Uundaji wa Mfano wa Mapato ya Nguvu ya Jua wa Uaminifu wa Juu kwa UAV za Umeme za Jua: Uundaji na Uthibitishaji wa Jaribio la Kuruka

1 Utangulizi

Ripoti hii ya kiufundi inapanua kazi ya awali juu ya miundo ya nguvu ya jua kwa Vyombo vya Kuruka bila Rubani (UAV). Imetolewa pamoja na uundaji na majaribio ya kuruka ya UAV ya AtlantikSolar ya ETH Zurich, ambayo iliweka rekodi ya dunia kwa kuruka kwa masaa 81 mfululizo. Miundo sahihi ya nguvu ya jua ni muhimu sana kwa awamu ya uundaji wa dhana—kutabiri viashiria vya utendaji kama vile uimara wa kuruka ($T_{endur}$) na muda wa ziada ($T_{exc}$)—na awamu ya uendeshaji kwa tathmini ya utendaji. Ubora wa mfano wa nguvu ya jua huamua moja kwa moja uaminifu wa utabiri huu.

1.1 Mfano wa msingi wa nguvu ya jua

Vitabu vilivyopo kuhusu UAV zinazotumia nguvu ya jua mara nyingi hutumia miundo iliyorahisishwa. Mfano wa kawaida wa nguvu ya jua inayokusanywa papo hapo ni:

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

Ambapo $I_{solar}$ ni mnururisho wa jua (utendakazi wa latitudo $\phi_{lat}$, kimo $h$, siku ya mwaka $\delta$, wakati $t$, na vekta ya kawaida ya moduli $\vec{n}_{sm}$), $A_{sm}$ ni eneo la moduli, $\eta_{sm}$ ni ufanisi wa moduli (ikiwa ni pamoja na kipengele cha kupunguza kiwango cha mwamba), na $\eta_{mppt}$ ni ufanisi wa kifuatiliaji cha nguvu ya kiwango cha juu. Ingawa inafaa kwa awamu za awali za kubuni, mfano huu hauna uaminifu unaohitajika kwa uchambuzi wa kina na utatuzi wa matatizo wakati wa majaribio ya kuruka.

1.2 Michango ya ripoti hii

Ripoti hii inashughulikia hitaji la miundo ya uaminifu wa juu zaidi kwa: 1) Kuanzisha mfano wa kina unaozingatia msimamo halisi wa ndege, jiometri, na athari za kimwili (joto, pembe ya kuingilia). 2) Kupata miundo iliyorahisishwa inayofaa kwa awamu za awali za kubuni. 3) Kuthibitisha miundo yote dhidi ya data halisi ya kuruka kutoka kwa kuruka kwa mfululizo kwa masaa 28 mchana/usiku kwa nguvu ya jua.

2 Mfano wa Nguvu ya Jua wa Uaminifu wa Juu

Mfano wa uaminifu wa juu unaopendekezwa unapanua sana muundo wa msingi. Uboreshaji muhimu unajumuisha:

• Ujumuishaji wa Msimamo wa Kina: Mfano huu unajumuisha pembe za muda halisi za UAV za kuzunguka kwa mhimili mrefu ($\phi$), mhimili wa upande ($\theta$), na mhimili wa wima ($\psi$) ili kuhesabu mwelekeo sahihi wa paneli za jua ikilinganishwa na jua, ukiondoka kwenye dhana ya uso ulio sawa.
• Uaminifu wa Jiometri: Unazingatia jiometri halisi ya 3D na uwekaji wa seli za jua kwenye mabawa ya ndege na fuselage, badala ya kuzichukulia kama bamba moja la gorofa.
• Uundaji wa Athari za Kimwili: Unajumuisha mambo kama joto la seli (linaloathiri ufanisi $\eta_{sm}$) na hasara ya cosine kutoka kwa pembe zisizo za kawaida za kuingilia kwa jua, ambazo mara nyingi hazizingatiwi katika miundo rahisi.

Hesabu ya msingi ya nguvu inakuwa jumla ya seli zote za jua au paneli, kila moja ikiwa na mwelekeo wake na hali ya ndani: $P_{solar}^{HF} = \sum_{i} I_{solar, i} \cdot A_{i} \cdot \eta_{sm,i}(T) \cdot \cos(\theta_{inc,i}) \cdot \eta_{mppt}$, ambapo $\theta_{inc,i}$ ni pembe ya kuingilia kwa paneli $i$.

3 Urahisishaji wa Mfano kwa Uundaji wa Dhana

Kutambua kwamba data ya kina ya msimamo na jiometri haipatikani wakati wa kubuni mapema, ripoti inapata miundo iliyorahisishwa kutoka kwa msingi wa uaminifu wa juu. Miundo hii hutumia seti za pembejeo zilizopunguzwa, kama vile:

• Mfano wa Wastani wa Muda: Hutumia mnururisho wa wastani wa jua kwa siku, unaofaa kwa ukubwa wa jumla sana.
• Mfano wa Mzunguko wa Kila Siku: Unajumuisha mabadiliko ya sinusoidal ya nguvu ya jua kwa siku nzima, ukitoa usahihi bora zaidi kwa utabiri wa uimara bila kuhitaji maelezo ya njia ya kuruka.

Miundo hii inaunda usawa wazi: kupunguzwa kwa utata wa pembejeo kwa usahihi wa chini wa utabiri, ukiongoza wabunifu katika uteuzi wa mfano kulingana na awamu ya mradi.

4 Uthibitishaji wa Jaribio la Kuruka

Miundo hii ilijaribiwa kwa ukali kwa kutumia data ya kuruka kutoka kwa misheni ya kurekodi ya UAV ya AtlantikSolar. Kuruka kwa mfululizo kwa masaa 28 kilitoa mzunguko kamili wa data ya mchana/usiku, ikiwa ni pamoja na:

• Nguvu ya jua iliyopimwa inayopatikana kutoka kwa mfumo wa nguvu wa UAV.
• Data ya kina ya msimamo (kuzunguka kwa mhimili mrefu, mhimili wa upande, mhimili wa wima) kutoka kwa kifaa cha kupima inertial (IMU).
• Data ya nafasi ya GPS, kimo, na wakati.
• Data ya mazingira (joto) inapopatikana.

Seti hii ya data iliruhusu kulinganisha moja kwa moja kati ya nguvu ya jua iliyotabiriwa kutoka kwa miundo mbalimbali na thamani halisi zilizopimwa.

5 Matokeo na Majadiliano

Uthibitishaji ulitoa matokeo wazi, yanayoweza kupimika:

Usahihi bora wa mfano wa uaminifu wa juu unaonyesha athari kubwa ya kujumuisha msimamo wa kina, jiometri, na athari za kimwili. Kosa la ~18% la miundo ya awali ni kubwa vya kutosha kusababisha maamuzi mabaya ya kubuni, kama vile kupunguza ukubwa wa safu ya jua au kukadiria kupita kiasi uwezo wa kuruka kwa daima.

6 Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Sekta ya UAV ya jua imekuwa ikikuruka kwa upofu, ikitegemea miundo ya nguvu iliyorahisishwa kupita kiasi inayoingiza kosa karibu 20%. Ripoti hii sio tu uboreshaji wa kidogo; ni marekebisho ya msingi ambayo hubadilisha ubunifu wa UAV ya jua kutoka kwenye nadhani hadi usahihi wa uhandisi. Kigezo cha usahihi chini ya 5% kinaweka kiwango kipya, kikiwezesha moja kwa moja kuruka kwa uimara wa siku nyingi, kwa kuaminika, ambacho kinafafanua mpaka wa uwanja huu.

Mtiririko wa Mantiki: Waandishi wanavunja tatizo kwa ustadi. Wanaanza kwa kufichua kasoro muhimu katika miundo ya zamani—hali yao ya kudumu, isiyojali jiometri. Kisha wanaunda mfano wa uaminifu wa juu, uliojikita kwenye fizikia, unaozingatia vigezo vya ulimwengu halisi kama vile mtikisiko wa ndege na mkunjo wa mabawa. Hatimaye, hawawaachi watumiaji wa vitendo nyuma; wanatoa njia wazi ya miundo iliyorahisishwa, na kuunda "ngazi ya uaminifu" kwa awamu tofauti za kubuni. Uthibitishaji wa jaribio la kuruka dhidi ya jukwaa la rekodi ya dunia (AtlantikSolar) ndio hatua bora, ikitoa uthibitisho usioweza kukanushwa wa ulimwengu halisi.

Nguvu na Kasoro: Nguvu haiwezi kukanushwa: mfumo mkali, uliothibitishwa unaofunga pengo kubwa la ujuzi. Njia hiyo ni ya kielelezo, inayoakisi maadili ya uthibitishaji yanayoonwa katika karatasi za kipekee za robotiki na ML, kama zile za mkutano wa Robotics: Science and Systems, ambapo uhamisho wa simulizi-kwa-halisi hujaribiwa kwa ukali. Hata hivyo, kasoro ni ya wigo. Mfano umetengenezwa sana kwa UAV za mabawa yaliyowekwa na paneli zilizowekwa kwenye mabawa. Kuruka kwa ndege za mabawa yanayozunguka au yanayobadilika umbo, ambapo mabadiliko ya msimamo ni makali zaidi na ya haraka, sio jambo dogo na halijashughulikiwa. Pia inadhania kuhisi msimamo wa ubora wa juu, ambayo inaweza isipatikana kwenye majukwaa ya bei nafuu sana.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wabunifu wa UAV: Tumia mara moja mfano huu wa uaminifu wa juu kwa kubuni ya kina na uchambuzi wa jaribio la kuruka. Tumia miundo iliyorahisishwa kwa ukubwa wa awali, lakini daima tenga bajeti kwa kutokuwa na uhakika wa ~18% ambao hubeba. Kwa watafiti: Mpaka ujao ni uundaji wa muda halisi, unaobadilika. Unganisha hii na algoriti za udhibiti wa utabiri wa mfano (MPC)—kama vile jinsi mifumo ya kisasa ya kujitegemea inavyotumia miundo ya mtazamo kwa kupanga—ili kuruhusu UAV kubadilisha kwa kujitegemea njia yake ya kuruka ili kuongeza kiwango cha juu cha mapato ya jua, na kuunda mifumo ya kujitegemea inayojua nishati kwa kweli. Kazi hii pia inasisitiza hitaji la miundo ya nishati iliyothibitishwa, ya chanzo wazi, sawa na bustani za miundo zinazodumishwa na taasisi kama vile Maabara ya Mifumo ya Kujitegemea ya ETH Zurich au Maabara ya Sayansi ya Kompyuta na Ujasusi wa Bandia (CSAIL) ya MIT, ili kuharakisha maendeleo ya sekta nzima.

7 Maelezo ya Kiufundi na Uundaji wa Kihisabati

Kiini cha kihisabati cha mfano wa uaminifu wa juu kinajumuisha mabadiliko ya kuratibu na marekebisho ya ufanisi.

1. Mabadiliko ya Vekta ya Jua: Vekta ya nafasi ya jua katika fremu ya inertial ($\vec{s}_{ECEF}$) inabadilishwa kuwa fremu ya mwili wa ndege ($\vec{s}_{B}$) kwa kutumia matriki ya mzunguko wa msimamo $R_{B}^{I}$: $\vec{s}_{B} = R_{B}^{I} \cdot \vec{s}_{ECEF}$.

2. Pembe ya Kuingilia: Kwa paneli ya jua iliyo na vekta ya kawaida ya kitengo $\vec{n}_{panel}$ katika fremu ya mwili, pembe ya kuingilia ni: $\theta_{inc} = \arccos(\vec{s}_{B} \cdot \vec{n}_{panel})$. Mnururisho unaofaa kisha hupimwa kwa $\cos(\theta_{inc})$ (sheria ya cosine ya Lambert).

3. Ufanisi Unaotegemea Joto: Ufanisi wa seli ya jua hupungua kwa joto. Mfano wa kawaida wa mstari hutumiwa: $\eta_{sm}(T) = \eta_{STC} \cdot [1 - \beta_{T} \cdot (T_{cell} - T_{STC})]$, ambapo $\eta_{STC}$ ni ufanisi katika Hali za Kawaida za Jaribio (STC), $\beta_{T}$ ni mgawo wa joto (kawaida ~0.004/°C kwa silikoni), $T_{cell}$ ni joto la seli, na $T_{STC}=25°C$.

4. Hesabu ya Jumla ya Nguvu: Jumla ya nguvu ni jumla ya paneli/seli zote $N$: $P_{total} = \eta_{mppt} \cdot \sum_{i=1}^{N} \left( I_{solar} \cdot \cos(\theta_{inc,i}) \cdot A_{i} \cdot \eta_{sm,i}(T) \right)$.

8 Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Matokeo ya jaribio la kuruka yanaonekana vyema kupitia chati ya kulinganisha ya mfululizo wa muda (iliyoelezwa kwa dhana):

Kichwa cha Chati: "Nguvu ya Jua Iliyopimwa dhidi ya Iliyotabiriwa Wakati wa Kuruka kwa Masaa 28"

Shoka: Shoka-X: Wakati wa Siku (katika kipindi cha masaa 28, kuonyesha machweo mawili ya jua). Shoka-Y: Nguvu ya Jua (Wati).

Mistari:

• Mstari Mwekundu wenye Mstari-mwembamba: Nguvu Iliyopimwa. Inaonyesha nguvu halisi ya jua iliyokusanywa na UAV, ikiwa na vilele vya sinusoidal wakati wa adhuhuri, sifuri usiku, na mabadiliko madogo kutokana na mawingu au mienendo ya ndege.
• Mstari wa Bluu wenye Mstari-mwembamba: Utabiri wa Mfano wa Uaminifu wa Juu. Mstari huu unafuatia kwa karibu Mstari Mwekundu wenye Mstari-mwembamba, na vilele na mabonde karibu kufanana. Pengo dogo kati yao, lililopimwa kama kosa la <5%, halionekani kwa urahisi kwenye kiwango cha chati.
• Mstari wa Kijani wenye Nukta: Utabiri wa Mfano wa Msingi/wa Awali. Mstari huu pia unaonyesha umbo la sinusoidal lakini daima unakwenda chini ya kilele cha nguvu iliyopimwa, hasa asubuhi na alasiri. Eneo kati ya mstari huu na Mstari wa Nguvu Iliyopimwa linawakilisha utabiri wa chini wa wastani wa ~18%. Hawezi kukamata mapato ya juu ya nguvu wakati msimamo wa benki ya ndege unawasilisha mabawa vyema zaidi kwa jua.

Hitimisho Muhimu kutoka kwa Chati: Taswira inaonyesha wazi uwezo bora wa kufuatilia wa mfano wa uaminifu wa juu, hasa wakati wa masaa yasiyo ya adhuhuri ambapo athari za msimamo zinaonekana zaidi, huku ikionyesha kutokuwa sahihi kwa mara kwa mara kwa mfano rahisi.

9 Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi wa Kesi

Hali: Timu ya UAV ya jua inachambua jaribio la kuruka linalokasirisha ambapo ndege ilikwisha betri masaa 2 kabla ya jua kutua, licha ya anga wazi.

Hatua ya 1 – Ufafanuzi wa Tatizo kwa Mfano wa Msingi: Kwa kutumia mfano wa zamani ($P^{nom}_{solar}$), wanaingiza mnururisho wa wastani, eneo la paneli lililo sawa, na ufanisi wa kawaida. Mfano unatabiri nguvu ya kutosha. Hauto sababu ya msingi, inaonyesha tu "upungufu wa utendaji" wa jumla.

Hatua ya 2 – Uchunguzi kwa Mfumo wa Uaminifu wa Juu:

1. Uingizaji wa Data: Ingiza hati za kuruka: GPS, IMU (msimamo), data ya mfumo wa nguvu, na mfano wa CAD wa ndege (kwa vekta za kawaida za paneli).
2. Utekelezaji wa Mfano: Endesha mfano wa uaminifu wa juu kwa kurudi nyuma. Mfano unajenga upya nguvu inayotarajiwa kwa dakika kwa dakika.
3. Uchambuzi wa Kulinganisha: Programu inazalisha chati ya kulinganisha (kama katika Sehemu ya 8). Timu inaona kwamba nguvu iliyotabiriwa kutoka kwa mfano wa uaminifu wa juu pia inalingana na thamani za chini zilizopimwa, tofauti na mfano wa msingi wenye matumaini.
4. Utoaji wa Sababu ya Msingi: Kwa kutumia uwezo wa kujitegemea wa mfano, wanaondoa athari maalum:
   • Kuzima marekebisho ya msimamo husababisha mabadiliko madogo tu.
   • Kuzima marekebisho ya ufanisi unaotegemea joto ($\eta_{sm}(T)$) husababisha utabiri kupanda sana juu ya kipimo.
5. Hitimisho: Uchambuzi unabainisha kupokanzwa kupita kiasi kwa seli za jua kama sababu kuu. Seli, zilizowekwa kwenye mwamba wa giza wa mchanganyiko wenye usimamizi duni wa joto, zilikuwa zikifanya kazi kwa 70°C badala ya 45°C iliyodhaniwa, na kusababisha kupungua kwa ufanisi wa ~10%. Mfano wa msingi, usioona joto, haukugundua hii kabisa.

Matokeo: Timu inabuni upya uwekaji wa paneli kwa ajili ya upitishaji bora wa joto, na kusababisha kuruka kwa mafanikio baadaye. Kesi hii inaonyesha thamani ya mfumo huu kama zana ya utambuzi, sio tu mtabiri.

10 Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Matokeo ya uundaji wa uaminifu wa juu wa jua yanaenea zaidi ya UAV za mabawa yaliyowekwa:

• UAV za Mabawa Yanayozunguka na VTOL: Kubadilisha mfano kwa madrone yenye jiometri changamani, zinazobadilika kwa muda ni changamoto kuu. Hii inahitaji ramani ya kina ya mfiduo wa paneli wakati wa kutulia hewani, mpito, na kuruka mbele.
• Upangaji wa Njia Unaozingatia Nishati: Unganisha mfano huu kwenye algoriti za udhibiti wa kuruka kwa upangaji bora wa njia wa muda halisi. UAV inaweza kubadilisha kwa kujitegemea mwelekeo wake na pembe ya benki ili kuongeza kiwango cha juu cha faida ya jua, sawa na jinsi mashua za matanga zinavyobadilisha mwelekeo ili kutumia upepo.
• Mtandao wa Mkusanyiko na wa Kudumu: Kwa mkusanyiko wa UAV za jua zinazofanya kazi kama nodi za mawasiliano, miundo sahihi ya nguvu ya kila mmoja ni muhimu kwa kutabiri maisha ya mtandao na kuboresha ratiba za rehema.
• Uchunguzi wa Sayari: Njia hii ya uundaji inatumika moja kwa moja kwa vyombo vya anga vya Mars au Venus (k.m., Helicopta ya Mars ya NASA "Ingenuity"), ambapo kuelewa mapato ya jua katika anga nyembamba na kwa viwango tofauti vya jua ni muhimu sana.
• Ujumuishaji wa Mfano wa Dijitali: Mfano huu huunda sehemu kuu ya "mfano wa dijitali" wa UAV, na kuwezesha simulasyon ya uaminifu wa juu kwa mafunzo ya rubani wa AI, kupima mipango ya misheni, na matengenezo ya utabiri.
• Uwekaji wa Viwango na Chanzo Wazi: Uwanja huu ungefaidika na maktaba ya chanzo wazi inayotekeleza miundo hii (kwa Python au MATLAB), sawa na ROS kwa robotiki, na kuruhusu uthibitishaji na upanuzi wa jamii.

11 Marejeo

1. Oettershagen, P. et al. (2016). [Kazi ya awali juu ya miundo ya nguvu ya jua].
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). [Imetajwa kama mfano wa karatasi ya njia mkali, yenye ushawishi katika uwanja unaohusiana wa masomo ya mashine yanayotumika].
8. Autonomous Systems Lab, ETH Zurich. (n.d.). Official Website and Publications. [Imetajwa kama chanzo cha mamlaka kwa utafiti wa robotiki na UAV].