CN110244754A - 一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动控制技术领域，公开了一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***，包括与矢量推力复合模块相连的高度保持模块、姿态跟踪模块，姿态跟踪模块与俯仰滚转控制模块相连，矢量推力复合模块与非线性映射模块相连，非线性映射和俯仰滚转控制模块与主控制器相连，主控制器通过状态测量模块与高度保持和姿态跟踪模块相连，高度保持模块和姿态跟踪模块通过PID跟踪算法，获得目标高度和姿态与跟踪加速度的关系，矢量推力复合模块和俯仰滚转控制模块通过动态逆方法获得跟踪的控制力和滑块位置，非线性映射模块把控制力转化到每个矢量推力的大小和转角上，该状态测量单元对浮空器的当前状态检测并反馈至高度保持和姿态跟踪模块，实现闭环控制。
Description
技术领域
本发明属于自动控制的技术领域，具体涉及一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***及方法。
背景技术
平流层浮空器工作在距离地面2万米的高度飞行，作为定点驻空平台，和低空飞行器相比其具有观察范围大的特点，和轨道卫星相比其具有分辨率高的优势，适于完成通讯中继和对地观测等任务，而太阳能电池是其长时间驻空的理想能源，因此，姿态控制对增强太阳能电池的输出功率和改善对地观测效果很重要。
平流层浮空器具有复杂的操纵机构配置：气动舵面、矢量推力、前/后副气囊等。平流层浮空器为小推重比浮空器，因此推力的操纵能力有限，另外由于飞行速度较低，导致常规舵面的操纵效率降低，需要开发低速度下有效的操纵手段，变质心控制就是一种备选方案。
经过对现有技术的检索发现，变质心方案大多采用质量块方式实现配重，通过这种单一形式改变飞行器的重心，高明伟和单雪雄改变浮空器重心位置控制纵向运动[J].力学季刊.2006,27(4)提出改变浮空器重心的轴向位置来控制其纵向运动，从空气动力学角度分析了变质心方法比常用的改变升降舵偏角的控制方法效率高，但文章没有具体变质心实施方案；凡永华、于云峰、闫杰的平流层浮空器高度控制***设计及仿真；科学技术与工程,2011,24(11):5957-5961，实现了副气囊和升降舵的复合俯仰控制，但文中副气囊对浮空器姿态的操纵通过外加俯仰力矩实现，未考虑实际副气囊的操纵动力学。陈丽,闫骁绢,周革,段登平,高平流层浮空器变质心复合控制技术研究,高技术通讯,2012,22(3):289-293，提出了采用广义逆方法，设计了高平流层浮空器非线性复合控制器，提出了采用质量滑块作为变质心方案。孟蒙,陈丽,基于副气囊和舵面的平流层浮空器姿态控制分配策略,高技术通讯,2013,23(3):289-295提出了了副气囊和舵面的复合变质心控制策略。
以上研究均为浮空器的俯仰姿态控制方法研究，但目前未见公开的平流层浮空器滚转姿态控制的资料，未有平流层浮空器定点驻空时姿态控制的方案的研究。
发明内容
本发明提供了一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***及方法，解决了现有技术中对定点驻空时缺少姿态控制的方法等问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***，包括高度保持模块、姿态跟踪模块，所述高度保持模块、姿态跟踪模块与矢量推力复合模块相连，所述姿态跟踪模块与俯仰滚转控制模块相连，所述矢量推力复合模块与非线性映射模块相连，所述非线性映射模块、俯仰滚转控制模块与浮空器的主控制器相连，所述主控制器通过状态测量模块与高度保持模块、姿态跟踪模块相连，
所述状态测量模块用于测量浮空器的姿态信息、垂直高度信息，和在地理坐标系下的位置和速度信息；
所述高度保持模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前高度和目标高度信息，利用比例微分积分控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪加速度；
所述姿态跟踪模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前姿态信息和目标姿态信息，利用比例微分积分控制器，生成在机体坐标系下的姿态跟踪加速度；
所述矢量推力复合模块用于接收高度跟踪加速度以及姿态跟踪加速度，生成高度和偏航两个方向所需的动力；所述俯仰滚转控制模块用于接收姿态跟踪加速度，生成控制俯仰和滚转方向所需的滑块的位置信息；
所述非线性映射模块用于接收矢量推力复合模块生成的动力，结合浮空器的动力学方程，生成浮空器的每个螺旋桨所需的推力及其对应的角度。
进一步，所述矢量推力复合模块包括高度推力生成模块和偏航差动力生成模块，所述高度推力生成模块与高度保持模块相连，所述偏航差动力生成模块与姿态跟踪模块相连，所述高度推力生成模块接收高度跟踪加速度，利用动态逆算法，生成高度方向的推力；所述偏航差动力生成模块接收姿态跟踪加速度中对应的偏转角信息，利用动态逆算法，生成偏转方向的差动力；
所述俯仰滚转控制模块接收姿态跟踪加速度中的对应俯仰角、滚转角信息，利用动态逆算法，生成滑块的位置信息。
进一步，所述浮空器上设置有纵向滑块和横向滑块，所述纵向滑块沿纵向导轨运动，所述纵向导轨设置在浮空器表面，且位于机体坐标系的xoz平面上，所述横向滑块沿横向导轨运动，所述横向导轨设置在浮空器表面，且位于机体坐标系的yoz平面上，所述横向导轨和纵向导轨相交，其交点设置在z轴与飞行器底面相交的点上。
进一步，所述高度保持模块包括高度跟踪速度模块和高度跟踪加速度模块，所述高度跟踪速度模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前高度和目标高度信息，以及机体坐标系下当前的前飞速度和俯仰角信息，利用比例控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪速度，所述高度跟踪加速度模块用于接收高度跟踪速度和飞行器在机体坐标系z轴方向的速度，利用比例积分控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪加速度。
一种基于上文所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制***的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、设定目标高度和姿态信息；
步骤二、根据所述目标高度、姿态信息以及整个***质心的当前高度、姿态信息，计算高度方向的推力和偏航方向的差动力，再利用浮空器的动力学方程，计算浮空器上每个矢量螺旋桨所需的推力及对应的角度，实现对浮空器在高度和偏转方向的控制；
步骤三、根据所述目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，计算滑块的位置信息，进而控制滑块的运动，从而实现对浮空器在俯仰和滚转方向的控制。
进一步，对浮空器在高度和偏转方向的控制方法包括以下步骤：
步骤I、根据所述目标高度信息和整个***质心的当前高度信息，通过比例微分积分控制，结合动态逆算法，计算高度方向的推力；
步骤II、根据所述目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，通过比例微分积分控制，结合动态逆算法，计算偏航方向的差动力；
步骤III、根据所述高度方向的推力和偏航方向的差动力，利用浮空器的动力学方程，计算浮空器上每个矢量螺旋桨所需的推力及对应的角度。
进一步，生成高度方向的推力方法包括以下步骤：
步骤i、根据所述目标高度信息和整个***质心的当前高度信息，以及机体坐标系下的当前前飞速度和俯仰角信息，通过比例控制，计算在机体坐标系下的高度跟踪速度wc，
其中，zgc和zg分别表示惯性坐标系下的目标高度和当前高度，k表示比例控制器的系数，u和θ分别表示机体坐标系下的前飞速度和俯仰角；
步骤ii、根据所述高度跟踪速度和飞行器在机体坐标系z轴方向的当前速度，利用比例积分控制器，计算机体坐标系下的高度跟踪加速度
其中，kpw和kiw分别表示比例积分控制的系数，w表示飞行器在机体坐标系z轴方向的当前速度。
步骤iii、根据所述高度跟踪加速度，利用动态逆算法，计算高度方向的推力TZc。
进一步，根据所述目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，通过比例微分积分控制，利用如下方程式，计算机体坐标系下的姿态跟踪加速度和再利用所述姿态跟踪加速度中的偏航角加速度计算偏航方向的差动力Tψc，
其中，kpφ，kdφ，kiφ，kpθ，kdθ，kiθ，kdψ，kpψ分别表示对应通道的比例微分积分控制器的系数，φc，θc，ψc表示地理坐标系下的目标姿态信息，ψc＝atan2(-Vwy，-Vwx)，Vwy和Vwx表示浮空器所处目标环境中的风速在惯性坐标系下的水平分量，φc和θc表示常量，φ，θ，ψ表示地理坐标系下的当前姿态信息。
进一步，利用所述姿态跟踪加速度中的滚转角加速度和俯仰角加速度结合动态逆算法，计算滑块的位置信息，进而控制滑块的运动。
进一步，利用如下方程式计算得到高度方向的推力TZc、偏航方向的差动力Tψc和滑块的位置信息，
其中，表示控制系数矩阵，Δcof＝diag(ms+m33，Ix+m44，Iy+m55，Iz+m66)表示质量矩阵，mS是整个***的质量，Ix，Iy，Iz分别表示浮空器的三轴转动惯量，m33，m44，m55，m66分别表示浮空器的高度、滚转、俯仰和偏航通道的附加质量，和分别表示纵向滑块和横向滑块的质量比，G表示浮空器的质量，(xs，ys，zs)表示浮空器上的左侧和右侧矢量螺旋桨在机体坐标系下的安装位置，且有xs＝zs＝0，f(X)表示动力学方程中与浮空器的状态相关的非线性项，h(X)表示***输出量变量和当前状态变量的非线性函数关系，xlonc，ylatc分别表示浮空器上的纵向滑块和横向滑块对应的位置信息，(·)-1表示广义逆，
利用如下方程式计算得到浮空器上左侧和右侧矢量螺旋桨对应的推力Tc1、Tcr和转角δc1、δcr，
其中，(xs，ys，zs)为左侧和右侧矢量螺旋桨在机体坐标系下的安装位置，且有xs＝zs＝0。
本发明有益的技术效果在于：
通过调节横向滑块和纵向滑块的位置实现对整个***的变质心调节，进而实现对浮空器的俯仰和滚转操纵，然后与矢量推力复合实现对浮空器的高度保持和航向控制，给出了定点驻空和姿态控制的整体控制方案，控制***设计简单，在线计算量小，且易于实现，仿真结果有效的验证了不同速度下的定点驻空的品质。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的左侧和右侧矢量螺旋桨在xoz投影面的矢量推力分解示意图；
图3是本发明的电路控制框图；
图4是利用本发明的方法进行闭环控制时，浮空器的高度和姿态响应示意图；
图5是利用本发明的方法进行闭环控制时，滑块的位置和飞行器的平面位置示意图；
图6是利用本发明的方法进行闭环控制时，控制力和矢量推力图；
图7是利用本发明的方法进行开环控制时，不同速度下定点驻空的品质示意图；
图8是利用本发明的方法进行闭环控制时，不同速度下定点驻空的品质示意图，风场条件设置为[0,-5,0]；
其中，1-右侧矢量螺旋桨，2-左侧矢量螺旋桨，3-气动舵面，4-前副气囊，5-后副气囊，6-纵向滑块，7-横向滑块。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
考虑回转对称浮空器的特点以及计算方便，假定地理坐标系为[xg、yg、zg]，对应的姿态为[Φ、θ、Ψ]，机体坐标系为[x、y、z]，其原点为机体的体积中心，对应的x轴、y轴、z轴上的速度为[u、v、w]，对应的x轴、y轴、z轴上的角速度为[p、q、r]。
本发明提供了一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***，通过调节双质量滑块的位置实现对整个***的变质心调节，进而实现对浮空器的俯仰和滚转操纵，然后与矢量推力复合实现浮空器的高度保持和航向控制。可采用导轨、滑块式的变质心方案，将电源和载荷作为移动部件实现浮空器的前后俯仰和左右滚转控制，同时，给出双质量滑块的质量比和运动参数的关系，确定滑块运动和浮空器的质心位置的关系。主要通过PID跟踪算法，获得目标高度和姿态与跟踪加速度的关系，再动态逆方法获得跟踪所需的控制力和滑块的位置信息，然后把跟踪所需的控制力转化到每个矢量螺旋桨的推力的大小和转角上，作用于浮空器得到实际的姿态和位置，最后对浮空器的当前状态进行检测并反馈输出至前端输入端，从而实现闭环控制。
作为实时监控平台，定点驻空表示浮空器在一定的平面位置范围内驻留，并保持高度稳定以获得高分辨率的对地观测，其中俯仰和滚转控制可是满足太阳能输出功率调节和对地观测任务需求，航向控制可以改变路线航向和抗风。由于姿态和速度的耦合，进行姿态控制的时候，对飞行的前向速度不做控制。
本发明主要针对常规布局平流层的浮空器，如图1所示，其右侧矢量螺旋桨1和左侧矢量螺旋桨2可以进行水平和垂直位置的控制，其气动舵面3可以实现飞行器的姿态控制，前副气囊4和后副气囊5可以实现升降过程的高度控制，但是由于定点驻空条件下的限制，在该条件下，大气密度低、空速小，其气动舵面效率低，因此，运动过程中不考虑气动舵面的操纵，其姿态控制采用本发明提出的双质量滑块方案实现。
具体地，如图1所示，在浮空器上设置有纵向滑块6和横向滑块7，该纵向滑块6沿纵向导轨运动，该纵向导轨设置在浮空器表面，且位于机体坐标系的xoz平面上，该横向滑块7沿横向导轨运动，该横向导轨设置在浮空器表面，且位于机体坐标系的yoz平面上，该横向导轨和纵向导轨相交，其交点设置在z轴与飞行器底面的交点上。
不考虑滑块重量的浮空器本体的质量为mB，纵向和横向滑块的质量分别为mlon和mlat，整个***的质量为mS,有mS＝mB+mlon+mlat，对应滑块的质量比定义为假设浮空器本体的质心为B*,它的位置是PB＝(xG,yG,zG)固定的，与滑块的移动位置没有关系，整个***的质心为S*,它的位置PS＝(x′G,y′G,z′G)随滑块的位置改变而改变，两个导轨在机体坐标系的xOz和yOz平面内，对应的纵向滑块和横向滑块的位置分别为Plon＝(xlon,0,zlon)和Plat＝(0,ylat,zlat)。由于浮空器近似为纺锤体，长度较大且截面为圆形，故在xOz平面的导轨可看作平行机体轴的直线，在yOz平面的导轨可看作一段圆弧。可取纵向滑块位置为Plon＝(xlon,0,r)，横向滑块位置为其中，r表示浮空器的最大截面对应的半径。
因此，整个***的质心和各个部件的质心关系为：可通过改变滑块的位置，改变***的质心位置，进而实现对浮空器的姿态控制。
其变质心姿态控制原理为由于质心位置的改变，作用于浮空器的重力力矩FGB发生改变，其表达式如下：
其中，G表示浮空器的重力，B表示浮空器的浮力，φ,θ,ψ表示浮空器的滚转角、俯仰角和偏航角。
其矢量推力控制浮空器的速度、高度和航向角的原理如下：
如图1所示，浮空器上左右两侧各配置一个矢量螺旋桨，每个矢量螺旋桨有两个控制自由度，力的大小和偏转转角Tcl和δcl，Tcr和δcr，如图2所示，通过在矢量推力坐标系下将其分解为水平推力TclH、TcrH和垂直推力TclV、TcrV，则有TclH＝Tclsin(δcl)，TclV＝-Tclcos(δcl)，TcrH＝Tcrsin(δcr)，TcrV＝-Tcrcos(δcr)，这里Tcl为左矢量推力大小，Tcr为右矢量推力大小，δcr为右矢量推力转角，δcl为左矢量推力转角。
定义矢量推力的水平和垂直分量为间接控制向量，将其在机体坐标系下进行合成，可以产生合成矢量推力的控制向量FT＝[TX，TZ，Tφ，Tψ]T。
其中，TX，TZ代表矢量推力在x轴和z轴方向的合力大小，Tφ和Tψ分别代表矢量推力在滚转和偏航方向产生的力矩大小，(xs,ys,zs)为左侧和右侧螺旋桨在机体坐标系下的安装位置，且有xs＝zs＝0。
在定点驻空过程中，矢量推力实现高度和偏航角度控制，因此，控制力TZ和Tψ为所需控制力，TX和Tφ则可以看作扰动力。
如图3所示，该控制***包括高度保持模块、姿态跟踪模块，该高度保持模块、姿态跟踪模块与矢量推力复合模块相连，该姿态跟踪模块与俯仰滚转控制模块相连，该矢量推力复合模块与非线性映射模块相连，该非线性映射模块、俯仰滚转控制模块与浮空器的主控制器相连，该主控制器通过状态测量模块与高度保持模块、姿态跟踪模块相连。
该状态测量模块用于测量浮空器的姿态信息、垂直高度信息，和在地理坐标系下的位置和速度信息；高度保持模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前高度和目标高度信息，利用比例微分积分控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪加速度；姿态跟踪模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前姿态信息和目标姿态信息，利用比例微分积分控制器，生成在机体坐标系下的姿态跟踪加速度；矢量推力复合模块用于接收高度跟踪加速度以及姿态跟踪加速度，生成高度和偏航两个方向所需的动力，具体包括高度推力生成模块和偏航差动力生成模块，高度推力生成模块与高度保持模块相连，偏航差动力生成模块与姿态跟踪模块相连，所述高度推力生成模块接收高度跟踪加速度，利用动态逆算法，生成高度方向的推力；偏航差动力生成模块接收姿态跟踪加速度中对应的偏转角信息，利用动态逆算法，生成偏转方向的差动力；俯仰滚转控制模块用于接收姿态跟踪加速度，生成控制俯仰和滚转方向所需的滑块的位置信息，具体地通过接收姿态跟踪加速度中的对应俯仰角、滚转角信息，利用动态逆算法，生成滑块的位置信息；非线性映射模块用于接收矢量推力复合模块生成的动力，结合浮空器的动力学方程，生成浮空器的每个螺旋桨所需的推力及其对应的角度。
该高度保持模块包括高度跟踪速度模块和高度跟踪加速度模块，该高度跟踪速度模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前高度和目标高度信息，以及机体坐标系下当前的前飞速度、俯仰角信息，利用比例控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪速度，该高度跟踪加速度模块用于接收高度跟踪速度和机体坐标系下的当前垂直速度，利用比例积分控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪加速度。
该目标姿态信息中的偏航角信息可由浮空器所处目标环境的风速决定，而俯仰角和滚转角信息则根据实际任务需求给定。
本发明还提供了一种基于上文所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制***的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、设定目标高度和姿态信息[zgc,φc,θc,ψc]T；
步骤二、根据目标高度信息和整个***质心的当前高度信息，通过比例微分积分控制，结合动态逆算法，计算高度方向的推力，具体如下；
步骤Ⅰ、根据目标高度信息和整个***质心的当前高度信息，以及机体坐标系下当前的前飞速度和俯仰角信息，通过比例控制，利用如下方程式，计算在机体坐标系下的高度跟踪速度wc；
其中，zgc和zg分别表示惯性坐标系下的目标高度和当前高度，k表示比例控制器的系数，u和θ分别表示机体坐标系下的前飞速度和俯仰角；
步骤Ⅱ、根据高度跟踪速度和飞行器在机体坐标系z轴方向的当前速度，利用比例积分控制器，利用如下方程式，计算机体坐标系下的高度跟踪加速度
其中，kpw和kiw分别表示比例积分控制的系数，w表示飞行器在机体坐标系z轴方向的当前速度；
步骤III、根据高度跟踪加速度，利用动态逆算法，计算高度方向的推力TZc。
步骤三、根据目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，通过比例微分积分控制，结合动态逆算法，计算偏航方向的差动力和滑块的位置信息，具体如下：
首先、根据目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，通过比例微分积分控制，利用如下方程式，计算机体坐标系下的姿态跟踪加速度和
其中，kpφ，kdφ，kiφ，kpθ，kdθ，kiθ，kdψ，kpψ分别表示对应通道的比例微分积分控制器的系数，φc，θc，ψc表示地理坐标系下的目标姿态信息，ψc＝atan2(-Vwy，-Vwx)，Vwy和Vwx表示浮空器所处目标环境中的风速在惯性坐标系下的水平分量，φc和θc表示常量，可根据实际任务需求给定，φ，θ，ψ表示地理坐标系下的当前姿态信息。
其次，利用姿态跟踪加速度中的滚转角加速度和俯仰角加速度结合动态逆算法，计算滑块的位置信息，利用姿态跟踪加速度中的偏航角加速度计算偏航方向的差动力Tψc。
对于滑块的位置信息、偏航方向的差动力Tψc和高度方向的推力TZc的计算，需要采用动态逆方法建立整个***的动力学模型，具体模型如下：
Y＝h(X)
其中，X＝(w，p，q，r)T表示浮空器的状态信息，f＝f(X)表示动力学方程中与浮空器的状态相关的非线性项，G(X，U)＝FGB+FT表示动力学方程中与状态和控制量都相关的项，Y＝[zg，φ，θ，ψ]T表示输出向量，h(X)表示输出向量和浮空器的状态之间的非线性函数关系。
G(X,U)＝FGB+FT可以写成仿射形式G(X,U)＝g(X)U
其中，U＝[TZ,Tψ,xlon,ylat]T表示间接控制向量，g(X)表示间接控制变量分离出后的系数矩阵，其表达式如下，
其中，Δcof＝diag(ms+m33,Ix+m44,Iy+m55,Iz+m66)表示质量矩阵，mS表示整个***的质量，Ix,Iy,Iz分别表示浮空器的三轴转动惯量，m33,m44,m55,m66分别表示浮空器在高度、滚转、俯仰和偏航通道上的附加质量，G表示浮空器的重量。
将输出向量Y的微分定义为这里对于给定的跟踪指令Yc＝[zgc，φc，θc，ψc]T，采用动态逆方法求得闭环***非线性反馈控制器：
其中，(·)-1表示广义逆，Uc＝[TZc,Tψc,xlonc,ylatc]T，
表示控制系数矩阵。
利用上述方程式就可以计算得到高度方向的推力TZc、偏航方向的差动力Tψc和滑块的位置信息。
步骤四、根据滑块的位置信息控制滑动的运动，根据高度方向的推力、偏航方向的差动力以及浮空器的动力学方程，计算浮空器上每个矢量螺旋桨所需的推力及对应的角度。
利用如下方程式计算得到浮空器上左侧和右侧矢量螺旋桨对应的推力Tcl、Tcr和转角δcl、δcr，
其中，(xs,ys,zs)为左侧和右侧矢量螺旋桨在机体坐标系下的安装位置，且有xs＝zs＝0。
为了验证本发明的***和方法的可行性，通过以下方法进行仿真。
假设浮空器的总体积为300000m3，艇长170m，最大直径50m，飞行高度20km，最大截面半径为25m，在仿真过程中，可取纵向滑块位置为Plon＝(xlon,0,25)，横向滑块位置为这里由于导轨长度的限制，取|xlon|≤40和|ylat|≤15，滑块可以为蓄电池部分，或者可移动载荷部分，占总浮空器总质量的30％，取滑块的质量比为μlon＝0.2,，μlat＝0.1。
给定飞行高度为hc＝2×104m，对于高度跟踪，定义高度差为Δh＝50m，当hc-h＞Δh，跟踪目标为质量速度当hc-h≤Δh,跟踪目标是位置h→hc。给定的姿态跟踪规划为：
给定初始飞行速度3m/s，闭环仿真结果如图6、7和8所示，从中可以看出高度跟踪误差在100m以内，如图4(a)所示，可以同时实现三轴姿态独立跟踪控制，如图4(b,c,d)所示，姿态稳定后，侧向偏差为253m，前向速度逐步降低，前向位置逐渐扩大，而图5(b)、图5(c)给出气流角的变化，表明变质心过程中飞行器的气动力矩同时在改变。
合成的高度方向的推力和偏航方向的差动力，以及分解后的矢量螺旋桨的输出如图6所示。
可以看出所提出的变质心方案和控制方法可以有效地实现控制目标。在不同初始速度下进行仿真，通过分析定点驻空的控制品质，给出实际可操纵的定点驻空方案。飞行速度范围是从0到3m/s，高度保持和姿态跟踪的控制器的参数不变。
首先，分析滑块的开环操纵，而航向和高度没有闭环的结果，如图7所示。从图7可以看出，当初始速度为0m/s的时候，相当于无风条件，由于滚转和偏航的强耦合，如图7(d)所示，浮空器将在一定的范围内转弯飞行，如图7(c)所示，随着空速的增加，俯仰和高度的耦合明显，飞行器的高度产生快速变化，如图7(a)所示，飞行器的位置也扩大，如图7(c)所示。给出定点驻空过程中的高度和姿态，均采用闭环的仿真结果，如图8所示，和图7相比，闭环后的定点保持有规则的侧向和前向运动，如图8(c)所示，高度变化也很小，当空速从0.5m/s到3m/s增加时，定点驻空范围是增加的，侧向偏移受航向角控制的影响。
特别注意的是，当初始速度为0m/s时，由于偏航和滚转的强耦合，如图8(d)所示，由于可控的偏航飞行时，保证浮空器不再转弯运动，但影响飞行速度增加，所以，定点驻空的范围会增加，如图8(c)所示。如果不进行航向控制，浮空器将在小的范围内盘旋，如果进行航向控制，飞行器将扩大主控范围，获得有规律的侧向运动偏移。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种用于平流层浮空器定点驻空的控制***，其特征在于：包括高度保持模块、姿态跟踪模块，所述高度保持模块、姿态跟踪模块与矢量推力复合模块相连，所述姿态跟踪模块与俯仰滚转控制模块相连，所述矢量推力复合模块与非线性映射模块相连，所述非线性映射模块、俯仰滚转控制模块与浮空器的主控制器相连，所述主控制器通过状态测量模块与高度保持模块、姿态跟踪模块相连，
所述状态测量模块用于测量浮空器的姿态信息、垂直高度信息，和在地理坐标系下的位置和速度信息；
所述高度保持模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前高度和目标高度信息，利用比例微分积分控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪加速度；
所述姿态跟踪模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前姿态信息和目标姿态信息，利用比例微分积分控制器，生成在机体坐标系下的姿态跟踪加速度；
所述矢量推力复合模块用于接收高度跟踪加速度以及姿态跟踪加速度，生成高度和偏航两个方向所需的动力；所述俯仰滚转控制模块用于接收姿态跟踪加速度，生成控制俯仰和滚转方向所需的滑块的位置信息；
所述非线性映射模块用于接收矢量推力复合模块生成的动力，结合浮空器的动力学方程，生成浮空器的每个螺旋桨所需的推力及其对应的角度。
2.根据权利要求1所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制***，其特征在于：所述矢量推力复合模块包括高度推力生成模块和偏航差动力生成模块，所述高度推力生成模块与高度保持模块相连，所述偏航差动力生成模块与姿态跟踪模块相连，所述高度推力生成模块接收高度跟踪加速度，利用动态逆算法，生成高度方向的推力；所述偏航差动力生成模块接收姿态跟踪加速度中对应的偏转角信息，利用动态逆算法，生成偏转方向的差动力；
所述俯仰滚转控制模块接收姿态跟踪加速度中的对应俯仰角、滚转角信息，利用动态逆算法，生成滑块的位置信息。
3.根据权利要求1所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制***，其特征在于：所述浮空器上设置有纵向滑块和横向滑块，所述纵向滑块沿纵向导轨运动，所述纵向导轨设置在浮空器表面，且位于机体坐标系的xoz平面上，所述横向滑块沿横向导轨运动，所述横向导轨设置在浮空器表面，且位于机体坐标系的yoz平面上，所述横向导轨和纵向导轨相交，其交点落在机体坐标系z轴与飞行器底面的交点上。
4.根据权利要求1所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制***，其特征在于：所述高度保持模块包括高度跟踪速度模块和高度跟踪加速度模块，所述高度跟踪速度模块用于接收在地理坐标系下，整个***质心的当前高度和目标高度信息，以及机体坐标系下当前的前飞速度和俯仰角信息，利用比例控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪速度，所述高度跟踪加速度模块用于接收高度跟踪速度和飞行器在机体坐标系z轴方向的速度，利用比例积分控制器，生成机体坐标系下的高度跟踪加速度。
5.一种基于权利要求1所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制***的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、设定目标高度和姿态信息；
步骤二、根据所述目标高度、姿态信息以及整个***质心的当前高度、姿态信息，计算高度方向的推力和偏航方向的差动力，再利用浮空器的动力学方程，计算浮空器上每个矢量螺旋桨所需的推力及对应的角度，实现对浮空器在高度和偏转方向的控制；
步骤三、根据所述目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，计算滑块的位置信息，进而控制滑块的运动，从而实现对浮空器在俯仰和滚转方向的控制。
6.根据权利要求5所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制方法，其特征在于对浮空器在高度和偏转方向的控制方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ、根据所述目标高度信息和整个***质心的当前高度信息，通过比例微分积分控制，结合动态逆算法，计算高度方向的推力；
步骤Ⅱ、根据所述目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，通过比例微分积分控制，结合动态逆算法，计算偏航方向的差动力；
步骤Ⅲ、根据所述高度方向的推力和偏航方向的差动力，利用浮空器的动力学方程，计算浮空器上每个矢量螺旋桨所需的推力及对应的角度。
7.根据权利要求6所述的用于平流层浮空器定点驻空的控制方法，其特征在于生成高度方向的推力方法包括以下步骤：
步骤ⅰ、根据所述目标高度信息和整个***质心的当前高度信息，以及机体坐标系下的当前前飞速度和俯仰角信息，通过比例控制，计算在机体坐标系下的高度跟踪速度wc，
其中，zgc和zg分别表示惯性坐标系下的目标高度和当前高度，k表示比例控制器的系数，u和θ分别表示机体坐标系下的前飞速度和俯仰角；
步骤ⅱ、根据所述高度跟踪速度和飞行器在机体坐标系z轴方向的当前速度，利用比例积分控制器，计算机体坐标系下的高度跟踪加速度
其中，kpw和kiw分别表示比例积分控制的系数，w表示飞行器在机体坐标系z轴方向的速度。
步骤ⅲ、根据所述高度跟踪加速度，利用动态逆算法，计算高度方向的推力TZc。
8.根据权利要求7所述的用于多矢量螺旋桨组合浮空器的复合控制方法，其特征在于：根据所述目标姿态信息和整个***质心的当前姿态信息，通过比例微分积分控制，利用如下方程式，计算机体坐标系下的姿态跟踪加速度和再利用所述姿态跟踪加速度中的偏航角加速度计算偏航方向的差动力Tψc，
其中，kpφ，kdφ，kiφ，kpθ，kdθ，kiθ，kdψ，kpψ分别表示对应通道的比例微分积分控制器的系数，φc,θc,ψc表示地理坐标系下的目标姿态信息，ψc＝atan2(-Vwy,-Vwx)，Vwy和Vwx分别表示浮空器所处目标环境中的风速在惯性坐标系下的水平分量，φc和θc表示常量，φ,θ,ψ表示地理坐标系下的当前姿态信息。
9.根据权利要求8所述的用于多矢量螺旋桨组合浮空器的复合控制方法，其特征在于：利用所述姿态跟踪加速度中的滚转角加速度和俯仰角加速度结合动态逆算法，计算滑块的位置信息，进而控制滑块的运动。
10.根据权利要求9所述的用于多矢量螺旋桨组合浮空器的复合控制方法，其特征在于：利用如下方程式计算得到高度方向的推力TZc、偏航方向的差动力Tψc和滑块的位置信息，
其中，表示控制系数矩阵，Δcof＝diag(ms+m33,Ix+m44,Iy+m55,Iz+m66)表示质量矩阵，mS是整个***的质量，Ix,Iy,Iz分别表示浮空器的三轴转动惯量，m33,m44,m55,m66分别表示浮空器的高度、滚转、俯仰和偏航通道的附加质量，和分别表示纵向滑块和横向滑块的质量比，G表示浮空器的质量，(xs,ys,zs)表示浮空器上的左侧和右侧矢量螺旋桨在机体坐标系下的安装位置，且有xs＝zs＝0，f(X)表示动力学方程中与浮空器的状态相关的非线性项，h(X)表示***输出量变量和当前状态变量的非线性函数关系，xlonc,ylatc分别表示浮空器上的纵向滑块和横向滑块对应的位置信息，(·)-1表示广义逆，
利用如下方程式计算得到浮空器上左侧和右侧矢量螺旋桨对应的推力Tcl、Tcr和转角δcl、δcr，
其中，(xs,ys,zs)为左侧和右侧矢量螺旋桨在机体坐标系下的安装位置，且有xs＝zs＝0。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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