本发明专利技术公开一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，在自然膨胀阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，利用此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和吊舱的姿态信息，进而实时估算出吊绳拉力；在保形阶段，以目标高度作为输入量，利用高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，再采用自然膨胀阶段类似的处理方式实时估算出目标高度下的吊绳拉力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于智能控制的，具体涉及一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法。
技术介绍
1、针对无推力配置的浮空器装置，该浮空器的平面运动随外界风场被动漂浮，在垂直方向上，通过调节浮力实现高度改变，其上的悬挂吊舱具有装载方便，载荷视野开阔等优点，因此带悬挂吊舱的浮空器装置由于其垂直起降和长时间、大范围的移动能力，在环境观测、气象观测领域具有广泛的应用，然而对其悬挂吊舱的姿态和吊绳拉力的定量计算还少有研究。由于悬挂吊舱的吊绳承担的拉力大小和载荷的装载都是保守设计的，导致吊绳的重量增加，减小所能携带的效载荷的质量，且有效载荷的视野不够开阔，极大地限制了该浮空器的实际应用范围。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，丰富了对浮空器的悬挂吊舱的姿态以及吊绳拉力的研究，为浮空器所能承受的载荷设计提供了依据，极具工程实用价值。
2、本专利技术可通过以下技术方案实现：
3、一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，
4、在自然膨胀阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，利用此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出吊绳拉力；
5、在保形阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，以目标高度作为输入量，利用高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，结合此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出目标高度下的吊绳拉力。
6、进一步，构建包含吊舱的整体动力学模型如下所示
7、
8、其中，m＝mair+mhe+mstru+madd为浮空器的总质量，mair和mhe分别为副气囊内所充的空气质量和和氦气囊内所充的氦气质量，mstruc为浮空器本体的结构质量，madd为浮空器本体的附加质量，b＝ρv为浮空器所受到的总浮力，这里v＝vair+vhe为浮空器的总体积，ρ为外部参考大气的密度，ix,iy和iz均为浮空器本体的转动惯量，
9、分别为浮空器本体所受到的空气动力，la＝qslrefcl,ma＝qslrefcm和na＝qslrefcn为浮空器本体所受到的空气力矩，这里cx、cy、cz、cl、cm、和cn均为气动力系数，s为气动力计算的参考面积，lref为气动力计算的参考长度，vo＝[u v w]t为浮空器的运动速度，vw＝[uw，vw，ww]t为外界环境风场的风速大小，ω＝[p q r]t为浮空器在机体坐标系下的角速度，φl、θl为吊舱的姿态角度，d为吊舱悬挂点距离浮空器体心的距离。
10、进一步，在自然膨胀阶段，采用如下公式计算总浮力b，
11、
12、其中，mair,tair,pair和mhe,the,phe分别为副气囊和氦气囊内部气体的质量、温度、压强，ρ,t,p分别为外部参考大气的密度、温度和大气压强，mair和mhe分别代表空气和氦气的摩尔质量；
13、在保形阶段，采用如下公式计算总浮力b，
14、
15、进一步，在自然膨胀阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
16、
17、(上升)
18、其中，cp,he和cp,air分别为氦气和空气的比热，∑qhe,i和∑qair,i分别代表氦气囊和副气囊和外界大气的热交换率，vair，vhe分别为副气囊和氦气囊内部气体的体积；
19、在保形阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
20、
21、本专利技术有益的技术效果在于：
22、构建完备的包含吊舱的整体动力学模型计算浮空器悬挂吊舱的吊绳拉力，并分自然膨胀阶段和保形阶段计算整体动力学模型所需的总浮力，简化模型复杂度，提高计算效率，借助本专利技术的计算方法完成对浮空器悬挂吊舱从地面到20km高度再返回地面的全过程的吊绳拉力变化和吊舱姿态变化规律的研究，分析影响吊舱拉力和姿态的最大值发生的高度，以及外界影响因素，进而可以依据外界环境的状况估算吊舱所达到的姿态和所需的吊绳拉力。
23、该专利技术给出了估算浮空器悬挂吊舱系统的吊绳拉力和吊舱姿态的完备的动力学模型，通过全过程仿真给出了浮空器悬挂吊舱系统吊绳拉力和吊舱姿态的运动规律，为实际吊舱的吊绳拉力设计和载荷装配提供了理论依据，极具工程应用价值。
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【技术保护点】
1.一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，
2.根据权利要求1所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：构建包含吊舱的整体动力学模型如下所示
3.根据权利要求2所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：在自然膨胀阶段，采用如下公式计算总浮力B，
4.根据权利要求2所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：在自然膨胀阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
【技术特征摘要】
1.一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，
2.根据权利要求1所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：构建包含吊舱的整体动力学模型如下所示
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽，曹旭，董琦，林杰，宋哲，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：
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