CN102902204A - 一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法 - Google Patents

Abstract

一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法，(1)建立包含动力学、运动学和热力学的飞艇数学模型；(2)将飞艇状态和飞艇所处环境的实时信息转换为相应物理量，即飞艇的位置、速度、姿态、飞艇所处环境的风速、风向、温度；(3)将遥控人员的实时操作转换为相应物理量，即飞艇舵面转角、推力；(4)利用步骤(2)、(3)中的物理量作为输入，通过对步骤(1)建立的飞艇数学模型进行开环仿真计算，得到当前时刻之后一段时间内飞艇的飞行轨迹仿真曲线以及飞行速度参数变化曲线；(5)遥控人员通过对仿真曲线和参数变化曲线进行判读，根据曲线判断已当前操作可能会引起的效果，如果有危及飞行安全的情况则立刻对操作方式进行修正，转步骤(2)循环，直至完成飞艇起飞或着陆的飞行动作。

Description

一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法

技术领域

本发明属于航空航天控制领域，涉及一种针对以静浮力为主升力的充气无人飞艇遥控起飞和着陆预警方法，特别适用于平流层飞艇等大型飞艇的起飞和着陆遥控操作。

背景技术

无人飞艇的飞行控制方式以有人参与的程度不同可以分为遥控、半自主和自主飞行控制。出于安全性考虑，三种方式在飞艇起飞和着陆阶段大多采用地面人员遥控为主的方式进行。地面遥控人员通过对艇上动力装置进行控制，使得飞艇能够从地面升空到安全高度和从空中安全着陆。由于飞艇自身为一大惯量、大滞后系统，且受环境影响显著，从施加控制手段到获得控制效果一般会有一定的滞后，滞后的时间不仅取决于飞艇自身特性还取决于环境因素。所以，为了保证飞艇的安全性，就需要对遥控人员提供必要的预警信息。

目前飞艇起飞和着陆的遥控预警方式主要有两种。一种是完全依靠遥控人员的个人经验，通过对飞艇飞行状态和环境因素的判断进行风险预判并执行相应的操作。另一种是通过地面设备，将安装在艇上测量装置所测得飞艇实时状态信息和环境信息通过显示界面或者语音反馈给遥控人员，并对个别重要指标设置报警阈值。遥控人员通过地面设备提供的遥测和报警信息进行判读后进行相应操作。前一种方法在小型低空商业飞艇上被广泛采用，后一种方法在大型高空飞艇和少量小型试验飞艇中有所应用。显然，后一种方法在预警措施和手段方面比前一种更优。但这种方法存在以下问题：

(1)缺少飞艇模型信息。目前所采用遥控方式，完全依靠人员操作，所以相应地面设备只是将艇上测量装置所测得飞艇实时状态信息和环境信息传给地面人员，这个过程并不用到飞艇模型信息。这种方式带来的问题就会使得遥控人员完全凭借经验进行操作，并对所实施操作带来的效果缺少定量的参考依据。尤其飞艇这种受环境影响显著的飞行器，环境的变化有很难被地面人员直观感知，即使遥测数据给出环境信息也很难令遥控人员建立定量概念，所以很难保证操作的准确性，无法保证飞艇飞行安全。

(2)实时信息无法保证飞行安全。以飞行高度这一参数为例，当飞艇着陆时，距地面达到报警阈值时，地面设备会给出相应警示。但遥控人员并不清楚当前操作是否会有危险，只能凭借经验更加小心操作，对飞行安全并没有实质性的帮助。此外，因为飞艇是一个大质量大惯量的系统，而动力装置往往控制效果不能实时显现，并且各种控制手段的效果都会一个控制超调的过程。而操作过程中又受环境的影响，所以遥控人员很难依靠地面设备给出的实时信息作出有效判断，无法保证飞行安全。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服以上问题不足，通过引入飞艇模型信息，经特定的预警算法将遥控人员的操作和环境变化的影响转换成定量信息，并对当前操作在下一时间段内产生的效果给出预报，从而为遥控人员的操作提供数字仿真依据，最大可能保证飞行安全。

本发明的技术解决方案是：一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法，步骤如下：

(1)建立包含动力学、运动学和热力学的飞艇数学模型；

(2)将飞艇状态和飞艇所处环境的实时信息转换为相应物理量，即飞艇的位置、速度、姿态、飞艇所处环境的风速、风向、温度；

(3)将遥控人员的实时操作转换为相应物理量，即飞艇舵面转角、推力；

(4)利用步骤(2)、(3)中的物理量作为输入，通过对步骤(1)建立的飞艇数学模型进行开环仿真计算，得到当前时刻之后一段时间内飞艇的飞行轨迹仿真曲线以及飞行速度参数变化曲线；

(5)遥控人员通过对仿真曲线和参数变化曲线进行判读，根据曲线判断当前操作可能会引起的效果，如果有危及飞行安全的情况则立刻对操作方式进行修正，转步骤(2)循环，直至完成飞艇起飞或着陆的飞行动作。

所述步骤(1)中的飞艇数学模型为：

$\left[\begin{array}{cc}\mathrm{mE}+M^{\′}& -{\mathrm{mr}}_G^{\×}\\ {\mathrm{mr}}_G^{\×}& I_0+{I_0}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{v}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}m(\mathrm{\ω}\×v+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×r_G))\\ \mathrm{\ω}\left(I_0\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{mr}}_G\×(\mathrm{\ω}\×v)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_B+F_A+F\\ T_B+T_A+T\end{array}\right]$

其中，E表示单位阵，m为飞艇的质量，I₀为转动惯量矩阵，M′为附加质量阵，I₀为附加惯量阵，r_G表示重心相对形心的位置，v表示飞艇的本体线速度，且v＝[u v w]^T，ω表示飞艇的角速度，且ω＝[p q r]^T，F_B为净浮力、F_A为空气动力和F为推力以及相应力在飞艇体坐标下所产生的力矩T_B，T_A，T。

所述的净浮力F_B的计算公式如下：

$F_B=(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{atm}}V+(\frac{R_{\mathrm{he}}}{R_{\mathrm{air}}}-1)m_{\mathrm{he}}-m_s)g$

其中，V为飞艇体积，ρ_atm为大气密度，m_s为飞艇结构质量，m_he为氦气质量，m_air为艇内空气质量，T_air为大气温度，ΔT艇内外气体温差，R_he、R_air为气体常数，g为重力加速度。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)通过引入包含热力学的飞艇数学模型，使得预警算法所得结果更接近真实情况，为遥控人员提供可靠的参考依据；

(2)环境变化引起的飞艇飞行状态改变可以通过预警算法给出的仿真结果体现出来，最大可能避免因为地面人员感知不到环境变化带来的风险；

(3)遥控人员可以通过预警算法仿真给出的当前遥控操作下飞艇未来一段时间的飞行轨迹和参数曲线，直观了解到当前操作会产生的效果。最大可能的规避因飞艇控制效果滞后带来的不确定因素。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是预警算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法，通过将测量装置所测飞艇和环境信息与遥控人员对动力装置所施加的操作信息输入给起飞/着陆预警算法，经过计算得出相应预警信息，最终显示给遥控人员。具体实施方式为：

1、建立包含动力学、运动学和热力学的飞艇数学模型。飞艇的数学模型主要通过机理分析的方式建立。飞艇的动力学模型为：

$\left[\begin{array}{cc}\mathrm{mE}+M^{\′}& -{\mathrm{mr}}_G^{\×}\\ {\mathrm{mr}}_G^{\×}& I_0+{I_0}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{v}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}m(\mathrm{\ω}\×v+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×r_G))\\ \mathrm{\ω}\left(I_0\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{mr}}_G\×(\mathrm{\ω}\×v)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_B+F_A+F\\ T_B+T_A+T\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式E表示单位阵，m为飞艇的质量(m＝m_s+m_he+m_air)，I₀为转动惯量矩阵，M′为附加质量阵，I₀为附加惯量阵，r_G表示重心相对形心的位置，v表示飞艇的本体线速度，且v＝[u v w]^T，ω表示飞艇的角速度，且ω＝[p q r]^T，式(1)的右端分别为净浮力F_B、空气动力F_A和推力F以及相应力在飞艇体坐标下所产生的力矩T_B，T_A，T。

假设飞艇所用浮升气体为氦气，考虑热力学影响，经过适当简化得到净浮力与大气温度的表达式：

$F_B=(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{atm}}V+(\frac{R_{\mathrm{he}}}{R_{\mathrm{air}}}-1)m_{\mathrm{he}}-m_s)g---\left(2\right)$

其中V为飞艇体积，ρ_atm为大气密度，m_s为飞艇结构质量，m_he为氦气质量，m_air为艇内空气质量，T_air为大气温度，ΔT艇内外气体温差，R_he、R_air为气体常数，g为重力加速度。

F_A＝-QV^2/3C                (3)

其中：

v₀为飞艇相对于空气的速度，C为气动系数，是与气流角和舵偏角相关的量，具体说明可以参见欧阳晋的博士论文《空中无人飞艇的建模与控制方法研究》。

推力F由于所采用方式不同，表达式也不同，以螺旋桨推力装置为例，其推力表达式为：

F＝k₁n²+k₂nv₀                (4)

其中：n为螺旋桨转速，k1，k2是常系数，根据不同的螺旋桨推力装置实测的n与F，进行拟合得到。

相应力矩的表达式与飞艇具体形状和各装置安装位置相关，这里不做描述。

用φ，θ、表示飞艇的姿态角，p＝[p_x p_y p_z]^T表示飞艇的位置坐标，则姿态角和飞艇航迹的运动方程可以描述为：

$\stackrel{\·}{p}={{\mathrm{DCM}}_{\mathrm{br}}}^{-1}v---\left(6\right)$

其中DCM_bi为惯性系与飞艇体坐标的转换矩阵。

惯性系为原点在飞艇起飞地点，三轴指向为东北天的地理惯性坐标系。飞艇体坐标系原点在飞艇几何中心，X轴指向艇首，Z轴与X轴垂直指向艇腹，Y轴与X、Z轴成右手系。

2、将飞艇状态和飞艇所处环境等实时信息转换为相应物理量作为起飞/着陆预警算法的输入；此步骤需要最终给出飞艇的位置、速度(本体线速度和角速度)、姿态、所处环境的风速、风向、温度等物理量。

例如可以利用GPS测量装置得到飞艇的经纬度信息，确定飞艇的位置，进而利用位置信息差分处理后得到速度信息；利用惯性姿态敏感器可以得到飞艇的姿态信息；利用风速风向仪测量装置采集的数字信号转化成相应的物理量，即可得到所处环境的风速、风向，利用温度传感器获取飞艇内外的气体温度。

3、遥控人员施加给动力装置的实时操作，通过转换为相应物理量作为起飞/着陆预警算法的输入。此环节最终给出飞艇舵面转角、推力等物理量。

由于不同飞艇所选装置不同，并且相关建模属于该领域共知技术，这里不做详细介绍。以飞艇动力装置升降舵为例：遥控人员通过使遥控器操纵杆发生位移发出舵面转角指令，舵机接到指令转动电机使舵面发生转动，通过实际测量并进行拟合可以建立从操纵杆位移到舵面转角间的数学模型，根据该模型将实施操作信息转换为飞艇舵面转角物理量。

4、起飞/着陆预警算法为一开环仿真程序，其流程如图2所示，即用步骤2和3中给出物理量作为输入，求解式(1)、(5)、(6)微分方程，计算结果为飞艇当前时刻之后0～5分钟(具体时间可通过设置仿真时长参数进行调整，选择0时则显示实时飞行状态信息)的飞艇位置姿态仿真曲线(即飞行轨迹仿真曲线)以及飞行速度参数变化曲线。程序初始化里需要确定由外部用户输入的仿真时长和数据刷新时间参数。仿真时长取决于显示数据刷新时间和仿真程序运行时间。数据刷新时间即遥控人员所看显示界面刷新时间，由于飞艇为慢动态系统，所以不需要高刷新率，一般2～5秒比较适合。仿真程序运行时间取决于设备配置，程序运行环境和所选仿真步长和时长。在VC环境下编程仿真，可以实现2秒刷新率下给出5分钟的仿真曲线。

5、遥控人员通过对仿真曲线和参数曲线进行判读，了解自己当前操作在所设定的仿真时长里可能会引起的效果，如果有危及飞行安全的情况则立刻对操作方式进行修正，直至完成飞艇起飞或着陆的飞行动作。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立包含动力学、运动学和热力学的飞艇数学模型；

(2)将飞艇状态和飞艇所处环境的实时信息转换为相应物理量，即飞艇的位置、速度、姿态、飞艇所处环境的风速、风向、温度；

(3)将遥控人员的实时操作转换为相应物理量，即飞艇舵面转角、推力；

(4)利用步骤(2)、(3)中的物理量作为输入，通过对步骤(1)建立的飞艇数学模型进行开环仿真计算，得到当前时刻之后一段时间内飞艇的飞行轨迹仿真曲线以及飞行速度参数变化曲线；

(5)遥控人员通过对仿真曲线和参数变化曲线进行判读，根据曲线判断当前操作可能会引起的效果，如果有危及飞行安全的情况则立刻对操作方式进行修正，转步骤(2)循环，直至完成飞艇起飞或着陆的飞行动作。

2.根据权利要求1所述的一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法，其特征在于：所述步骤(1)中的飞艇数学模型为：

$\left[\begin{array}{cc}\mathrm{mE}+M^{\′}& -{\mathrm{mr}}_G^{\×}\\ {\mathrm{mr}}_G^{\×}& I_0+{I_0}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{v}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}m(\mathrm{\ω}\×v+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×r_G))\\ \mathrm{\ω}\left(I_0\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{mr}}_G\×(\mathrm{\ω}\×v)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_B+F_A+F\\ T_B+T_A+T\end{array}\right]$

其中，E表示单位阵，m为飞艇的质量，I₀为转动惯量矩阵，M′为附加质量阵，I₀′为附加惯量阵，r_G表示重心相对形心的位置，v表示飞艇的本体线速度，且v＝[u v w]^T，ω表示飞艇的角速度，且ω＝[p q r]^T，F_B为净浮力、F_A为空气动力和F为推力以及相应力在飞艇体坐标下所产生的力矩T_B，T_A，T。

3.根据权利要求2所述的一种飞艇遥控起飞/着陆预警方法，其特征在于：所述的净浮力F_B的计算公式如下：

$F_B=(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{atm}}V+(\frac{R_{\mathrm{he}}}{R_{\mathrm{air}}}-1)m_{\mathrm{he}}-m_s)g$

其中，V为飞艇体积，ρ_atm为大气密度，m_s为飞艇结构质量，m_he为氦气质量，m_air为艇内空气质量，T_air为大气温度，ΔT艇内外气体温差，R_he、R_air为气体常数，g为重力加速度。

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