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Planificación de Rutas Constriñadas por Energía de Día y Noche para Aeronaves Estratosféricas: Un Marco Híbrido de Optimización por Enjambre de Partículas con Nivel Conjunto (LS-PSO) en Flujos Dinámicos

Autores: Liu, Cheng; Li, Xiang; Miao, Jinggang; Feng, Yu; Bian, Chunjiang

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2025

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Acceso abierto

Artículo científico
2025

Planificación de Rutas Constriñadas por Energía de Día y Noche para Aeronaves Estratosféricas: Un Marco Híbrido de Optimización por Enjambre de Partículas con Nivel Conjunto (LS-PSO) en Flujos Dinámicos


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Aeroespacial

Palabras clave

Planificación de trayectorias
Dirigibles estratosféricos
Campos de viento
Optimización híbrida de enjambre de partículas con nivel de conjunto (LS-PSO)
Secuencia de velocidad
Eficiencia de optimización

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 16

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
La planificación de rutas para dirigibles estratosféricos en campos de viento dinámicos es un desafío debido a las complejas variaciones del viento y las estrictas limitaciones de energía nocturna. Este documento propone un marco híbrido de Optimización por Enjambre de Partículas con Nivel de Conjunto (LS-PSO). En primer lugar, emplea PSO para buscar de manera iterativa una secuencia de velocidad de propulsión en el dominio de la velocidad, con una función de aptitud multiobjetivo que integra la alcanzabilidad, el consumo de energía y el costo de tiempo para evaluar cada secuencia de velocidad. Luego, la alcanzabilidad de cada secuencia candidata se resuelve numéricamente mediante la evolución hacia adelante del Nivel de Conjunto. Para mejorar la eficiencia de la optimización, proponemos una estrategia adaptativa de cuadrícula de multi-resolución para las evoluciones hacia adelante. Finalmente, con la secuencia de velocidad óptima, se genera una ruta óptima una vez mediante el procesamiento de retroceso del Nivel de Conjunto. Para validar la metodología resultante, utilizamos un caso de referencia de un flujo dinámico complejo de cuatro remolinos, descrito por fórmulas matemáticas, con la ruta óptima día-noche identificada por GPOPS-II. Los resultados muestran que la solución LS-PSO tiene una precisión comparable, con una desviación de trayectoria inferior al 3%. Luego, probamos la metodología en los flujos de viento estratosféricos utilizando datos de reanálisis de ERA5. Los resultados demuestran que nuestra metodología de planificación de rutas proporciona una solución óptima y eficiente en términos de energía y tiempo para dirigibles estratosféricos autónomos, mientras se ajusta a la alcanzabilidad y a las estrictas limitaciones de energía nocturna.

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