CN103412572B - 一种空中长航时浮空平台的模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空中长航时浮空平台的模糊控制方法，其步骤为：（1）构建牵引控制平台；牵引控制平台包括转台、俯仰运动台以及运动平台，运动平台上设置收放绳机构；（2）牵引绳的水平俯仰控制；牵引绳的水平和俯仰跟随控制采用PID控制，输入为二维力传感器测得的牵引线水平和俯仰方向力；输出：转台、俯仰运动台的控制信号，控制运动平台的水平角度β和俯仰角度α，使得二维力传感器测得的牵引线水平和俯仰力为0，进而使得水平偏差Δβ和俯仰偏差Δα为0；（3）牵引绳的收放控制；收放控制采用模糊控制。本发明具有原理简单、控制方便、操作简便、控制精度高等优点。

Description

一种空中长航时浮空平台的模糊控制方法

技术领域

本发明主要涉及到监控设备领域，特指一种适用于空中长航时浮空平台的控制方法。

背景技术

目前，有从业者提出了众多类型的高空监控系统，主要是通过大量设置摄像头对地面进行大范围定点监控和拍摄，以面向中低空侦查、网络覆盖、森林防火、商业娱乐等军民领域。这种类型的高空监控设备一般都是位于固定建筑物、树上或者其他高的固定位置，但是由于摄像头安装位置的原因，因此这类监控设备一旦安装后，其监控范围就十分有限。

对于中低空的移动拍摄，目前普遍采用的解决途经是利用无人飞行器进行相关任务。一般的无人飞行器需要使用电力（电池）、热能（热气球）或太阳能进行能量供应，因此这种常规方式存在以下缺点：第一、能量供给困难，消耗快，不能保持飞行器长时间的航行；第二、条件苛刻，需要充足阳光（太阳能）或者晴朗天气（热气球）；第三、成本昂贵，维护价格高昂。由上可知，在这种情况下，全天候、高分辨探测、低维护、低成本的浮空监控系统需求日益紧迫。

有从业者提供一种中低空浮空监控系统，其包括飞行器、拍摄单元、电源单元、监控组件，飞行器可以采用风筝、气球或者其他类型的可进行中低空悬浮的飞行物，拍摄单元和电源单元均安装于飞行器上，在飞行器进行悬空飞行时，拍摄单元将拍摄到的图像传送给位于地面的监控组件。但是，目前对于这种飞行器的控制往往以人为控制为主，无法适用于长时间的自动监控，也不能满足自动化、智能化以及精确可靠等需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、控制方便、操作简便、控制精度高的空中长航时浮空平台的模糊控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种空中长航时浮空平台的模糊控制方法，其步骤为：

（1）构建牵引控制平台；转动牵引控制平台包括转台、俯仰运动台以及运动平台，运动平台上设置收放绳机构；转台用来控制运动平台的水平角度β实现对牵引绳水平方向的跟随，即偏差Δβ为0；俯仰运动台用来控制运动平台的俯仰角度α，实现对牵引绳俯仰角度的跟随，即偏差Δα为0；实时测量牵引绳的径向力、牵引绳的长度、牵引线与转台出现水平偏差Δβ和俯仰偏差Δα时，牵引线水平及俯仰方向的力；

（2）牵引绳的水平俯仰控制；牵引绳的水平和俯仰跟随控制采用PID控制，输入为二维力传感器测得的风筝牵引线水平及俯仰方向的力输出：转台、俯仰运动台的控制信号，控制运动平台的水平角度β和俯仰角度α，使得二维力传感器测得的风筝牵引线水平及俯仰方向的力为0；从而实现运动平台对风筝牵引线水平及俯仰方位的跟随；

（3）牵引绳的收放控制；收放控制采用模糊控制，根据转台的俯仰角、牵引绳的长度、牵引绳的径向力、风速、俯仰角的变化趋势、飞行器的高度输出收放绳机构的控制指令。

作为本发明的进一步改进：

所述俯仰运动台安装于转台上并随转台转动，所述运动平台安装于俯仰运动台上并随俯仰运动台做俯仰运动；所述运动平台上设置线轮、码盘、第一滚轮、压力传感器、第二滚轮、二维力传感器以及驱动线轮转动的牵引驱动组件；所述牵引绳绕设于线轮上，并依次经码盘的滚轮、第一滚轮、压力传感器、第二滚轮、二维力传感器的小孔后与飞行器相连；所述压力传感器用来测量牵引绳的径向力，所述码盘用来测量牵引绳的长度，所述二维力传感器用来测量风筝牵引线与运动平台方位不一致而产生水平偏差Δβ和俯仰偏差Δα时，风筝牵引线水平及俯仰方向的力。

所述牵引驱动组件包括收放线电机和同步带传动机构，收放线电机经同步带传动机构与线轮相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的空中长航时浮空平台的模糊控制方法，原理简单、控制方便，通过两自由度的运动平台使整个控制变得简单和精确，适合长时间航行监控，不仅可以采用自动控制，也可以采用手动控制。

2、本发明的空中长航时浮空平台的模糊控制方法，整体采用平台式设计，由于整个平台的重心较低，使得飞行器放飞时，不会出现平台倾斜的现象。

附图说明

图1是本发明方法的控制原理示意图。

图2是本发明方法中构建牵引控制平台原理示意图。

图3是本发明牵引控制平台中俯仰角的示意图。

图4是本发明牵引控制平台中水平角的示意图。

图5是本发明飞行器工作时的状态示意图。

图6是本发明中对牵引绳进行水平俯仰控制的原理示意图。

图7是本发明中对牵引绳进行收放控制的原理示意图。

图8是本发明在具体应用实例中的操作流程示意图。

图例说明：

1、转台；2、俯仰运动台；3、运动平台；4、线轮；5、码盘；6、第一滚轮；7、压力传感器；8、第二滚轮；9、二维力传感器；10、水平电机；11、俯仰电机；12、收放线电机；13、同步带传动机构。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的空中长航时浮空平台的模糊控制方法，其步骤为：

（1）构建牵引控制平台；如图2、图3、图4、图5所示，图中A为牵引绳，B为飞行器。牵引控制平台包括转台1、俯仰运动台2以及运动平台3，俯仰运动台2安装于转台1上并随转台1转动，运动平台3安装于俯仰运动台2上并随俯仰运动台2做俯仰运动，运动平台3上设置线轮4、码盘5、第一滚轮6、压力传感器7、第二滚轮8、二维力传感器9以及驱动线轮4转动的牵引驱动组件。转台1的水平电机10用来控制运动平台3的水平角度β,实现对牵引绳水平方向的跟随，即偏差Δβ为0。俯仰运动台2的俯仰电机11用来控制运动平台3的俯仰角度α，实现对牵引绳俯仰角度的跟随，即偏差Δα为0。牵引驱动组件包括收放线电机12和同步带传动机构13，收放线电机12经同步带传动机构13与线轮4相连，实现牵引绳的驱动。

牵引绳绕设于线轮4上，并依次经码盘5的滚轮、第一滚轮6、压力传感器7、第二滚轮8、二维力传感器9的小孔后与飞行器（如风筝）相连。其中，压力传感器7用来测量牵引绳的径向力，码盘5用来测量牵引绳的长度，二维力传感器9用来测量风筝牵引线水平及俯仰方向的力。

（2）牵引绳的水平俯仰控制：如图6所示，牵引绳的水平和俯仰跟随控制采用PID控制，输入：输入为二维力传感器9测得的风筝牵引线水平及俯仰方向的力；输出：水平电机10和俯仰电机11的控制信号，控制运动平台3的水平角度β和俯仰角度α，使得二维力传感器9测得的风筝牵引线水平及俯仰方向的力为0；从而实现运动平台对风筝牵引线水平及俯仰方位的跟随。

（3）牵引绳的收放控制：收放控制采用模糊控制。

如图5和图7所示，该系统的输入为：转台1的俯仰角、牵引绳的长度、牵引绳的径向拉力、风速、俯仰角的变化趋势（角度变大或变小）、飞行器的高度；其中，飞行器的高度h=(牵引绳的长度L+修正值x）*sin(a)；a为牵引绳与地面的夹角，修正值为负值；当牵引绳径向力较大时，x的绝对值较大；当牵引绳径向力较小时，x的绝对值较小。

系统的输出为：缓慢收线，收线，停止，放线，缓慢放线。

本实施例中，模糊控制器的输入：将风速v、牵引绳的径向拉力f、飞行器高度h模糊化为大B、中M、小S。俯仰角的变化趋势Δθ模糊化为变大+、不变0、变小-；模糊控制器的输出为缓慢放线HF、放线F、停止T、收线S、缓慢收线HS、快速收线KS。

如可按照下表的规则执行：

V	f	h	Δθ	输出
					M	B	M	+	F

即：当风速中等，牵引绳径向力很大，飞行器高度中等，飞行器的俯仰角在变大的时候，系统的输出为放线。

可以理解，在其他的实施例中，还可以按照其他的形式编辑模糊控制器的规则，但是均是依据上述基本原理进行的，所以也应属于本申请的保护范围。

本实施例中，进一步将飞行器的控制方式分为主动和自动。

1.主动方式则是按照上述的牵引控制平台来进行水平、俯仰控制和电机的收放线控制。

2.自动方式下分为：上升模式，自主模式和下降模式；

上升模式：当飞行器在400米以下，风况良好的情况下，控制台实现自动放线，放飞飞行器；

自主模式：当飞行器在400米以上，控制台自动进行收线和放线，当飞行器线放完后，停止放线，但可以适当收线；

下降模式：当需要收飞行器时，控制台自动收线；

自主模式下，转台1对飞行器实现水平和俯仰自动跟随。

在具体使用时，如图8所示，飞行器的控制过程为：

1.系统初始化：将转台转到自定义的水平零位和俯仰零位。

2.挂负载：按下手动模式按钮，将飞行器手动放飞，到20米时挂上负载，负载开机，继续放飞，到400米后按下控制台的自动模式按钮，控制台自动放飞飞行器。

3.收集数据：地面控制站接受视频数据，控制负载上的两自由度电机，控制负载上摄像机拍摄需要的目标。

4.降落回收：工作完毕，按下降按钮，控制台自动收线，回收飞行器。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种空中长航时浮空平台的模糊控制方法，其特征在于，步骤为：

(1)构建牵引控制平台；转动牵引控制平台包括转台、俯仰运动台以及运动平台，运动平台上设置收放绳机构；转台用来控制运动平台的水平角度β，实现对牵引绳水平方向的跟随，即水平偏差Δβ为0；俯仰运动台用来控制运动平台的俯仰角度α，实现对牵引绳俯仰角度的跟随，即俯仰偏差Δα为0；实时测量牵引绳的径向力、牵引绳的长度、牵引绳与转台出现水平偏差Δβ和俯仰偏差Δα时，牵引绳水平及俯仰方向的力；

(2)牵引绳的水平俯仰控制；牵引绳的水平和俯仰跟随控制采用PID控制，输入为二维力传感器测得的风筝牵引绳水平及俯仰方向的力；输出为转台、俯仰运动台的控制信号，控制运动平台的水平角度β和俯仰角度α，使得二维力传感器测得的风筝牵引绳水平及俯仰方向的力为0；从而实现运动平台对风筝牵引绳水平及俯仰方位的跟随；

(3)牵引绳的收放控制；收放控制采用模糊控制，根据转台的俯仰角、牵引绳的长度、牵引绳的径向力、风速、俯仰角的变化趋势、飞行器的高度输出收放绳机构的控制指令。

2.根据权利要求1所述的空中长航时浮空平台的模糊控制方法，其特征在于，所述俯仰运动台安装于转台上并随转台转动，所述运动平台安装于俯仰运动台上并随俯仰运动台做俯仰运动；所述运动平台上设置线轮、码盘、第一滚轮、压力传感器、第二滚轮、二维力传感器以及驱动线轮转动的牵引驱动组件；所述牵引绳绕设于线轮上，并依次经码盘的滚轮、第一滚轮、压力传感器、第二滚轮、二维力传感器的小孔后与飞行器相连；所述压力传感器用来测量牵引绳的径向力，所述码盘用来测量牵引绳的长度，所述二维力传感器用来测量风筝牵引绳与运动平台方位不一致而产生水平偏差Δβ和俯仰偏差Δα时，风筝牵引绳水平及俯仰方向的力。

3.根据权利要求2所述的空中长航时浮空平台的模糊控制方法，其特征在于，所述牵引驱动组件包括收放线电机和同步带传动机构，收放线电机经同步带传动机构与线轮相连。