一种用于平流层浮空器定点驻空的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术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系统，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。

A Control System and Method for Stationary Station of Stratospheric Aerostat

【技术实现步骤摘要】
一种用于平流层浮空器定点驻空的控制系统及方法
本专利技术属于自动控制的
，具体涉及一种用于平流层浮空器定点驻空的控制系统及方法。
技术介绍
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、于云本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于平流层浮空器定点驻空的控制系统，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，整个系统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...

【技术特征摘要】
1.一种用于平流层浮空器定点驻空的控制系统，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，整个系统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，整个系统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系统，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系统，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系统，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，整个系统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系统的控制方法，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、姿态信息以及整个系统质心的当前高度、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系统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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽，邓宇翔，高其远，马影，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31