CN104656657B - 一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法 - Google Patents
一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，首先，根据飞艇的当前位置、定点悬停的目标点位置以及风向和风速大小，采用平面几何的方法计算飞艇当前位置与目标点位置的轴向和垂向位置偏差；其次，根据轴向位置、风速的大小、侧向位置、风干扰的方向，采用经典的PID方法计算飞艇的当前轴向位置偏差大小,根据当前飞艇的飞行速度计算飞行速度偏差大小、侧向位置偏差以及飞艇航头与风向的夹角；然后，调节飞艇轴向、侧向的位置及飞行速度；直至飞艇飞至预先设定的目标位置。本发明考虑了常值风干扰的影响，采用经典的PID结构设计实现了位置保持控制器的推进和偏航控制通道，实现简单，控制性能稳定。
Description
技术领域
本发明属于浮空飞艇的自动控制领域。本发明具体涉及一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法。
背景技术
飞艇是一种轻于空气的飞行器，属于浮空器类，它不像传统飞行器那样依靠气动力来提供升力，而是主要依靠浮力提供静升力，因此可以实现低速飞行，甚至是在空中长期保持定点悬浮，即相对地面静止，这使得它能作为一种平台长期的驻空来进行观测和通信。平流层飞艇平台能否实现，其根本在于飞艇滞空时间的长短，即能否始终保持在期望的位置；平流层飞艇在定点悬停飞行时，最重要的是飞艇水平位置能够保持在指定空域内。要保持飞艇的位置不变，需要克服平流层环境中的各种干扰因素，其中对位置控制影响最大的就是风干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：提供一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，解决了飞艇定点控制风干扰的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，包括如下步骤：
步骤1，根据飞艇的当前位置、定点悬停的目标点位置以及风向和风速大小，采用平面几何的方法计算飞艇当前位置与目标点位置的轴向和侧向位置偏差；
步骤2，根据轴向位置以及风速的大小,计算飞艇的当前轴向位置偏差大小,根据当前飞艇的飞行速度计算飞行速度偏差大小；
步骤3，根据轴向位置偏差大小和飞行速度偏差大小调节飞艇轴向的位置和飞行速度；
步骤4，根据侧向位置、风干扰的方向计算飞艇的侧向位置偏差以及飞艇航头与风向的夹角；
步骤5，调节飞艇的艇头与风向之间的夹角至预先设定的夹角值，调节飞艇侧向的位置及飞行速度；
步骤6，实时保持飞艇以调节后的位置、飞行速度及与风向的夹角飞行，直至飞艇飞至预先设定的目标位置；
所述飞艇的侧向位置偏差dy采用如下公式计算：
其中，XO＝(xO,yO)、XL＝(xL,yL)分别为定点悬停的目标点和飞艇当前位置坐标，(x1,y1)为指定航路上的一点。
上述飞艇的轴向位置偏差dx采用如下公式计算：
其中，x2＝0， 为常值风的风向。
上述飞艇的推进发动机开度n1采用如下公式计算：
其中，分别速度回路的比例和积分增益，VX为飞艇的轴向速度，VG为飞艇的跟踪给定速度。
上述飞艇的偏航发动机开度n2采用如下公式计算：
其中，为侧向位置偏差到航向角给定回路的比例增益，分别航向角跟踪和控制回路的比例和积分增益，ψg为飞艇的给定航向，ψ为飞艇的航向。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、考虑了常值风干扰的影响，采用经典的PID结构设计实现了位置保持控制器的推进和偏航控制通道，实现简单，控制性能稳定。
2、采用艇头逆风的方法能够减小平流层飞艇的迎风阻力，为飞艇的长期驻空节约能源，并且能使飞艇的现有发动机推力抵抗更大的风干扰。
附图说明
图1为本发明中位置保持控制器的策略示意图。
图2为本发明中位置保持控制器的推进通道控制结构。
图3为本发明中位置保持控制器的偏航通道控制结构。
图4为本发明中飞艇在水平面内的控制结果。
图5为本发明中X轴位置偏差控制结果。
图6为本发明中Y轴位置偏差控制结果。
具体实施方式
以下内容结合附图，对本发明的技术方案和实施方式进行进一步说明。
1)假设常值风的风速大小和风向分别为：Vw、XO＝(xO,yO)、XL＝(xL,yL)分别为定点悬停的目标点和飞艇当前位置。根据风向以及XO、XL解算飞艇当前位置到指定航路(过目标点且与风向一致的一条直线，如图1中所示的直线L1)的侧偏差dy。
其中，(x1,y1)为指定航路上的一点，本方案中取为直线L1与X轴的交点，即y1＝0。
轴向位置偏差dx为：
其中，(x2,y2)为图1中直线L2上一点，本方案中取为直线L2与Y轴的交点，即x2＝0，
2)根据轴向距离偏差dx以及风速大小Vw来解算飞艇的给定轴向速度VG，使飞艇在接近目标点的过程中，速度逐渐减小；然后通过飞艇高空推进发动机的控制使飞艇的轴向速度VX跟踪给定速度VG，以消除轴向距离偏差dx。推进控制器结构如图2所示。
其中，n1为控制器输出的飞艇推进发动机开度，为偏差回路的比例增益，分别速度回路的比例和积分增益。
3)根据侧偏差dy解算飞艇的给定航向通过飞艇的高空偏航发动机控制飞艇的航向跟踪给定航向使飞艇的航向与风向保持一定的夹角以消除侧偏差dy。偏航控制器结构如图3所示。
其中，n2为控制器输出的飞艇偏航发动机开度，为侧向偏差到航向角给定回路的比例增益，分别航向角跟踪和控制回路的比例和积分增益。
4)偏航控制器和推进控制器中控制参数的确定可根据工程需要选取适当的方法，本方案中采用的方法是临界灵敏度法，即首先针对控制对象采用纯比例控制，通过对比例环节增益系数的调整，使控制系统处于临界稳定，得到系统临界稳定时的临界比例增益Km和临界振荡周期Tm；然后根据如下所示的经验公式估算PID控制器的参数，最后再将估算得到的参数应用到控制系统中，根据系统的响应，再对控制参数进行调整，直到达到满意的控制效果为止。
该方法实现简单，工程应用广泛，在工业控制、航空航天领域都有广泛的应用经验。
图4、图5和图6是采用本方案实例中的控制结果，其中图4给出了飞艇的航迹，在飞艇接收到定点悬停控制指令以及定点悬停的目标点之后，飞向目标点，最终能够稳定的悬停在目标点，验证了本方法的有效性。图5和图6给出了飞艇的X坐标和Y坐标位置误差，由图5和图6可以看出，飞艇的X坐标和Y坐标的位置误差稳态值为0m，表明了本方法的控制精度较高。
Claims (4)
1.一种常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，根据飞艇的当前位置、定点悬停的目标点位置以及风向和风速大小，采用平面几何的方法计算飞艇当前位置与目标点位置的轴向和侧向位置偏差；
步骤2，根据轴向位置以及风速的大小,计算飞艇的当前轴向位置偏差大小,根据当前飞艇的飞行速度计算飞行速度偏差大小；
步骤3，根据轴向位置偏差大小和飞行速度偏差大小调节飞艇轴向的位置和飞行速度；
步骤4，根据侧向位置、风干扰的方向计算飞艇的侧向位置偏差以及飞艇航头与风向的夹角；
步骤5，调节飞艇的艇头与风向之间的夹角至预先设定的夹角值，调节飞艇侧向的位置及飞行速度；
步骤6，实时保持飞艇以调节后的位置、飞行速度及与风向的夹角飞行，直至飞艇飞至预先设定的目标位置；
所述飞艇的侧向位置偏差dy采用如下公式计算：
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其中，XO＝(xO,yO)、XL＝(xL,yL)分别为定点悬停的目标点和飞艇当前位置坐标，(x1,y1)为指定航路上的一点。
2.根据权利要求1所述的常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，其特征在于：所述飞艇的轴向位置偏差dx采用如下公式计算：
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其中，x2＝0， 为常值风的风向。
3.根据权利要求1所述的常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，其特征在于：所述飞艇的推进发动机开度n1采用如下公式计算：
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其中，分别速度回路的比例和积分增益，VX为飞艇的轴向速度，VG为飞艇的跟踪给定速度。
4.根据权利要求1所述的常值风干扰平流层飞艇定点控制方法，其特征在于：所述飞艇的偏航发动机开度n2采用如下公式计算：
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