一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略，根据初始远距离，设置减速开始距离与悬停开始距离；测量飞艇实时飞行位置，并与目标悬停位置进行比较，并作出控制模式选择判断；设定飞艇匀速飞行的期望速度为u

A three stage control strategy for long range hover of airship

The invention discloses a method for realizing three airship remote hovering control strategy, according to the initial distance, setting a deceleration start distance and hover start distance; real-time measurement of airship flight position, and compared with the target hover position, and make the control mode selection judgment; set the desired speed uniform flight for airship u

【技术实现步骤摘要】
一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略
本专利技术属于飞行器控制领域，涉及一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略。
技术介绍
由于平流层有着稳定的气象条件和良好的电磁特性，平流层飞艇的应用价值和广阔应用前景引起了世界各国的重视，越来越多的文献进行了相关的报道。在现有的公开文献中，关于飞艇飞行控制系统的资料较少，大多是关于飞艇设计和稳定性分析。目前关于飞艇悬停控制的研究比较多的多是关于近距离的飞艇悬停控制，重点在于悬停的准确性与快速性。但已公开的远距离定点悬停的研究成果较少，主要是远距离的定点悬停控制和近距离的定点悬停控制有本质的区别。因为近距离定点悬停可以采用位置误差的PID控制得以实现，而初始点距目标悬停点较近，因此采用一套参数即可获得满意的控制效果。而远距离的定点悬停由于初始位置离目标悬停点较远，难以通过位置PID控制而实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略，解决了目前定点悬停由于初始位置离目标悬停点较远，难以通过位置PID控制而实现的问题。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤一：根据初始远距离，设置减速开始距离与悬停开始距离；假设初始时刻飞艇距离目标定点悬停位置为d0，则设定减速开始距离为l，设定悬停开始距离为m；步骤二：测量飞艇实时飞行位置，并与目标悬停位置进行比较，并作出控制模式选择判断；测量飞艇的实时飞行位置，记为x，而期望的远距离定点悬停位置记为xd，则两种之间的距离记为d＝|x-xd|；如果l＜d＜d0，则进入第一段匀速飞行控制段；如果m＜d≤l，则进入第二段减速飞行控制段；如果0＜d≤m，则进入第三段定点悬停控制段；步骤三：设定飞艇匀速飞行的期望速度为ud，测量飞艇的实际前向飞行速度为u，则速度误差记为eu，进行匀速飞行段飞艇前向速度跟踪控制律设计；步骤四：速度控制；选定悬停开始段的期望速度，进行减速段控制；首先记录减速段开始的时间，记为t1；其次设定悬停开始段的期望速度为udb，然后设定减速持续时间为ta，按照如下公式选取：ta＝2(l-m)/(uda+udb)最后设定期望速度vd＝uda-(uda-udb)(t-t1)/ta，并以该速度为期望速度，输入给步骤三设计的匀速飞行段飞艇前向速度跟踪控制律；步骤五：位置控制；测量飞艇的位置信息、前向速度信息，进行小距离的精确定点悬停控制；其中u2表示前向飞行的发动机输入参数，以控制飞艇的前向运动动力，ex＝x-xd，其中x为惯性导航器件测量所得的飞艇实时位置，而xd为飞艇的期望定点悬停位置，其中u为飞艇前向飞行速度，其可由惯性导航器件测量而得，∫exdt为误差的积分，可有位置误差信号经过艇上计算机积分而得到，ka1、ka2、ka3、ε为正的控制参数；步骤六：建立飞艇俯仰通道模型，通过仿真来调选控制参数；其中而a11,a13,a22,a31,a33由计算M矩阵的逆阵而获得，即满足M矩阵由飞艇的质量与转动惯量所决定，其求取方法如下：I3为3阶单位矩阵；其中m为飞艇的质量，az为常量，m11、m33、m55由飞艇质量分布与转动惯量所决定：m11＝km1Mr，m33＝km2Mr，m55＝km3Iy，其中km1＝0.1053；km2＝0.8260；km3＝0.1256；Mr＝ρV，其中ρ为大气密度，V为飞艇的体积；Q为动压头，其计算方法为Q＝0.5ρVf2；Vf为飞艇的运动速度；为飞艇的前向飞行加速度；u为艇体坐标系中飞艇的前向飞行速度；为飞艇的垂向飞行加速度；w为艇体坐标系中飞艇的垂向飞行速度；为飞艇的俯仰角加速度；q为飞艇的俯仰角速度；为飞艇的俯仰角速度，θ为飞艇的俯仰角；为发射坐标系中飞艇的前向飞行速度；x为飞艇的前向飞行距离；为发射坐标系中飞艇的垂向飞行速度；z为飞艇的飞行高度；kg1与kg2为舵效常数；CX1、CX2、Cz1、Cz2与Cz3为飞艇受力相关的空气动力系数，CM1、CM2、CM1为飞艇受力矩相关的空气动力系数；专利技术的有益效果是提高了远距离情况下末段定点悬停的动态与稳态性能。该设计物理意义明确，能很好地解决远距离定点悬停的飞艇速度分配与规划问题，因此具有很高的工程实用价值。附图说明图1是本专利技术提供的一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略原理流程图；图2是本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的前向运动速度曲线；图3是本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的垂向运动速度曲线；图4是本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的给定0度俯仰角指令情况下的飞艇俯仰角小幅波动曲线；图5是本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的俯仰角速率曲线；图6是本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的水平飞行距离曲线；图7为本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的飞行高度曲线；图8为本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的推力曲线；图9是本专利技术实施例提供的8000米远距离定点悬停情况下的飞艇的前向运动速度期望值曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术实施例的目的在于提供一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略，该方法的特点是通过分三段过渡来实现飞艇执行远距离定点悬停任务。其中第一段为从出发到加速并匀速飞行到远距离的任务点附近，该段为匀速跟踪段，第二段为减速以为定点悬停做好准备，该段为减速段，第三段为定点悬停段，实现到达任务点的精确定点悬停功能。本专利技术包括如下七步：步骤一：根据初始远距离，设置减速开始距离与悬停开始距离；假设初始时刻飞艇距离目标定点悬停位置为d0，则设定减速开始距离为l，显然l＜d0，设定悬停开始距离为m，显然m＜l。步骤二：测量飞艇实时飞行位置，并与目标悬停位置进行比较，并作出控制模式选择判断；采用惯性导航组合，测量飞艇的实时飞行位置，记为x，而期望的远距离定点悬停位置记为xd，则两种之间的距离记为d＝|x-xd|。如果l＜d＜d0，则进入第一段匀速飞行控制段；如果m＜d≤l，则进入第二段减速飞行控制段；如果0＜d≤m，则进入第三段定点悬停控制段；步骤三：选定匀速飞行速度，并进行匀速飞行段飞艇前向速度跟踪控制律设计；设定飞艇匀速飞行的期望速度为ud，测量飞艇的实际前向飞行速度为u，则速度误差记为eu，此时可采用误差信号的PID控制律或其它控制律实现对给定速度信号的跟踪控制。步骤四：选定悬停开始段的期望速度，进行减速段控制；首先记录减速段开始的时间，记为t1；其次设定悬停开始段的期望速度为udb，显然udb＜uda；然后设定减速持续时间为ta，可以按照如下公式选取：ta＝2(l-m)/(uda+udb)最后设定期望速度vd＝uda-(uda-udb)(t-t1)/ta，并以该速度为期望速度，输入给步骤三设计的匀速飞行段飞艇前向速度跟踪控制律，所不同的是步骤三中期望速度为常值，而步骤四中期望速度为匀速减小的变量。步骤五：测量飞艇的位置信息、前向速度信息，进行小距离的精确定点悬停控制；经过前面的步骤一至步骤四后，飞艇已经飞行到定点悬停位置附近较小的范围内，而且经过减速段的缓冲，飞艇的飞行速度已经接近于0，那么采用常规的PID控制或者其它控制方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略，其特征在于按照以下步骤进行：步骤一：根据初始远距离，设置减速开始距离与悬停开始距离；假设初始时刻飞艇距离目标定点悬停位置为d0，则设定减速开始距离为l，设定悬停开始距离为m；步骤二：测量飞艇实时飞行位置，并与目标悬停位置进行比较，并作出控制模式选择判断；测量飞艇的实时飞行位置，记为x，而期望的远距离定点悬停位置记为x

【技术特征摘要】
1.一种实现飞艇远距离定点悬停的三段式控制策略，其特征在于按照以下步骤进行：步骤一：根据初始远距离，设置减速开始距离与悬停开始距离；假设初始时刻飞艇距离目标定点悬停位置为d0，则设定减速开始距离为l，设定悬停开始距离为m；步骤二：测量飞艇实时飞行位置，并与目标悬停位置进行比较，并作出控制模式选择判断；测量飞艇的实时飞行位置，记为x，而期望的远距离定点悬停位置记为xd，则两种之间的距离记为d＝|x-xd|；如果l＜d＜d0，则进入第一段匀速飞行控制段；如果m＜d≤l，则进入第二段减速飞行控制段；如果0＜d≤m，则进入第三段定点悬停控制段；步骤三：设定飞艇匀速飞行的期望速度为ud，测量飞艇的实际前向飞行速度为u，则速度误差记为eu，进行匀速飞行段飞艇前向速度跟踪控制律设计；步骤四：速度控制；选定悬停开始段的期望速度，进行减速段控制；首先记录减速段开始的时间，记为t1；其次设定悬停开始段的期望速度为udb，然后设定减速持续时间为ta，按照如下公式选取：ta＝2(l-m)/(uda+udb)最后设定期望速度vd＝uda-(uda-udb)(t-t1)/ta，并以该速度为期望速度，输入给步骤三设计的匀速飞行段飞艇前向速度跟踪控制律；步骤五：位置控制；测量飞艇的位置信息、前向速度信息，进行小距离的精确定点悬停控制；其中u2表示前向飞行的发动机输入参数，以控制飞艇的前向运动动力，ex＝x-xd，其中x为惯性导航器件测量所得的飞艇实时位置，而xd为飞艇的期望定点悬停位置，其中u为飞艇前向飞行速度，其可由惯性导航器件测量而得，∫exdt为误差的积分，可有位置误差信号经过艇上计算机积分而得到，ka1、ka2、ka3、ε为正的控制参数；步骤六：建立飞艇俯仰通道模型，通过仿真来调选控制参数；

【专利技术属性】
技术研发人员：张友安，雷军委，刘海峰，孙玉梅，辛涛，吴华丽，
申请(专利权)人：烟台南山学院，中国人民解放军海军航空工程学院，
类型：发明
国别省市：山东,37