CN111420326A - 航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法及系统，通过获取喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩作为姿态变化量，获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；在采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法及系统。
背景技术
输电走廊附近山火会导致输电线路跳闸，严重威胁我国电网的安全稳定运行。仅2003年，湖南省220kV线路因山火跳闸达到23次，当年全省220kV线路跳闸总数才63次。2009年-2010年期间，贵州电网220kV和500kV输电线路总共发生山火跳闸事故71起，其中500kV线路跳闸26起。由此可见，输电线路山火成为威胁电网安全的一个重要灾害。
对输电线路山火开展灭火，是避免山火蔓延引起线路跳闸的有效治理手段。但输电线路山火现场交通环境恶劣，尤其是特高压输电线路所处的崇山峻岭高度远大于100米，无行走道路，荆棘茂盛，人员到达火场时间长，影响山火处置的及时性。无人机和高效灭火技术近年发展较快，飞行灵活，适用于电网点多面广的山火灭火，有以下优势：1)可克服地形不利因素，可快速到达火场进行灭火，解决灭火装备因地形阻碍无法到达火场的难题；2)无人机灭火不需人员近距离与火接触，从而避免了人工灭火安全风险，保障了人员安全；因此，需要开展输电线路山火无人机小流量灭火技术研究及应用，弥补现有输电线路山火灭火装备的缺陷，提高灭火的安全性和快速性。
直升机保持高度不变，前飞速度为零，且绕各机体轴的力矩总和为零的飞行状态称悬停。因此悬停状态时必须使作用在机体轴上的力与力矩保持平衡。下面将分析悬停时的纵向俯仰力矩与纵向力的平衡，以及航向力矩的平衡，横滚力矩的平衡以及侧向力的平衡。悬停飞行是无人直升机最难以控制的一个状态，温度、气压、气流的变化都会对改变无人直升机飞行环境，对无人直升机的飞行形成干扰。由于大载重、长航时无人直升机灭火装置本体重量小于150kg，装载灭火水剂质量达到60kg，灭火水剂的占比较大，加上燃油的消耗，在短时间内重量的快速变化对无人机灭火装置的控制提出了很高的要求。同时，灭火液需要以2MPa的压力喷射出，对无人直升机纵向产生作用力，同时质量的变化对无人直升机的姿态和位置控制带来了干扰。其中旋翼周期变距操纵难度最大，实时性要求高。
因此，如何控制灭火装置以实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法及系统，用以解决现有的灭火装置不能稳定飞行与灭火的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，包括以下步骤：
获取航空灭火装置实时的姿态变化量，所述姿态变化量包括喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩；
获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；
采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
优选的，获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量，具体包括以下步骤：
通过航空灭火装置正下方安装的压力传感器获取空气对旋翼和直升机的底面产生的实时压强，再将所述空气对旋翼和直升机的底面产生的实时压强乘以航空灭火装置在Z轴方向的实时投影面积，计算得到火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力；
获取灭火水剂的密度和喷射时间，并通过安装在航空灭火装置的水泵出口或者喷管出口的流量传感器获取灭火水剂的实时流量，根据所述灭火水剂的密度、喷射时间和灭火水剂的实时流量计算得到实时消耗的灭火液重量；
将所述实时消耗的灭火液重量减去火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力，得到实时的前馈补偿量。
优选的，采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，具体包括以下步骤：
获取期望的姿态变化量，并通过在受控对象的输出端获取的实时的姿态变化量，将所述期望的姿态变化量和实时的姿态变化量进行负反馈处理，得到第一负反馈信号；
将所述第一负反馈信号串联校正处理，得到串联校正信号；从执行元件的输出端获取执行控制信号，并将执行控制信号进行反馈校正，得到反馈校正信号，并将所述串联校正信号和反馈校正信号进行负反馈处理，得到第二负反馈信号；
将所述第二负反馈信号进行放大处理，得到反馈放大信号；对实时的前馈补偿量进行前馈校正，得到前馈校正信号；将所述反馈放大信号和前馈校正信号进行正反馈处理，得到正反馈信号，并将所述正反馈信号输入至执行元件中，所述执行元件根据所述正反馈信号生成执行控制信号，并将所述执行控制信号输送给所述被控对象，以控制被控对象提供与所述执行控制信号相对应的修正作用力和修正力矩来修正所述实时的姿态变化量。
优选的，在采用以所述前馈补偿量作为扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正前，还包括以下步骤：
设置所述姿态变化量的姿态稳定阈值，将所述实时的姿态变化量分别与其对应的姿态稳定阈值进行比较，当比较出所述实时的姿态变化量均未超出其所对应的姿态稳定阈值，则直接采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正；
当比较出存在任意实时的姿态变化量超出其所对应的姿态稳定阈值，则计算所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值，并通过降低灭火流量来修正所述超出值，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正。
优选的，获取航空灭火装置的姿态变化量，包括以下步骤：
实时获取航空灭火装置的灭火液的喷射速度以及喷射流量以及水枪喷孔的截面积，并根据第一计算公式计算喷射灭火对X轴反向作用力；
所述第一计算公式为
其中，F1为喷射灭火对X轴反向作用力，Vr为灭火器的出口速度，m为航空灭火装置的质量，t为喷射时刻；
实时获取所述航空灭火装置的重力、灭火装置的俯仰角度，并分别使用第二计算公式、第三计算公式计算重量变化对X轴作用力、重量变化对Z轴作用力；
所述第二计算公式为：-Hs-Gsinθ＝0；其中，G为航空灭火装置的重力，Hs为重量变化对X轴的作用力；
所述第三计算公式为：-T+Gcosθ＝0；其中，T为重量变化对Z轴作用力；
实时获取航空灭火装置的滚转角和尾桨拉力，并使用第四计算公式计算重量变化对Y轴作用力；其中，第四计算公式为：
获取重量变化对X轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对X轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出俯仰力矩；
获取重量变化对X轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对Y轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出横滚力矩；
获取重量变化对Z轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对Z轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出偏航力矩。
一种航空灭火装置悬停喷射灭火的控制系统，包括：
测量元件：用于获取航空灭火装置的实时的姿态变化量，所述姿态变化量包括喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩；
前馈补偿量获取模块：获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算前馈补偿量；
控制模块：用于采用以所述前馈补偿量作为扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
优选的，所述前馈补偿量获取模块包括：烟羽流作用力获取组件、消耗液获取组件以及前馈补偿量计算模块；
所述烟羽流作用力获取组件包括安装在航空灭火装置正下方的压力传感器、投影面积获取组件以及第一计算组件；所述压力传感器用于实时获取空气对旋翼和直升机的底面产生的压强；所述投影面积获取组件用于获取航空灭火装置在Z轴方向的投影面积；所述第一计算组件用于将所述空气对旋翼和直升机的底面产生的压强乘以航空灭火装置在Z轴方向的投影面积，计算得到火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的作用力；
所述消耗液获取组件包括安装在航空灭火装置的水泵出口或者喷管出口的流量传感器以及第二计算组件，所述流量传感器用于获取灭火水剂的实时流量；所述第二计算组件用于根据所述灭火水剂的密度、喷射时间和灭火水剂的实时流量计算得到实时消耗的灭火液重量；
所述前馈补偿量计算模块用于将所述实时消耗的灭火液重量减去火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力，得到实时的前馈补偿量。
优选的，所述控制模块包括给定元件、第一比较元件、串联校正元件、第二比较元件、放大元件、反馈校正元件、前馈校正元件以及执行元件；
所述给定元件用于获取期望的姿态变化量，并将期望的姿态变化量发送给所述第一比较元件；
所述测量元件用于测量实时的姿态变化量，并将实时的姿态变化量发送给所述第一比较元件；
所述第一比较元件用于接收并将所述期望输出量和期望输入量进行负反馈处理，得到第一负反馈信号，并将第一负反馈信号输送给所述串联校正元件；
所述串联校正元件用于接收并将所述第一负反馈信号串联校正处理，得到串联校正信号，并将串联校正信号输送给所述第二比较元件；
所述反馈校正元件用于将从执行元件的输出端获取到的执行控制信号进行反馈校正，得到反馈校正信号，并将所述反馈校正信号输送给所述第二比较元件；
所述第二比较元件用于接收并将所述串联校正信号和反馈校正信号进行负反馈处理，得到第二负反馈信号，并将所述第二负反馈信号发送所述放大元件；
所述放大元件用于接收并将所述第二负反馈信号进行放大处理，得到反馈放大信号，并将所述反馈放大信号发送给所述第三比较元件；
所述前馈校正组件用于从所述前馈补偿量计算模块获取前馈补偿，并对实时的前馈补偿量进行前馈校正，得到前馈校正信号，并将前馈校正信号发送给所述第三比较元件；
所述第三比较元件用于接收并将所述反馈放大信号和前馈校正信号进行正反馈处理，得到正反馈信号，并将所述正反馈信号输入至执行元件中；
所述执行元件根据所述正反馈信号生成执行控制信号，并将所述执行控制信号输送给所述被控对象，以控制被控对象提供与所述执行控制信号相对应的修正作用力和修正力矩来修正所述实时的姿态变化量。
优选的，所述控制系统还包括一比较组件，所述比较组件用于设置所述姿态变化量的姿态稳定阈值，将所述实时的姿态变化量分别与其对应的姿态稳定阈值进行比较，当比较出所述实时的姿态变化量均未超出其所对应的姿态稳定阈值，则直接控制所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正；
当比较出存在任意实时的姿态变化量超出其所对应的姿态稳定阈值，则计算所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值，并通过降低灭火流量来修正所述超出值，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再控制所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法及系统，通过获取喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩作为姿态变化量，获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；在采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
2、在优选方案中，本发明中设置了姿态稳定阈值，所述姿态稳定阈值是航空灭火装置的极限条件，当姿态变化量超过该极限的情况下可能发生航空灭火装置控制不稳定导致坠毁或者控制精度下降，从而灭火不精准的问题，而这种情况一般难以校正航空灭火装置的飞行姿态来补偿，因此，本发明通过降低灭火流量修正所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值(如下降5％或者10％等，即减小扰动的方式控制)，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再通过以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法的流程图；
图2是本发明中的优选实施例的航空灭火装置悬停时的纵向力与力矩示意图；
图3是本发明中的优选实施例的航空灭火装置悬停时的横滚力矩及侧向力示意图；
图4是本发明中的优选实施例的航空灭火装置悬停时的作用于航向的力及力矩示意图；
图5是本发明中的优选实施例的航空灭火装置喷射产生作用力的示意图；
图6是本发明中的优选实施例的航空灭火装置前馈校正控制示意图；
图7是本发明中的优选实施例的前馈校正高度控制采用重量补偿的仿真曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图1所示，本发明公开了一种航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，包括以下步骤：
获取航空灭火装置实时的姿态变化量，所述姿态变化量包括喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩；
获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；
采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
此外，在本实施例中还公开了一种航空灭火装置悬停喷射灭火的控制系统，包括：
测量元件：用于获取航空灭火装置的实时的姿态变化量，所述姿态变化量包括喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩；
前馈补偿量获取模块：获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算前馈补偿量；
控制模块：用于采用以所述前馈补偿量作为扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
本发明中的航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法及系统，通过获取喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩作为姿态变化量，获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；在采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
实施例二：
实施例二是本发明的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对所述航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法的步骤进行了拓展、对所述输电线路山火航空灭火装置悬停喷射灭火控制系统的结构和功能进行了优化：
其中，本发明中的测量元件用于获取航空灭火装置的实时的姿态变化量，具体包括以下步骤：
实时获取航空灭火装置的灭火液的喷射速度以及喷射流量以及水枪喷孔的截面积，并根据第一计算公式计算喷射灭火对X轴反向作用力；
所述第一计算公式为
其中，F1为喷射灭火对X轴反向作用力，Vr为灭火器的出口速度，m为航空灭火装置的重量，t为喷射时刻；
实时获取所述航空灭火装置的重力、灭火装置的俯仰角度，并分别使用第二计算公式、第三计算公式计算重量变化对X轴作用力、重量变化对Z轴作用力；
所述第二计算公式为：-Hs-Gsinθ＝0；其中，G为航空灭火装置的重力，Hs为重量变化对X轴的作用力；
所述第三计算公式为：-T+G cosθ＝0；其中，T为重量变化对Z轴作用力；
实时获取航空灭火装置的滚转角和尾桨拉力，并使用第四计算公式计算重量变化对Y轴作用力；其中，第四计算公式为：
获取重量变化对X轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对X轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出俯仰力矩；
获取重量变化对X轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对Y轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出横滚力矩；
获取重量变化对Z轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对Z轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出偏航力矩。
作为本发明的优选方案，获取各个姿态变化量具体为：
如图2-5所示,对航空灭火装置建立X轴、Y轴、Z轴三个方向坐标轴模型，机体坐标系(OXYZ)与机体固连，原点O为航空灭火装置重心，纵轴OX在直升机对称平面内，通过重心，与机身纵轴一致，沿机头方向为正，立轴OZ通过重心，在机身对称平面内与桨毂轴平行，向下为正，横轴OY通过重心O与XOZ平面垂直。在构造轴中所产生的力有拉力T(即重量变化对Z轴作用力)、后向力Hs(即重量变化对X轴的作用力)、侧向力Ss(即重量变化对Y轴作用力)、尾桨产生的气动力为Twj以及直升机的重力G。
其中，计算喷射产生的反作用力包括以下步骤：
设灭火液出口速度20m/s，流量12L/m。将dm＝12÷60＝0.2，Vr＝20带入
得F1＝4N，即0.4kg的力，方向与喷射方向相反。
由如图4可知，喷射产生的反作用力，使无人直升机有向后飞行的加速度。同时，在力臂l处产生了俯仰力矩M1，绕机体坐标系y轴低头作用方向。
M1＝F1×l
综上，喷射产生的力和力矩对无人直升机的纵向位置稳定和俯仰方向的姿态稳定产生影响较小，可以作为干扰处理。
按照10L/min的速度可得每秒喷出的液体重量为0.16kg，喷出速度约为20m/s，根据动量定理Ft＝mv，其产生的反作用力F＝0.16*20＝3.2N。悬停时旋翼拉力T＝280*9.8，根据无人直升机纵向平衡方程-Hs-Gsinθ＝0，(θ为无人直升机的俯仰角度)和Hs＝3.2N，计算可得Δθ＝0.0668°。
建立航空灭火装置绕质心的运动方程，并根据所述运动方程计算x轴上的作用力矩(即俯仰力矩)、y轴上的作用力矩(即横滚力矩)以及z轴上的作用力矩(即偏航力矩)。
其中，Ix＝∫(y2+z2)dm，Ix为x轴上的作用力矩，y、z分别为重量质心离转轴在上下和左右两个方向的距离；Iy＝∫(x2+z2)dm，Iy为y轴上的作用力矩，x、z分别为重量质心离转轴在前后和左右两个方向的距离；Iz＝∫(x2+y2)dm，Iz为z轴上的作用力矩，x、y分别为重量质心离转轴在上下和左右两个方向的距离Ixz＝∫xzdm，Ixz为xz的平面产生的俯仰力矩；q为俯仰角速度；p为滚转角速度；r为偏航角速度；t为时间；
计算航空灭火装置重量变化对无人直升机X方向、Y方向和Z方向的作用力。
纵向 X轴：-Hs-Gsinθ＝0
Z轴：-T+Gcosθ＝0
横向 Y轴：
其中，Hs为拉杆引起自动倾斜器纵向倾角χ而引起的后向力(即重量变化对X轴的作用力)；χ是操纵平面C-C与构造平面S-S之间的夹角；T为与构造平面相垂直的拉力(即重量变化对X轴的作用力)；由横向周期变距所产生的侧向力Ss(即重量变化对Y轴作用力)；Twj为尾桨拉力。
如表1所示，灭火装置重量的变化会对灭火装置的悬停时的变距和总距要求不同，设悬停时，θ大约为3°，
大约为-0.8°，可以分别给X轴和Y轴产生25N和6.9N的力的变化。在Z轴上，重量的变化可以带来499N的力的变化，会对直升机产生显著地影响。
表1 不同重量悬停操纵量
由于无人直升机总重量M减小，引起三轴惯量的减小，因此可以通过调整航空灭火装置的灭火水剂质心位置，无人机重心位于旋翼主轴前倾3°的一个锥面内，锥面的最优半锥角为5°，消除质量变化产生力矩的作用，Ixz保持不变，机体角速度p,q,r近似为0。
因此，本发明中通过设置以计算得到的7个航空灭火装置姿态变化量作为系统输入，以包含超阈值影响的状态量作为补偿量(未超阈值的状态量既可以作为干扰又可以作为补偿量处理)，并在在控制中增加干扰前馈补偿(补偿控制内容包括火场烟羽流作用力和流量预设)的悬停喷射灭火控制系统：当比较出存在任意实时的姿态变化量超出其所对应的姿态稳定阈值，则计算所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值，并通过降低灭火流量来修正所述超出值，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，消除质量变化产生力矩的作用，Ixz保持不变，机体角速度p,q,r近似为0，从而实现确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
在本发明中的优选方案中，输电线路山火航空灭火装置的悬停喷射灭火控制系统的前馈补偿量获取模块包括：烟羽流作用力获取组件、消耗液获取组件以及前馈补偿量计算模块；
所述烟羽流作用力获取组件包括安装在航空灭火装置正下方的压力传感器、投影面积获取组件以及第一计算组件；所述压力传感器用于实时获取空气对旋翼和直升机的底面产生的压强；所述投影面积获取组件用于获取航空灭火装置在Z轴方向的投影面积；所述第一计算组件用于将所述空气对旋翼和直升机的底面产生的压强乘以航空灭火装置在Z轴方向的投影面积，计算得到火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的作用力；
所述消耗液获取组件包括安装在航空灭火装置的水泵出口或者喷管出口的流量传感器以及第二计算组件，所述流量传感器用于获取灭火水剂的实时流量；所述第二计算组件用于根据所述灭火水剂的密度、喷射时间和灭火水剂的实时流量计算得到实时消耗的灭火液重量；
所述前馈补偿量计算模块用于将所述实时消耗的灭火液重量减去火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力，得到实时的前馈补偿量。
如图6所示，所述控制模块包括给定元件、第一比较元件、串联校正元件、第二比较元件、放大元件、反馈校正元件、前馈校正元件以及执行元件，所述执行元件指的是航空灭火装置的控制系统CPU；给定元件给出与期望的输出相对应的系统输入量，是产生系统控制指令的装置；测量元件，检测被控量，并转换成便于处理的电信号；比较元件，把测量元件检测到的系统输出值和给定元件给出的输入值进行比较，求出他们的偏差；放大元件，将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。放大倍数越大，系统的反应越灵敏；校正元件，为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件，工程上称为调节器。在系统扰动不可忽视的情况下，可以测量或估计干扰量，通过设计前馈校正单元，改善系统抗干扰性，提高系统稳定性。
而补充控制过程包括以下步骤：
将所述实时的姿态变化量分别与其对应的姿态稳定阈值进行比较，当比较出所述实时的姿态变化量均未超出其所对应的姿态稳定阈值，则直接控制所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正；
当比较出存在任意实时的姿态变化量超出其所对应的姿态稳定阈值，则计算所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值，并通过降低灭火流量来修正所述超出值，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再控制所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正；
其中，通过降低灭火流量来修正所述超出值，包括以下步骤：
控制组件通过降低连接在航空灭火装置上的电动水泵的功率5％，实现降低电动水泵转速，从而调整电动水泵的流量；在调整的电动水泵流量条件下，计算实时的姿态变化量与姿态稳定阈值进行比较：如果实时的姿态变化量大于姿态稳定阈值，则继续降低连接在航空灭火装置上的电动水泵的功率5％，降低电动水泵转速，调整电动水泵的流量直至实时的姿态变化量小于姿态稳定阈值；如果实时的姿态变化量小于姿态稳定阈值，则以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，消除质量变化产生力矩的作用；
其中所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，包括以下步骤：
给定元件获取期望的姿态变化量，并将期望的姿态变化量发送给所述第一比较元件；
测量元件测量实时的姿态变化量，并将实时的姿态变化量发送给所述第一比较元件；
所述第一比较元件接收并将所述期望输出量和期望输入量进行负反馈处理，得到第一负反馈信号，并将第一负反馈信号输送给所述串联校正元件；
所述串联校正元件接收并将所述第一负反馈信号串联校正处理，得到串联校正信号，并将串联校正信号输送给所述第二比较元件；
所述反馈校正元件将从执行元件的输出端获取到的执行控制信号进行反馈校正，得到反馈校正信号，并将所述反馈校正信号输送给所述第二比较元件；
所述第二比较元件接收并将所述串联校正信号和反馈校正信号进行负反馈处理，得到第二负反馈信号，并将所述第二负反馈信号发送所述放大元件；
所述放大元件接收并将所述第二负反馈信号进行放大处理，得到反馈放大信号，并将所述反馈放大信号发送给所述第三比较元件；
所述前馈校正组件从所述前馈补偿量计算模块获取前馈补偿，并对实时的前馈补偿量进行前馈校正，得到前馈校正信号，并将前馈校正信号发送给所述第三比较元件；
所述第三比较元件接收并将所述反馈放大信号和前馈校正信号进行正反馈处理，得到正反馈信号，并将所述正反馈信号输入至执行元件中；
所述执行元件根据所述正反馈信号生成执行控制信号，并将所述执行控制信号输送给所述被控对象，以控制被控对象提供与所述执行控制信号相对应的修正作用力和修正力矩来修正所述实时的姿态变化量。
本发明中的输电线路山火航空灭火装置悬停喷射灭火控制系统的仿真结果如图7所示，由图可知，本发明中的航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法及系统，能对航空灭火状态的姿态变化量进行校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
综上可知，本发明中的航空灭火装置悬停喷射灭火控制方法及系统，通过获取喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩作为姿态变化量，获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；在采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
在优选方案中，本发明中设置了姿态稳定阈值，所述姿态稳定阈值是航空灭火装置的极限条件，当姿态变化量超过该极限的情况下可能发生航空灭火装置控制不稳定导致坠毁或者控制精度下降，从而灭火不精准的问题，而这种情况一般难以校正航空灭火装置的飞行姿态来补偿，因此，本发明通过降低灭火流量修正所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值(如下降5％或者10％等，即减小扰动的方式控制)，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再通过以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取航空灭火装置实时的姿态变化量，所述姿态变化量包括喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩；
获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量；
采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
2.根据权利要求1所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，其特征在于，获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算实时的前馈补偿量，具体包括以下步骤：
通过航空灭火装置正下方安装的压力传感器获取空气对旋翼和直升机的底面产生的实时压强，再将所述空气对旋翼和直升机的底面产生的实时压强乘以航空灭火装置在Z轴方向的实时投影面积，计算得到火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力；
获取灭火水剂的密度和喷射时间，并通过安装在航空灭火装置的水泵出口或者喷管出口的流量传感器获取灭火水剂的实时流量，根据所述灭火水剂的密度、喷射时间和灭火水剂的实时流量计算得到实时消耗的灭火液重量；
将所述实时消耗的灭火液重量减去火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力，得到实时的前馈补偿量。
3.根据权利要求2所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，其特征在于，采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，具体包括以下步骤：
获取期望的姿态变化量，并通过在受控对象的输出端获取的实时的姿态变化量，将所述期望的姿态变化量和实时的姿态变化量进行负反馈处理，得到第一负反馈信号；
将所述第一负反馈信号串联校正处理，得到串联校正信号；从执行元件的输出端获取执行控制信号，并将执行控制信号进行反馈校正，得到反馈校正信号，并将所述串联校正信号和反馈校正信号进行负反馈处理，得到第二负反馈信号；
将所述第二负反馈信号进行放大处理，得到反馈放大信号；对实时的前馈补偿量进行前馈校正，得到前馈校正信号；将所述反馈放大信号和前馈校正信号进行正反馈处理，得到正反馈信号，并将所述正反馈信号输入至执行元件中，所述执行元件根据所述正反馈信号生成执行控制信号，并将所述执行控制信号输送给所述被控对象，以控制被控对象提供与所述执行控制信号相对应的修正作用力和修正力矩来修正所述实时的姿态变化量。
4.根据权利要求2所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，其特征在于，在采用以所述前馈补偿量作为扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正前，还包括以下步骤：
设置所述姿态变化量的姿态稳定阈值，将所述实时的姿态变化量分别与其对应的姿态稳定阈值进行比较，当比较出所述实时的姿态变化量均未超出其所对应的姿态稳定阈值，则直接采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正；
当比较出存在任意实时的姿态变化量超出其所对应的姿态稳定阈值，则计算所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值，并通过降低灭火流量来修正所述超出值，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正。
5.根据权利要求1所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制方法，其特征在于，获取航空灭火装置的姿态变化量，包括以下步骤：
实时获取航空灭火装置的灭火液的喷射速度以及喷射流量以及水枪喷孔的截面积，并根据第一计算公式计算喷射灭火对X轴反向作用力；
所述第一计算公式为
其中，F1为喷射灭火对X轴反向作用力，Vr为灭火器的出口速度，m为航空灭火装置的质量，t为喷射时刻；
实时获取所述航空灭火装置的重力、灭火装置的俯仰角度，并分别使用第二计算公式、第三计算公式计算重量变化对X轴作用力、重量变化对Z轴作用力；
所述第二计算公式为：-Hs-Gsinθ＝0；其中，G为航空灭火装置的重力，Hs为重量变化对X轴的作用力；
所述第三计算公式为：-T+Gcosθ＝0；其中，T为重量变化对Z轴作用力；
实时获取航空灭火装置的滚转角和尾桨拉力，并使用第四计算公式计算重量变化对Y轴作用力；其中，第四计算公式为：
获取重量变化对X轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对X轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出俯仰力矩；
获取重量变化对X轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对Y轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出横滚力矩；
获取重量变化对Z轴的作用力的作用点到质心的距离，进而根据重量变化对Z轴的作用力及其作用点到质心的距离计算出偏航力矩。
6.一种航空灭火装置悬停喷射灭火的控制系统，其特征在于，包括：
测量元件：用于获取航空灭火装置的实时的姿态变化量，所述姿态变化量包括喷射灭火对X轴反向作用力，重量变化对X轴作用力及其俯仰力矩、重量变化对Y轴作用力及其横滚力矩、重量变化对Z轴的作用力及其偏航力矩；
前馈补偿量获取模块：获取并根据火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力和实时消耗的灭火液重量计算前馈补偿量；
控制模块：用于采用以所述前馈补偿量作为扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正，从而实时确保航空灭火装置的稳定飞行与灭火。
7.根据权利要求6所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制系统，其特征在于，所述前馈补偿量获取模块包括：烟羽流作用力获取组件、消耗液获取组件以及前馈补偿量计算模块；
所述烟羽流作用力获取组件包括安装在航空灭火装置正下方的压力传感器、投影面积获取组件以及第一计算组件；所述压力传感器用于实时获取空气对旋翼和直升机的底面产生的压强；所述投影面积获取组件用于获取航空灭火装置在Z轴方向的投影面积；所述第一计算组件用于将所述空气对旋翼和直升机的底面产生的压强乘以航空灭火装置在Z轴方向的投影面积，计算得到火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的作用力；
所述消耗液获取组件包括安装在航空灭火装置的水泵出口或者喷管出口的流量传感器以及第二计算组件，所述流量传感器用于获取灭火水剂的实时流量；所述第二计算组件用于根据所述灭火水剂的密度、喷射时间和灭火水剂的实时流量计算得到实时消耗的灭火液重量；
所述前馈补偿量计算模块用于将所述实时消耗的灭火液重量减去火场烟羽流对航空灭火装置向上产生的实时作用力，得到实时的前馈补偿量。
8.根据权利要求7所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制系统，其特征在于：所述控制模块包括给定元件、第一比较元件、串联校正元件、第二比较元件、放大元件、反馈校正元件、前馈校正元件以及执行元件；
所述给定元件用于获取期望的姿态变化量，并将期望的姿态变化量发送给所述第一比较元件；
所述测量元件用于测量实时的姿态变化量，并将实时的姿态变化量发送给所述第一比较元件；
所述第一比较元件用于接收并将所述期望输出量和期望输入量进行负反馈处理，得到第一负反馈信号，并将第一负反馈信号输送给所述串联校正元件；
所述串联校正元件用于接收并将所述第一负反馈信号串联校正处理，得到串联校正信号，并将串联校正信号输送给所述第二比较元件；
所述反馈校正元件用于将从执行元件的输出端获取到的执行控制信号进行反馈校正，得到反馈校正信号，并将所述反馈校正信号输送给所述第二比较元件；
所述第二比较元件用于接收并将所述串联校正信号和反馈校正信号进行负反馈处理，得到第二负反馈信号，并将所述第二负反馈信号发送所述放大元件；
所述放大元件用于接收并将所述第二负反馈信号进行放大处理，得到反馈放大信号，并将所述反馈放大信号发送给所述第三比较元件；
所述前馈校正组件用于从所述前馈补偿量计算模块获取前馈补偿，并对实时的前馈补偿量进行前馈校正，得到前馈校正信号，并将前馈校正信号发送给所述第三比较元件；
所述第三比较元件用于接收并将所述反馈放大信号和前馈校正信号进行正反馈处理，得到正反馈信号，并将所述正反馈信号输入至执行元件中；
所述执行元件根据所述正反馈信号生成执行控制信号，并将所述执行控制信号输送给所述被控对象，以控制被控对象提供与所述执行控制信号相对应的修正作用力和修正力矩来修正所述实时的姿态变化量。
9.根据权利要求8所述的航空灭火装置悬停喷射灭火的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括一比较组件，所述比较组件用于设置所述姿态变化量的姿态稳定阈值，将所述实时的姿态变化量分别与其对应的姿态稳定阈值进行比较，当比较出所述实时的姿态变化量均未超出其所对应的姿态稳定阈值，则直接控制所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正；
当比较出存在任意实时的姿态变化量超出其所对应的姿态稳定阈值，则计算所述姿态变化量与其对应的姿态稳定阈值的超出值，并通过降低灭火流量来修正所述超出值，进而将所述航空灭火装置的实时的姿态变化量控制在所述姿态稳定阈值内，再控制所述控制组件采用以所述实时的前馈补偿量作为实时扰动的前馈补偿控制算法对所述航空灭火装置实时的姿态变化量进行前馈校正。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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