूप से अपनी उड़ान पथ को समायोजित कर सके ताकि सौर आय को अधिकतम किया जा सके, जिससे वास्तविक ऊर्जा-जागरूक स्वायत्त प्रणालियाँ बन सकें। यह कार्य ओपन-सोर्स, मान्यता प्राप्त ऊर्जा मॉडल की आवश्यकता को भी रेखांकित करता है, जैसे कि ETH Zurich's Autonomous Systems Lab या MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) जैसे संस्थानों द्वारा बनाए रखे गए मॉडल ज़ू, ताकि उद्योग-व्यापी प्रगति को तेज किया जा सके।

7 Technical Details and Mathematical Formulation

The high-fidelity model's mathematical core involves coordinate transformations and efficiency corrections.

1. Solar Vector Transformation: जड़त्वीय फ्रेम ($\vec{s}_{ECEF}$) में सूर्य की स्थिति वेक्टर को विमान के बॉडी फ्रेम ($\vec{s}_{B}$) में अटीट्यूड रोटेशन मैट्रिक्स $R_{B}^{I}$ का उपयोग करके रूपांतरित किया जाता है:

2. आपतन कोण: बॉडी फ्रेम में यूनिट सामान्य वेक्टर $\vec{n}_{panel}$ वाले एक सौर पैनल के लिए, आपतन कोण है:

3. तापमान-निर्भर दक्षता: सौर सेल की दक्षता तापमान के साथ घटती है। एक सामान्य रैखिक मॉडल का उपयोग किया जाता है:

4. कुल शक्ति गणना: कुल शक्ति सभी $N$ पैनलों/सेलों का योग है: $P_{total} = \eta_{mppt} \cdot \sum_{i=1}^{N} \left( I_{solar} \cdot \cos(\theta_{inc,i}) \cdot A_{i} \cdot \eta_{sm,i}(T) \right)$.

8 प्रायोगिक परिणाम और चार्ट विवरण

उड़ान परीक्षण के परिणामों को एक समय-श्रृंखला तुलना चार्ट (संकल्पनात्मक रूप से वर्णित) के माध्यम से सर्वोत्तम रूप से देखा जा सकता है:

चार्ट शीर्षक: "28-घंटे की उड़ान के दौरान मापित बनाम पूर्वानुमानित सौर ऊर्जा"

अक्ष: X-axis: दिन का समय (28-घंटे की अवधि में, दो सूर्योदय दिखाते हुए)। Y-axis: सौर ऊर्जा (वाट)।

रेखाएँ:

• ठोस नीली रेखा: मापित शक्ति. यूएवी द्वारा एकत्र की गई वास्तविक सौर शक्ति दर्शाता है, जिसमें दोपहर में विशेषता साइनसॉइडल चोटियाँ, रात के दौरान शून्य, और बादल छाए रहने या विमान की गतिविधियों के कारण मामूली उतार-चढ़ाव होते हैं।
• धरियों वाली लाल रेखा: High-Fidelity Model Prediction. This line closely tracks the Solid Blue Line, with nearly overlapping peaks and valleys. The small gap between them, quantified as the <5% error, is barely perceptible on the chart scale.
• Dotted Green Line: Basic/Previous Model Prediction. यह रेखा भी एक साइनसॉइडल आकार दिखाती है लेकिन लगातार मापी गई शक्ति चोटी से नीचे चलती है, विशेष रूप से सुबह और दोपहर में। इस रेखा और मापी गई शक्ति रेखा के बीच का क्षेत्र ~18% औसत कम-पूर्वानुमान का प्रतिनिधित्व करता है। यह उच्च शक्ति आय को पकड़ने में विफल रहता है जब विमान का बैंक्ड अटीट्यूड पंखों को सूर्य के प्रति अधिक अनुकूल रूप से प्रस्तुत करता है।

Key Takeaway from Chart: दृश्य स्पष्ट रूप से उच्च-निष्ठा मॉडल की श्रेष्ठ ट्रैकिंग क्षमता प्रदर्शित करता है, विशेष रूप से गैर-दोपहर के घंटों के दौरान जब अभिविन्यास प्रभाव सबसे स्पष्ट होते हैं, जबकि सरल मॉडल की लगातार अशुद्धि को उजागर करता है।

9 विश्लेषण ढांचा: एक केस स्टडी

परिदृश्य: एक सौर मानवरहित विमान दल एक निराशाजनक उड़ान परीक्षण का विश्लेषण कर रहा है जिसमें साफ आसमान के बावजूद, विमान का बैटरी सूर्यास्त से 2 घंटे पहले ही समाप्त हो गया।

चरण 1 – बुनियादी मॉडल के साथ समस्या परिभाषा: पुराने मॉडल ($P^{nom}_{solar}$) का उपयोग करते हुए, उन्होंने औसत विकिरण, क्षैतिज पैनल क्षेत्र और नाममात्र दक्षता इनपुट की। मॉडल पर्याप्त शक्ति की भविष्यवाणी करता है। यह कोई मूल कारण नहीं बताता, केवल एक सामान्य "प्रदर्शन कमी" को इंगित करता है।

चरण 2 – उच्च-सटीकता ढांचे के साथ जांच:

1. डेटा अंतर्ग्रहण: फ्लाइट लॉग आयात करें: GPS, IMU (अभिवृत्ति), पावर सिस्टम डेटा, और विमान CAD मॉडल (पैनल नॉर्मल्स के लिए).
2. मॉडल निष्पादन: उच्च-निष्ठा मॉडल को पूर्वव्यापी रूप से चलाएं। मॉडल अपेक्षित शक्ति का मिनट-दर-मिनट पुनर्निर्माण करता है।
3. तुलनात्मक विश्लेषण: सॉफ़्टवेयर तुलना चार्ट उत्पन्न करता है (जैसा कि धारा 8 में है)। टीम देखती है कि उच्च-निष्ठा मॉडल से अनुमानित शक्ति भी मेल खाती है कम मापित मान, आशावादी बुनियादी मॉडल के विपरीत।
4. मूल कारण अलगाव: मॉडल की मॉड्यूलरिटी का उपयोग करते हुए, वे विशिष्ट प्रभावों को अक्षम करते हैं:
   • अटीट्यूड सुधार को अक्षम करने से केवल मामूली परिवर्तन होता है।
   • तापमान-निर्भर दक्षता सुधार ($\eta_{sm}(T)$) को अक्षम करने से भविष्यवाणी माप से काफी ऊपर बढ़ जाती है।
5. निष्कर्ष: विश्लेषण से पता चलता है कि अत्यधिक सौर सेल ताप प्राथमिक कारण है। खराब थर्मल प्रबंधन वाले काले कंपोजिट विंग पर लगे सेल, अनुमानित 45°C के बजाय 70°C पर कार्य कर रहे थे, जिससे ~10% दक्षता में कमी आई। तापमान के प्रति अंधा बुनियादी मॉडल इसे पूरी तरह से नहीं पकड़ पाया।

परिणाम: टीम ने बेहतर ताप अपव्यय के लिए पैनल माउंटिंग को पुनः डिज़ाइन किया, जिससे बाद की उड़ानें सफल रहीं। यह मामला फ्रेमवर्क के मूल्य को एक निदान उपकरण के रूप में प्रदर्शित करता है, न कि केवल एक पूर्वानुमानकर्ता के रूप में।

10 भविष्य के अनुप्रयोग और दिशाएँ

उच्च-निष्ठा सौर मॉडलिंग के निहितार्थ फिक्स्ड-विंग UAVs से परे हैं:

• रोटरी-विंग और वीटीओएल यूएवी: जटिल, समय-परिवर्तनशील ज्यामिति वाले ड्रोन के लिए मॉडल को अनुकूलित करना एक प्रमुख चुनौती है। इसके लिए होवर, संक्रमण और आगे की उड़ान के दौरान पैनल एक्सपोजर की गतिशील मैपिंग की आवश्यकता होती है।
• ऊर्जा-जागरूक पथ नियोजन: मॉडल को फ्लाइट कंट्रोल एल्गोरिदम में एकीकृत करें ताकि वास्तविक समय में इष्टतम पथ योजना की जा सके। यूएवी सौर ऊर्जा प्राप्ति को अधिकतम करने के लिए स्वायत्त रूप से अपना हेडिंग और बैंक कोण समायोजित कर सकता है, ठीक उसी तरह जैसे सेलबोट हवा का उपयोग करने के लिए टैक करती हैं।
• स्वार्म और पर्सिस्टेंट नेटवर्क: संचार नोड्स के रूप में कार्य करने वाले सौर यूएवी के झुंड के लिए, नेटवर्क जीवनकाल की भविष्यवाणी करने और रिले शेड्यूल को अनुकूलित करने के लिए सटीक व्यक्तिगत पावर मॉडल आवश्यक हैं।
• Planetary Exploration: यह मॉडलिंग दृष्टिकोण सीधे मंगल या शुक्र के वायुयानों (जैसे, NASA के मंगल हेलीकॉप्टर "इन्जेन्युइटी") पर लागू होता है, जहां पतले वायुमंडल और भिन्न सौर स्थिरांकों में सौर आय को समझना महत्वपूर्ण है।
• Digital Twin Integration: यह मॉडल एक UAV के "डिजिटल ट्विन" का एक मुख्य घटक बनाता है, जो AI पायलटों के प्रशिक्षण, मिशन योजनाओं के परीक्षण और पूर्वानुमानित रखरखाव के लिए उच्च-निष्ठा सिमुलेशन सक्षम करता है।
• मानकीकरण और ओपन सोर्स: इस क्षेत्र को एक ओपन-सोर्स लाइब्रेरी से लाभ होगा जो इन मॉडलों को लागू करती हो (Python या MATLAB में), रोबोटिक्स के लिए ROS के समान, जिससे समुदाय द्वारा सत्यापन और विस्तार संभव हो।

11 संदर्भ

1. Oettershagen, P. et al. (2016). [सौर ऊर्जा मॉडल पर पूर्व कार्य].
2. Oettershagen, P. et al. (2017). सतत उड़ान के लिए एक छोटे पैमाने के सौर-शक्ति चालित मानवरहित हवाई वाहन का डिजाइन: द अटलांटिकसोलर यूएवी. Journal of Field Robotics.
3. Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (2006). Solar Engineering of Thermal Processes. Wiley.
4. Stein, J. S. (2012). फोटोवोल्टिक पावर सिस्टम. Sandia National Laboratories Report.
5. Noth, A. (2008). Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight. ETH Zurich.
6. Klesh, A. T., & Kabamba, P. T. (2009). Solar-powered aircraft: Energy-optimal path planning and perpetual endurance. Journal of Guidance, Control, and Dynamics.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). [Cited as an example of a rigorous, influential methodology paper in a related field of applied machine learning].
8. Autonomous Systems Lab, ETH Zurich. (n.d.). Official Website and Publications. [Cited as an authoritative source for robotics and UAV research].