Pemodelan Pendapatan Kuasa Solar Berketepatan Tinggi untuk UAV Solar-Elektrik: Pembangunan dan Pengesahan Ujian Penerbangan

1 Pengenalan

Laporan teknikal ini melanjutkan kerja terdahulu mengenai model kuasa solar untuk Kenderaan Udara Tanpa Pemandu (UAV). Ia dikeluarkan seiring dengan pembangunan dan ujian penerbangan UAV AtlantikSolar ETH Zurich, yang mencipta rekod dunia dengan penerbangan berterusan selama 81 jam. Model kuasa solar yang tepat adalah kritikal untuk kedua-dua fasa reka bentuk konseptual—meramal metrik prestasi seperti ketahanan penerbangan ($T_{endur}$) dan masa lebihan ($T_{exc}$)—dan fasa operasi untuk penilaian prestasi. Kualiti model kuasa solar secara langsung menentukan kebolehpercayaan ramalan ini.

1.1 Model kuasa solar asas

Literatur sedia ada mengenai UAV berkuasa solar sering menggunakan model yang dipermudahkan. Model biasa untuk kuasa solar terkumpul serta-merta ialah:

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

Di mana $I_{solar}$ ialah sinaran solar (fungsi latitud $\phi_{lat}$, altitud $h$, hari-dalam-tahun $\delta$, masa $t$, dan vektor normal modul $\vec{n}_{sm}$), $A_{sm}$ ialah luas modul, $\eta_{sm}$ ialah kecekapan modul (termasuk faktor pengurangan camber), dan $\eta_{mppt}$ ialah kecekapan penjejak titik kuasa maksimum. Walaupun sesuai untuk peringkat reka bentuk awal, model ini kekurangan ketepatan yang diperlukan untuk analisis terperinci dan penyelesaian masalah semasa ujian penerbangan.

1.2 Sumbangan laporan ini

Laporan ini menangani keperluan untuk model berketepatan lebih tinggi dengan: 1) Memperkenalkan model komprehensif yang mengambil kira sikap pesawat yang tepat, geometri, dan kesan fizikal (suhu, sudut kejadian). 2) Memperoleh model yang dipermudahkan sesuai untuk fasa reka bentuk awal. 3) Mengesahkan semua model terhadap data penerbangan sebenar daripada penerbangan berkuasa solar siang/malam berterusan selama 28 jam.

2 Model Kuasa Solar Berketepatan Tinggi

Model berketepatan tinggi yang dicadangkan mengembangkan dengan ketara formulasi asas. Penambahbaikan utama termasuk:

• Integrasi Sikap Dinamik: Model ini menggabungkan sudut guling ($\phi$), lengkung ($\theta$), dan pusing ($\psi$) masa nyata UAV untuk mengira orientasi tepat panel solar relatif kepada matahari, melangkaui andaian permukaan mendatar.
• Ketepatan Geometri: Ia mengambil kira geometri 3D sebenar dan penempatan sel solar pada sayap dan fiuslaj pesawat, bukannya menganggapnya sebagai plat rata tunggal.
• Pemodelan Kesan Fizikal: Ia menggabungkan faktor seperti suhu sel (yang mempengaruhi kecekapan $\eta_{sm}$) dan kehilangan kosinus daripada sudut kejadian matahari bukan serenjang, yang sering diabaikan dalam model yang lebih mudah.

Pengiraan kuasa teras menjadi jumlah ke atas semua sel atau panel solar individu, setiap satu dengan orientasi dan keadaan tempatan tersendiri: $P_{solar}^{HF} = \sum_{i} I_{solar, i} \cdot A_{i} \cdot \eta_{sm,i}(T) \cdot \cos(\theta_{inc,i}) \cdot \eta_{mppt}$, di mana $\theta_{inc,i}$ ialah sudut kejadian untuk panel $i$.

3 Permudahan Model untuk Reka Bentuk Konseptual

Menyedari bahawa data sikap dan geometri terperinci tidak tersedia semasa reka bentuk awal, laporan ini memperoleh model yang dipermudahkan daripada garis dasar berketepatan tinggi. Model ini menggunakan set input yang dikurangkan, seperti:

• Model Purata Masa: Menggunakan purata penyinaran solar sepanjang hari, sesuai untuk saiz yang sangat kasar.
• Model Kitaran Harian: Menggabungkan variasi sinusoid kuasa solar sepanjang hari, memberikan ketepatan yang lebih baik untuk ramalan ketahanan tanpa memerlukan butiran laluan penerbangan.

Model ini mewujudkan pertukaran yang jelas: kerumitan input dikurangkan untuk ketepatan ramalan yang lebih rendah, membimbing pereka dalam pemilihan model berdasarkan fasa projek.

4 Pengesahan Ujian Penerbangan

Model ini diuji dengan ketat menggunakan data penerbangan daripada misi penciptaan rekod UAV AtlantikSolar. Penerbangan berterusan khusus selama 28 jam menyediakan kitaran data siang/malam yang lengkap, termasuk:

• Pendapatan kuasa solar yang diukur daripada sistem kuasa UAV.
• Data sikap berketepatan tinggi (guling, lengkung, pusing) daripada unit pengukuran inersia (IMU).
• Data kedudukan GPS, altitud, dan masa.
• Data persekitaran (suhu) di mana tersedia.

Set data ini membolehkan perbandingan langsung antara kuasa solar yang diramalkan daripada pelbagai model dan nilai sebenar yang diukur.

5 Keputusan dan Perbincangan

Pengesahan menghasilkan keputusan yang jelas dan boleh diukur:

Ketepatan unggul model berketepatan tinggi menunjukkan impak ketara menggabungkan kesan sikap, geometri, dan fizikal yang terperinci. Ralat ~18% model terdahulu adalah cukup besar untuk membawa kepada keputusan reka bentuk yang cacat, seperti menyasarkan tatasusunan solar yang terlalu kecil atau melebihkan keupayaan penerbangan abadi.

6 Inti Pati & Perspektif Penganalisis

Inti Pati: Industri UAV solar telah beroperasi secara membuta tuli, bergantung pada model kuasa yang terlalu dipermudahkan yang memperkenalkan ralat hampir 20%. Laporan ini bukan sekadar penambahbaikan tambahan; ia adalah pembetulan asas yang mengalihkan reka bentuk UAV solar daripada tekaan kepada ketepatan kejuruteraan. Penanda aras ketepatan sub-5% menetapkan piawaian baharu, secara langsung membolehkan penerbangan ketahanan berbilang hari yang boleh dipercayai yang mentakrifkan sempadan bidang ini.

Aliran Logik: Penulis dengan cemerlang mendekonstruksi masalah. Mereka bermula dengan mendedahkan kelemahan kritikal dalam model warisan—sifat statik dan tidak peduli geometri mereka. Kemudian mereka membina model berketepatan tinggi berasaskan fizik yang mengambil kira pembolehubah dunia sebenar seperti goyangan pesawat dan kelengkungan sayap secara dinamik. Akhirnya, mereka tidak meninggalkan pengguna praktikal; mereka menyediakan laluan jelas model yang dipermudahkan, mencipta "tangga ketepatan" untuk peringkat reka bentuk yang berbeza. Pengesahan ujian penerbangan terhadap platform rekod dunia (AtlantikSolar) adalah langkah utama, memberikan bukti dunia sebenar yang tidak dapat disangkal.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya tidak dapat dinafikan: kerangka kerja yang ketat dan disahkan yang menutup jurang pengetahuan utama. Metodologi ini adalah teladan, mencerminkan etos pengesahan yang dilihat dalam kertas robotik dan ML seminal, seperti daripada persidangan Robotics: Science and Systems, di mana pemindahan simulasi-ke-nyata diuji dengan ketat. Walau bagaimanapun, kelemahannya adalah dari segi skop. Model ini sangat ditala untuk UAV sayap tetap dengan panel dipasang pada sayap. Lompatan kepada pesawat sayap berputar atau sayap berubah bentuk, di mana perubahan sikap lebih ganas dan pantas, adalah tidak remeh dan tidak ditangani. Ia juga mengandaikan penderiaan sikap berkualiti tinggi, yang mungkin tidak tersedia pada platform kos ultra-rendah.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk pembangun UAV: Segera gunakan model berketepatan tinggi ini untuk analisis reka bentuk terperinci dan ujian penerbangan. Gunakan model yang dipermudahkan untuk saiz awal, tetapi sentiasa belanjakan untuk ketidakpastian ~18% yang mereka bawa. Untuk penyelidik: Sempadan seterusnya ialah pemodelan masa nyata dan adaptif. Integrasikan ini dengan algoritma kawalan ramalan model (MPC)—serupa dengan bagaimana sistem autonomi moden menggunakan model persepsi untuk perancangan—untuk membolehkan UAV melaraskan laluan penerbangan mereka secara aktif untuk memaksimumkan pendapatan solar, mencipta sistem autonomi yang benar-benar sedar tenaga. Kerja ini juga menekankan keperluan untuk model tenaga sumber terbuka dan disahkan, serupa dengan zoo model yang dikekalkan oleh institusi seperti Makmal Sistem Autonomi ETH Zurich atau Makmal Sains Komputer dan Kecerdasan Buatan MIT (CSAIL), untuk mempercepatkan kemajuan seluruh industri.

7 Butiran Teknikal dan Formulasi Matematik

Teras matematik model berketepatan tinggi melibatkan transformasi koordinat dan pembetulan kecekapan.

1. Transformasi Vektor Solar: Vektor kedudukan matahari dalam rangka inersia ($\vec{s}_{ECEF}$) diubah ke dalam rangka badan pesawat ($\vec{s}_{B}$) menggunakan matriks putaran sikap $R_{B}^{I}$: $\vec{s}_{B} = R_{B}^{I} \cdot \vec{s}_{ECEF}$.

2. Sudut Kejadian: Untuk panel solar dengan vektor normal unit $\vec{n}_{panel}$ dalam rangka badan, sudut kejadian ialah: $\theta_{inc} = \arccos(\vec{s}_{B} \cdot \vec{n}_{panel})$. Penyinaran berkesan kemudiannya diskalakan oleh $\cos(\theta_{inc})$ (hukum kosinus Lambert).

3. Kecekapan Bergantung Suhu: Kecekapan sel solar berkurangan dengan suhu. Model linear biasa digunakan: $\eta_{sm}(T) = \eta_{STC} \cdot [1 - \beta_{T} \cdot (T_{cell} - T_{STC})]$, di mana $\eta_{STC}$ ialah kecekapan pada Keadaan Ujian Piawai (STC), $\beta_{T}$ ialah pekali suhu (biasanya ~0.004/°C untuk silikon), $T_{cell}$ ialah suhu sel, dan $T_{STC}=25°C$.

4. Pengiraan Jumlah Kuasa: Jumlah kuasa ialah jumlah ke atas semua $N$ panel/sel: $P_{total} = \eta_{mppt} \cdot \sum_{i=1}^{N} \left( I_{solar} \cdot \cos(\theta_{inc,i}) \cdot A_{i} \cdot \eta_{sm,i}(T) \right)$.

8 Keputusan Eksperimen dan Penerangan Carta

Keputusan ujian penerbangan paling baik divisualisasikan melalui carta perbandingan siri masa (diterangkan secara konseptual):

Tajuk Carta: "Kuasa Solar Diukur vs. Diramalkan Semasa Penerbangan 28 Jam"

Paksi: Paksi-X: Masa Hari (sepanjang tempoh 28 jam, menunjukkan dua matahari terbit). Paksi-Y: Kuasa Solar (Watt).

Garis:

• Garis Biru Pejal: Kuasa Diukur. Menunjukkan kuasa solar sebenar yang dituai oleh UAV, dengan puncak sinusoid ciri pada tengah hari, sifar pada waktu malam, dan turun naik kecil disebabkan liputan awan atau manuver pesawat.
• Garis Merah Putus-putus: Ramalan Model Berketepatan Tinggi. Garis ini mengikuti Garis Biru Pejal dengan rapat, dengan puncak dan lembah hampir bertindih. Jurang kecil antara mereka, yang dikuantifikasi sebagai ralat <5%, hampir tidak dapat dilihat pada skala carta.
• Garis Hijau Bertitik: Ramalan Model Asas/Terdahulu. Garis ini juga menunjukkan bentuk sinusoid tetapi secara konsisten berjalan di bawah puncak kuasa yang diukur, terutamanya pada waktu pagi dan petang. Kawasan antara garis ini dan garis Kuasa Diukur mewakili kurang ramalan purata ~18%. Ia gagal menangkap pendapatan kuasa yang lebih tinggi apabila sikap pesawat yang terbank mempersembahkan sayap dengan lebih baik kepada matahari.

Pengajaran Utama daripada Carta: Visual dengan jelas menunjukkan keupayaan penjejakan unggul model berketepatan tinggi, terutamanya semasa jam bukan tengah hari di mana kesan sikap paling ketara, sambil menyerlahkan ketidaktepatan konsisten model yang lebih mudah.

9 Kerangka Analisis: Kajian Kes

Skenario: Sebuah pasukan UAV solar menganalisis ujian penerbangan yang mengecewakan di mana pesawat kehabisan bateri 2 jam sebelum matahari terbenam, walaupun langit cerah.

Langkah 1 – Definisi Masalah dengan Model Asas: Menggunakan model warisan ($P^{nom}_{solar}$), mereka memasukkan penyinaran purata, luas panel mendatar, dan kecekapan nominal. Model meramalkan kuasa mencukupi. Ia tidak menawarkan punca akar, hanya menunjukkan "kekurangan prestasi" generik.

Langkah 2 – Penyiasatan dengan Kerangka Berketepatan Tinggi:

1. Penelanan Data: Import log penerbangan: GPS, IMU (sikap), data sistem kuasa, dan model CAD pesawat (untuk normal panel).
2. Pelaksanaan Model: Jalankan model berketepatan tinggi secara retrospektif. Model membina semula kuasa yang dijangkakan minit demi minit.
3. Analisis Perbandingan: Perisian menjana carta perbandingan (seperti dalam Seksyen 8). Pasukan memerhatikan bahawa kuasa yang diramalkan daripada model berketepatan tinggi juga sepadan dengan nilai diukur rendah, tidak seperti model asas yang optimistik.
4. Pengasingan Punca Akar: Menggunakan modulariti model, mereka melumpuhkan kesan tertentu:
   • Melumpuhkan pembetulan sikap menyebabkan hanya perubahan kecil.
   • Melumpuhkan pembetulan kecekapan bergantung suhu ($\eta_{sm}(T)$) menyebabkan ramalan meningkat dengan ketara di atas pengukuran.
5. Kesimpulan: Analisis mengenal pasti pemanasan sel solar yang berlebihan sebagai punca utama. Sel-sel, dipasang pada sayap komposit gelap dengan pengurusan haba yang lemah, beroperasi pada 70°C bukannya 45°C yang diandaikan, menyebabkan penurunan kecekapan ~10%. Model asas, buta kepada suhu, terlepas ini sepenuhnya.

Hasil: Pasukan mereka semula pemasangan panel untuk penyingkiran haba yang lebih baik, membawa kepada penerbangan seterusnya yang berjaya. Kajian kes ini menunjukkan nilai kerangka sebagai alat diagnostik, bukan sekadar peramal.

10 Aplikasi dan Hala Tuju Masa Depan

Implikasi pemodelan solar berketepatan tinggi melangkaui UAV sayap tetap:

• UAV Sayap Berputar dan VTOL: Menyesuaikan model untuk dron dengan geometri kompleks dan berubah masa adalah cabaran utama. Ini memerlukan pemetaan dinamik pendedahan panel semasa pegun, peralihan, dan penerbangan ke hadapan.
• Perancangan Laluan Sedar Tenaga: Integrasikan model ke dalam algoritma kawalan penerbangan untuk perancangan laluan optimum masa nyata. UAV boleh melaraskan hala dan sudut bank secara autonomi untuk memaksimumkan perolehan solar, serupa dengan bagaimana kapal layar menentang angin untuk memanfaatkan angin.
• Rangkaian Swarm dan Berterusan: Untuk kumpulan UAV solar yang bertindak sebagai nod komunikasi, model kuasa individu yang tepat adalah penting untuk meramalkan jangka hayat rangkaian dan mengoptimumkan jadual geganti.
• Penerokaan Planet: Pendekatan pemodelan ini boleh digunakan terus kepada kenderaan udara Marikh atau Zuhrah (cth., Helikopter Marikh NASA "Ingenuity"), di mana memahami pendapatan solar dalam atmosfera nipis dan dengan pemalar solar yang berbeza adalah kritikal.
• Integrasi Kembar Digital: Model membentuk komponen teras "kembar digital" UAV, membolehkan simulasi berketepatan tinggi untuk melatih juruterbang AI, menguji pelan misi, dan penyelenggaraan ramalan.
• Pemiawaian dan Sumber Terbuka: Bidang ini akan mendapat manfaat daripada perpustakaan sumber terbuka yang melaksanakan model ini (dalam Python atau MATLAB), serupa dengan ROS untuk robotik, membolehkan pengesahan dan lanjutan komuniti.

11 Rujukan

1. Oettershagen, P. et al. (2016). [Kerja terdahulu mengenai model kuasa solar].
2. Oettershagen, P. et al. (2017). Design of a small-scale solar-powered unmanned aerial vehicle for perpetual flight: The AtlantikSolar UAV. Journal of Field Robotics.
3. Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (2006). Solar Engineering of Thermal Processes. Wiley.
4. Stein, J. S. (2012). Photovoltaic Power Systems. 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). [Dirujuk sebagai contoh kertas metodologi berpengaruh dan ketat dalam bidang berkaitan pembelajaran mesin gunaan].
8. Autonomous Systems Lab, ETH Zurich. (n.d.). Official Website and Publications. [Dirujuk sebagai sumber berwibawa untuk penyelidikan robotik dan UAV].