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申请/专利权人：西安爱生技术集团有限公司

摘要：本发明公开了一种氢能源无人机燃料电池硬件在环的半实物仿真方法，首先构建半实物仿真系统，通过半实物仿真试验模拟无人机在全包线范围内的各种动态和稳态的飞行工况，测试验证氢燃料电池的功率输出响应特性是否满足无人机的飞行需求。本发明方法能够通过飞行仿真的方式根据无人机飞行对功率的动态需求动态测试氢燃料电池的功率输出动态特性，不仅是对氢燃料电池自身性能的动态测试，也是对氢燃料电池性能是否满足无人机飞行需求的动态测试。

主权项：1.一种氢能源无人机燃料电池硬件在环的半实物仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建半实物仿真系统，包括氢燃料电池系统、电子负载、仿真主控计算机和实时仿真目标机；所述仿真主控计算机运行仿真主控软件和地面站软件；所述仿真主控软件实现氢能源无人机模型的编辑、编译和下载至实时仿真目标机、仿真的开始和停止功能，同时接收、显示和存储实时仿真目标机回传的仿真数据；所述地面站软件通过网络与实时仿真目标机进行通讯，实现无人机初始参数设定、航线加载以及飞行过程的遥控指令发送、遥测数据显示功能；所述实时仿真目标机运行无人机的飞行控制器模型、电动机转速功率模型、电动机功率推力模型、六自由度运动模型；实时仿真目标机配置了CAN卡以及网络接口硬件模块；所述飞行控制器模型为无人机的飞行控制律算法，模型计算生成无人机的电动机转速指令和各舵面的位置指令；电动机转速功率模型根据接收到的转速指令计算当前飞行状态下电动机达到给定转速所需用的功率；电动机功率推力模型根据所接收到的燃料电池产生的实际功率值计算在当前状态下电动机所产生的推力；六自由度运动模型根据所产生的推力、各舵面的位置情况以及无人机自身的气动特性和质量特性解算无人机的六自由度运动方程；所述氢燃料电池系统通过CAN接口接收实时仿真目标机发送的需用功率指令，根据功率指令控制其自身系统内部的氢气和空气在电堆内进行化学反应并产生电能，并通过CAN接口向实时仿真目标机发送实际产生的功率数值；所述电子负载用于消耗掉氢燃料电池系统产生的电能；步骤2：在仿真主控计算机中建立氢能源无人机模型并将模型进行编译；通过仿真主控软件将模型并下载至实时仿真目标机中；步骤3：在地面控制站软件中进行初始设定，装载无人机的飞行航线并将航线发送给实时仿真目标机，设定无人机处于起飞的控制状态；步骤4：启动氢燃料电池系统，进行系统自检，自检完毕后进入运行状态；步骤5：启动电子负载，处于运行状态；步骤6：在仿真主控计算机上的仿真主控软件中启动仿真模型运行，仿真开始，地面站软件发送起飞指令；步骤7：飞行控制器模型根据地面站软件给定的无人机的飞行状态和无人机当前的飞行参数，通过飞行控制律解算生成对应的无人机的各舵机控制指令和电动机的转速指令；步骤8：转速指令送入电动机转速功率模型进行解算，得到此时的需用功率；需用功率通过实时仿真目标机的CAN卡上对应的CAN通道发送给氢燃料电池系统；电动机转速功率模型的计算公式为： 其中，Prequire为需用功率；ncmd为目标转速指令；D为螺旋桨的直径；ρ为当前的空气密度；CP为螺旋桨的拉力系数，有即CP为高度H、转速n、飞机速度V的非线性函数；ηmotor为电动机的效率；ηgrid为飞机电网的效率；本步骤中涉及到的参数均由风洞试验或流体仿真计算得到；步骤9：氢燃料接收到功率指令Prequire后，自身控制氢气与空气的化学反应，按功率需求产生电能量；步骤10：氢燃料电池将产生的电能量输送至电子负载进行能量消耗，并将实际产生的电功率通过CAN口发送给实时仿真目标机；步骤11：实时仿真目标机采集到氢燃料电池产生的实际功率后，将实际功率值送入电动机功率推力模型解算，得到此时电动机的推力；电动机功率推力模型的计算公式为：T＝Ct·n2·D4·ρ其中，T为推力；n为当前的电动机转速；D为螺旋桨的直径；ρ为当前的空气密度；Ct为螺旋桨的拉力系数，有即Ct为高度H、转速n、飞机速度V的非线性函数；本步骤中涉及到的参数均由风洞试验或流体仿真计算得到；步骤12：根据得到的电动机推力和各舵机的指令，无人机六自由度运动模型进行运动方程解算，得到下一时刻的无人机的运动状态；若仿真试验未完成，则返回步骤7形成闭环；若仿真试验已完成，则进入步骤13；步骤13：关闭燃料电池系统和电子负载，在仿真主控计算机上停止仿真运行；步骤14：通过仿真主控计算机上记录的仿真数据，分析飞行仿真过程的无人机飞行数据与燃料电池相关数据。

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