CN111596692B - 一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统，所述方法包括：建立平流层飞艇模型；计算当前时刻的期望视线角和期望速度；基于所述期望视线角确定期望角速度；基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行，不仅实现对较大移动速度目标以较大环航半径跟踪，还具有良好的收敛效果，为飞艇以大半径环绕大移速目标时的目标跟踪问题提供了有效的设计手段。

Description

一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统

技术领域

本发明涉及移动跟踪控制技术领域，特别是涉及一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统。

背景技术

运动控制问题主要有轨迹跟踪控制、路径跟踪控制和目标跟踪控制三种，是当前运动控制问题中的研究重难点。目标跟踪控制要求在已知或者未知目标状态的条件下，系统能够收敛到目标附近。其中环航是目标跟踪中的一类，指的是保持一定距离环绕移动目标的运动。

现有的环航跟踪方法主有两种，一种是通过目标状态预先计算出给定路径，将目标跟踪问题转化为轨迹跟踪问题进行求解。该种方法主要令速度保持恒定，采用角速度作为控制量，实现对移动目标的环航。另一种方法是对速度和角速度都有一定限制。但现有的环航跟踪方法对于目标运动速度有一定要求，目标运动速度小，不适用于环航跟踪大半径目标。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统，以实现对较大移动速度目标以较大环航半径跟踪。

为实现上述目的，本发明提供了一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法，所述方法包括：

建立平流层飞艇模型；

计算当前时刻的期望视线角和期望速度；

基于所述期望视线角确定期望角速度；

基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；

基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；

根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行。

可选的，所述建立平流层飞艇模型，具体包括：

以地面上任一点为原点建立惯性坐标系；

以平流层飞艇质心为原点建立艇体坐标系；

基于所述惯性坐标系和所述艇体坐标系确定飞艇的速度矢量和姿态角矢量；

基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程；

对所述平流层飞艇运动学方程和动力学方程进行简化，获得平流层飞艇模型。

可选的，所述基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程，具体公式为：

其中，

表示飞艇位置矢量导数，

表示飞艇姿态角矢量导数，R表示艇体坐标系和惯性坐标系间转换矩阵，

φ表示飞艇在艇体坐标系下的滚转角，θ表示飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，O_3×3表示维度为3×3的空矩阵，υ表示速度矢量，Θ表示姿态角矢量，K表示姿态角矢量旋转矩阵，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，m表示平流层飞艇质量，E表示单位矩阵，M'表示附加质量，r'_C表示斜对称矩阵，I_O表示指向BRF的惯性矩阵，I_O＝diag{I_x,I_y,I_z}，I_x表示x方向惯性矩，I_y表示y方向惯性矩，I_z表示z方向惯性矩，I'_O表示惯性矩阵，

表示飞艇速度矢量导数，G表示飞艇重力，F_B表示飞艇净浮力，e_Z＝[0,0,1]^T，F_a表示气动力，F_T表示推进力，f_v表示未知干扰，M_G表示重力力矩，M_B表示浮力力矩，M_a表示气动力力矩，M_T表示推进力对应扭矩，f_ω表示未知干扰。

可选的，所述计算当前时刻的期望视线角，具体包括：

根据当前飞艇位置和移动目标位置计算移动目标与飞艇之间的距离；

根据所述移动目标与飞艇之间的距离和期望跟踪环绕半径计算距离差；

计算移动目标与飞艇间速度差夹角；

基于所述距离差和所述移动目标与飞艇间速度差夹角计算当前时刻期望视线角。

可选的，所述基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量，具体公式为：

其中，τ_ω表示角速度控制量，r_c表示期望角速度，Ω_d表示期望角速度，K₁表示控制参数矩阵，k_i′_i表示第i行第i列控制参数，Ω表示角速度矢量，z₁表示角速度误差，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_ω表示控制飞艇角速度的力矩矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望角速度的导数，λ表示控制参数，k_1i和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₁均为大于0的控制参数，

表示飞艇角速度矢量导数，τ_υ表示控制飞艇速度的输入控制量，B₂₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，f_υ表示未知干扰。

可选的，所述基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量，具体公式为：

其中，τ_υ表示速度控制量，u_d表示期望前向速度，v_d表示期望速度，υ表示，K₂表示控制参数矩阵，k_jj表示第j行第j列控制参数，Ω表示速度矢量，z₂表示速度误差，B₁₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_v表示控制飞艇速度的力矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望速度的导数，λ表示控制参数，k_jj和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₂均为大于0的控制参数，

表示速度矢量导数，f_ω表示未知干扰，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，τ_ω表示控制飞艇角速度的输入控制量。

本发明还提供一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制系统，所述系统包括：

平流层飞艇模型构建模块，用于建立平流层飞艇模型；

期望参数确定模块，用于计算当前时刻的期望视线角和期望速度；

期望角速度确定模块，用于基于所述期望视线角确定期望角速度；

角速度控制量确定模块，用于基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；

速度控制量确定模块，用于基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；

控制模块，用于根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行。

可选的，所述平流层飞艇模型构建模块，具体包括：

惯性坐标系构建单元，用于以地面上任一点为原点建立惯性坐标系；

艇体坐标系构建单元，用于以平流层飞艇质心为原点建立艇体坐标系；

矢量参数确定单元，用于基于所述惯性坐标系和所述艇体坐标系确定飞艇的速度矢量和姿态角矢量；

方程构建单元，用于基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程；

平流层飞艇模型确定单元，用于对所述平流层飞艇运动学方程和动力学方程进行简化，获得平流层飞艇模型。

可选的，所述基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程，具体公式为：

其中，

表示飞艇位置矢量导数，

表示飞艇姿态角矢量导数，R表示艇体坐标系和惯性坐标系间转换矩阵，

φ表示飞艇在艇体坐标系下的滚转角，θ表示飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，O_3×3表示维度为3×3的空矩阵，υ表示速度矢量，Θ表示姿态角矢量，K表示姿态角矢量旋转矩阵，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，m表示平流层飞艇质量，E表示单位矩阵，M'表示附加质量，r'_C表示斜对称矩阵，I_O表示指向BRF的惯性矩阵，I_O＝diag{I_x,I_y,I_z}，I_x表示x方向惯性矩，I_y表示y方向惯性矩，I_z表示z方向惯性矩，I'_O表示惯性矩阵，

表示飞艇速度矢量导数，G表示飞艇重力，F_B表示飞艇净浮力，e_Z＝[0,0,1]^T，F_a表示气动力，F_T表示推进力，f_v表示未知干扰，M_G表示重力力矩，M_B表示浮力力矩，M_a表示气动力力矩，M_T表示推进力对应扭矩，f_ω表示未知干扰。

可选的，所述期望参数确定模块，具体包括：

距离确定单元，用于据当前飞艇位置和移动目标位置计算移动目标与飞艇之间的距离；

距离差确定单元，用于根据所述移动目标与飞艇之间的距离和期望跟踪环绕半径计算距离差；

速度差夹角确定单元，用于计算移动目标与飞艇间速度差夹角；

期望视线角确定单元，用于基于所述距离差和所述移动目标与飞艇间速度差夹角计算当前时刻期望视线角；

期望速度确定单元，用于确定期望速度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统，所述方法包括：建立平流层飞艇模型；计算当前时刻的期望视线角和期望速度；基于所述期望视线角确定期望角速度；基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行，不仅实现对较大移动速度目标以较大环航半径跟踪，还具有良好的收敛效果，为飞艇以大半径环绕大移速目标时的目标跟踪问题提供了有效的设计手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法流程图；

图2为本发明实施例构建平流层飞艇模型示意图；

图3为本发明实施例平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法及系统，以实现对较大移动速度目标以较大环航半径跟踪。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法流程图，如图1所示，本发明公开一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法，所述方法包括：

步骤S1：建立平流层飞艇模型；

步骤S2：计算当前时刻的期望视线角和期望速度；

步骤S3：基于所述期望视线角确定期望角速度；

步骤S4：基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；

步骤S5：基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；

步骤S6：根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行。

下面对各个步骤进行详细论述：

如图2所示，建立平流层飞艇模型，具体包括：

步骤S11：以地面上任一点为原点建立惯性坐标系，具体的：

ERF＝{O_g,x_g,y_g,z_g}为建立在地球上的惯性坐标系，其中，O_g表示惯性坐标系原点；x_g表示惯性坐标系X轴；y_g表示惯性坐标系Y轴；z_g表示惯性坐标系Z轴。

步骤S12：以平流层飞艇质心为原点建立艇体坐标系，具体的：

BRF＝{O,x,y,z}为建立在平流层飞艇上的艇体坐标系，O表示平流层飞艇质心；x表示艇体坐标系X轴；y表示艇体坐标系Y轴；z表示艇体坐标系Z轴。

步骤S13：基于所述惯性坐标系和所述艇体坐标系确定飞艇的位置矢量、速度矢量、角速度矢量和姿态角矢量，具体的：

位置矢量p＝[x,y,z]^T为飞艇在惯性坐标系的坐标；速度矢量υ＝[u,v,w]^T为飞艇速度在艇体坐标系上的分量，u表示飞艇速度在艇体坐标系下x轴方向分量，v表示飞艇速度在艇体坐标系下y轴方向分量，w表示飞艇速度在艇体坐标系下z轴方向分量；角速度矢量Ω＝[p,q,r]^T为飞艇角速度在艇体坐标系上的分量，_p表示飞艇在艇体坐标系上的滚转角速度，_q表示飞艇在艇体坐标系上的俯仰角速度，r表示飞艇在艇体坐标系上的偏航角速度；姿态角矢量Θ＝[θ,ψ,φ]^T，θ代表飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，ψ代表飞艇在艇体坐标系下的偏航角，φ代表飞艇在艇体坐标系下的滚转角。

步骤S14：基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程，具体公式为：

其中，

表示飞艇位置矢量导数，

表示飞艇姿态角矢量导数，R表示艇体坐标系和惯性坐标系间转换矩阵，

φ表示飞艇在艇体坐标系下的滚转角，θ表示飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，O_3×3表示维度为3×3的空矩阵，υ表示速度矢量，Θ表示姿态角矢量，K表示姿态角矢量旋转矩阵，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，m表示平流层飞艇质量，E表示单位矩阵，M'表示附加质量，r'_C表示斜对称矩阵，I_O表示指向BRF的惯性矩阵，I_O＝diag{I_x,I_y,I_z}，I_x表示x方向惯性矩，I_y表示y方向惯性矩，I_z表示z方向惯性矩，I'_O表示惯性矩阵，

表示飞艇速度矢量导数，G表示飞艇重力，F_B表示飞艇净浮力，e_Z＝[0,0,1]^T，F_a表示气动力，F_T表示推进力，f_v表示未知干扰，M_G表示重力力矩，M_B表示浮力力矩，M_a表示气动力力矩，M_T表示推进力对应扭矩，f_ω表示未知干扰。

步骤S15：对所述平流层飞艇运动学方程和动力学方程进行简化，获得平流层飞艇模型，具体公式为：

其中，X₁、X₂均为状态方程状态量，

f₂(X₁,X₂)＝[F_v,F_ω]^T+[f_v,f_ω]^T，F_v表示控制飞艇速度的力矢量，F_ω表示控制飞艇角速度的力矩矢量，

B₁₁、B₁₂、B₂₁、B₂₂均为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，τ＝[τ_u,τ_v,τ_w,τ_p,τ_q,τ_r]^T，τ_u为前向速度控制量，τ_v为侧向速度控制量，τ_w为纵向速度控制量，τ_p为滚转角速度控制量，τ_q为俯仰角速度控制量，τ_r为偏航角速度控制量，X₁＝[x,y,z,φ,θ,ψ]^T，X₂＝[u,v,w,p,q,r]^T。

步骤S2：计算当前时刻的期望视线角和期望速度，具体包括：

步骤S21：根据当前飞艇位置和移动目标位置计算移动目标与飞艇之间的距离，具体公式为：

其中，ρ表示移动目标与飞艇之间的距离，x_t表示移动目标在艇体坐标系下的横坐标，y_t表示移动目标在艇体坐标系下的纵坐标，x表示飞艇在艇体坐标系下的横坐标，y表示飞艇在艇体坐标系下的纵坐标。

步骤S22：根据所述移动目标与飞艇之间的距离和期望跟踪环绕半径计算距离差，具体公式为：

ρ_e＝ρ-ρd

其中，ρ_e表示距离差，ρ表示移动目标与飞艇之间的距离，ρ_d表示期望跟踪环绕半径。

步骤S23：计算移动目标与飞艇间速度差夹角，具体公式为：

其中，

表示移动目标与飞艇间速度差夹角，u_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在x_g方向的分量，v_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在y_g方向的分量，ψ_t表示移动目标在艇体坐标系下的偏航角，ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，u表示飞艇速度在艇体坐标系下x轴方向分量，v表示飞艇速度在艇体坐标系下x轴方向分量，v_x表示外界干扰在惯性坐标系下x_g方向的分量，v_y表示外界干扰在惯性坐标系下y_g方向的分量。

步骤S24：基于所述距离差和所述移动目标与飞艇间速度差夹角计算当前时刻期望视线角，具体公式为：

其中，η_d表示期望视线角，ρ_e表示距离差，Δ_C表示给定参数，

表示移动目标与飞艇间速度差夹角。

步骤S25：确定期望速度，具体公式为：

其中，v_d表示期望速度，u_d表示期望前向速度，u_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在x_g方向的分量，v_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在y_g方向的分量，v_x表示外界干扰在惯性坐标系下x_g方向的分量，v_y表示外界干扰在惯性坐标系下y_g方向的分量。

本发明飞艇的速度满足

条件才可实现跟踪。

步骤S3：基于所述期望视线角确定期望角速度，具体公式为：

其中，r_c表示期望角速度，控制参数

大于0，η_e为视线角误差，η_d表示期望视线角，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，β表示该时刻下飞艇和目标位置之间的相对角度，x_t表示移动目标在艇体坐标系下的横坐标，y_t表示移动目标在艇体坐标系下的纵坐标，x表示飞艇在艇体坐标系下的横坐标，y表示飞艇在艇体坐标系下的纵坐标，ρ表示移动目标与飞艇之间的距离，u表示飞艇速度在艇体坐标系下x轴方向分量，v表示飞艇速度在艇体坐标系下x轴方向分量，u_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在x_g方向的分量，v_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在y_g方向的分量，ψ_t表示移动目标在艇体坐标系下的偏航角，v_x表示外界干扰在惯性坐标系下x_g方向的分量，v_y表示外界干扰在惯性坐标系下y_g方向的分量，

是η_d随时间变化的导数。

步骤S4：基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量，具体公式为：

其中，τ_ω表示角速度控制量，r_c表示期望角速度，Ω_d表示期望角速度，K₁表示控制参数矩阵，k′_ii表示第i行第i列控制参数，Ω表示角速度矢量，z₁表示角速度误差，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_ω表示控制飞艇角速度的力矩矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望角速度的导数，λ表示控制参数，k_1i和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₁均为大于0的控制参数，

表示飞艇角速度矢量导数，τ_υ表示控制飞艇速度的输入控制量，B₂₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，f_υ表示未知干扰。

步骤S5：基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量，具体公式为：

其中，τ_υ表示速度控制量，u_d表示期望前向速度，v_d表示期望速度，υ表示，K₂表示控制参数矩阵，k_jj表示第j行第j列控制参数，Ω表示速度矢量，z₂表示速度误差，B₁₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_v表示控制飞艇速度的力矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望速度的导数，λ表示控制参数，k_jj和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₂均为大于0的控制参数，

表示速度矢量导数，f_ω表示未知干扰，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，τ_ω表示控制飞艇角速度的输入控制量。

图3为本发明实施例平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制系统结构图，如图3所示，本发明公开一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制系统，所述系统包括：

平流层飞艇模型构建模块1，用于建立平流层飞艇模型。

期望参数确定模块2，用于计算当前时刻的期望视线角和期望速度。

期望角速度确定模块3，用于基于所述期望视线角确定期望角速度。

角速度控制量确定模块4，用于基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量。

速度控制量确定模块5，用于基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量。

控制模块6，用于根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行。

作为一种实施方式，本发明所述平流层飞艇模型构建模块1，具体包括：

惯性坐标系构建单元，用于以地面上任一点为原点建立惯性坐标系。

艇体坐标系构建单元，用于以平流层飞艇质心为原点建立艇体坐标系。

矢量参数确定单元，用于基于所述惯性坐标系和所述艇体坐标系确定飞艇的速度矢量和姿态角矢量。

方程构建单元，用于基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程，具体公式为：

其中，

表示飞艇位置矢量导数，

表示飞艇姿态角矢量导数，R表示艇体坐标系和惯性坐标系间转换矩阵，

φ表示飞艇在艇体坐标系下的滚转角，θ表示飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，O_3×3表示维度为3×3的空矩阵，υ表示速度矢量，Θ表示姿态角矢量，K表示姿态角矢量旋转矩阵，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，m表示平流层飞艇质量，E表示单位矩阵，M'表示附加质量，r'_C表示斜对称矩阵，I_O表示指向BRF的惯性矩阵，I_O＝diag{I_x,I_y,I_z}，I_x表示x方向惯性矩，I_y表示y方向惯性矩，I_z表示z方向惯性矩，I'_O表示惯性矩阵，

表示飞艇速度矢量导数，G表示飞艇重力，F_B表示飞艇净浮力，e_Z＝[0,0,1]^T，F_a表示气动力，F_T表示推进力，f_v表示未知干扰，M_G表示重力力矩，M_B表示浮力力矩，M_a表示气动力力矩，M_T表示推进力对应扭矩，f_ω表示未知干扰。

平流层飞艇模型确定单元，用于对所述平流层飞艇运动学方程和动力学方程进行简化，获得平流层飞艇模型。

作为一种实施方式，本发明所述期望参数确定模块2，具体包括：

距离确定单元，用于据当前飞艇位置和移动目标位置计算移动目标与飞艇之间的距离。

距离差确定单元，用于根据所述移动目标与飞艇之间的距离和期望跟踪环绕半径计算距离差。

速度差夹角确定单元，用于计算移动目标与飞艇间速度差夹角。

期望视线角确定单元，用于基于所述距离差和所述移动目标与飞艇间速度差夹角计算当前时刻期望视线角。

期望速度确定单元，用于确定期望速度。

本发明公开的方案与现有技术比，其优点是：

1)本申请直接利用移动目标的相关运动状态和给定期望环绕距离进行飞艇期望角速度的估算，所用到的参数和控制参数都较少，容易调节。

2)本申请能够保证闭环系统的渐近稳定性能，在飞艇速度满足条件情况下能够达更好的对移动目标进行环绕跟踪。

3)本申请相比于转换成轨迹跟踪问题求解的方法来说，求解方法简单。

4)本申请在应用过程中根据情况给定飞艇任意期望环绕距离，并利用本申请中的技术方案计算得到速度控制量和角速度控制量，利用速度控制量和角速度控制量直接控制执行机构实现移动目标的环绕跟踪。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制方法，其特征在于，所述方法包括：

建立平流层飞艇模型；

计算当前时刻的期望视线角和期望速度；

基于所述期望视线角确定期望角速度；

基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；

基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；

根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行；

所述建立平流层飞艇模型，具体包括：

以地面上任一点为原点建立惯性坐标系；

以平流层飞艇质心为原点建立艇体坐标系；

基于所述惯性坐标系和所述艇体坐标系确定飞艇的速度矢量和姿态角矢量；

基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程；

对所述平流层飞艇运动学方程和动力学方程进行简化，获得平流层飞艇模型；

所述基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程，具体公式为：

其中，

表示飞艇位置矢量导数，

表示飞艇姿态角矢量导数，R表示艇体坐标系和惯性坐标系间转换矩阵，

φ表示飞艇在艇体坐标系下的滚转角，θ表示飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，O_3×3表示维度为3×3的空矩阵，υ表示速度矢量，Θ表示姿态角矢量，K表示姿态角矢量旋转矩阵，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，m表示平流层飞艇质量，E表示单位矩阵，M'表示附加质量，r'_C表示斜对称矩阵，I_O表示指向BRF的惯性矩阵，I_O＝diag{I_x,I_y,I_z}，I_x表示x方向惯性矩，I_y表示y方向惯性矩，I_z表示z方向惯性矩，I'_O表示附加质量对应的惯性矩阵，

表示飞艇速度矢量导数，G表示飞艇重力，F_B表示飞艇净浮力，e_Z＝[0,0,1]^T，F_a表示气动力，F_T表示推进力，f_v表示未知干扰，M_G表示重力力矩，M_B表示浮力力矩，M_a表示气动力力矩，M_T表示推进力对应扭矩，f_ω表示未知干扰；

所述计算当前时刻的期望视线角，具体包括：

根据当前飞艇位置和移动目标位置计算移动目标与飞艇之间的距离；

根据所述移动目标与飞艇之间的距离和期望跟踪环绕半径计算距离差；

计算移动目标与飞艇间速度差夹角；

基于所述距离差和所述移动目标与飞艇间速度差夹角计算当前时刻期望视线角；

根据

确定期望速度；其中，v_d表示期望速度，u_d表示期望前向速度，u_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在x_g方向的分量，v_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在y_g方向的分量，v_x表示外界干扰在惯性坐标系下x_g方向的分量，v_y表示外界干扰在惯性坐标系下y_g方向的分量；

所述基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量，具体公式为：

其中，τ_ω表示角速度控制量，r_c表示期望角速度，Ω_d表示期望角速度，K₁表示控制参数矩阵，k′_ii表示第i行第i列控制参数，Ω表示角速度矢量，z₁表示角速度误差，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_ω表示控制飞艇角速度的力矩矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望角速度的导数，λ表示控制参数，k_1i和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₁均为大于0的控制参数，

表示飞艇角速度矢量导数，τ_υ表示控制飞艇速度的输入控制量，B₂₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，f_υ表示未知干扰；

所述基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量，具体公式为：

其中，τ_υ表示速度控制量，u_d表示期望前向速度，v_d表示期望速度，υ表示速度矢量，K₂表示控制参数矩阵，k_jj表示第j行第j列控制参数，Ω表示速度矢量，z₂表示速度误差，B₁₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_v表示控制飞艇速度的力矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望速度的导数，λ表示控制参数，k_jj和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₂均为大于0的控制参数，

表示速度矢量导数，f_ω表示未知干扰，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，τ_ω表示控制飞艇角速度的输入控制量。

2.一种平流层飞艇的环绕跟踪移动目标控制系统，其特征在于，所述系统包括：

平流层飞艇模型构建模块，用于建立平流层飞艇模型；

期望参数确定模块，用于计算当前时刻的期望视线角和期望速度；

期望角速度确定模块，用于基于所述期望视线角确定期望角速度；

角速度控制量确定模块，用于基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量；

速度控制量确定模块，用于基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量；

控制模块，用于根据所述角速度控制量和所述速度控制量控制飞艇对应的执行机构运行；

所述平流层飞艇模型构建模块，具体包括：

惯性坐标系构建单元，用于以地面上任一点为原点建立惯性坐标系；

艇体坐标系构建单元，用于以平流层飞艇质心为原点建立艇体坐标系；

矢量参数确定单元，用于基于所述惯性坐标系和所述艇体坐标系确定飞艇的速度矢量和姿态角矢量；

方程构建单元，用于基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程；

平流层飞艇模型确定单元，用于对所述平流层飞艇运动学方程和动力学方程进行简化，获得平流层飞艇模型；

所述基于所述速度矢量和所述姿态角矢量建立平流层飞艇运动学方程和动力学方程，具体公式为：

其中，

表示飞艇位置矢量导数，

表示飞艇姿态角矢量导数，R表示艇体坐标系和惯性坐标系间转换矩阵，

φ表示飞艇在艇体坐标系下的滚转角，θ表示飞艇在艇体坐标系下的俯仰角，O_3×3表示维度为3×3的空矩阵，υ表示速度矢量，Θ表示姿态角矢量，K表示姿态角矢量旋转矩阵，

ψ表示飞艇在艇体坐标系下的偏航角，m表示平流层飞艇质量，E表示单位矩阵，M'表示附加质量，r'_C表示斜对称矩阵，I_O表示指向BRF的惯性矩阵，I_O＝diag{I_x,I_y,I_z}，I_x表示x方向惯性矩，I_y表示y方向惯性矩，I_z表示z方向惯性矩，I'_O表示附加质量对应的惯性矩阵，

表示飞艇速度矢量导数，G表示飞艇重力，F_B表示飞艇净浮力，e_Z＝[0,0,1]^T，F_a表示气动力，F_T表示推进力，f_v表示未知干扰，M_G表示重力力矩，M_B表示浮力力矩，M_a表示气动力力矩，M_T表示推进力对应扭矩，f_ω表示未知干扰；

所述期望参数确定模块，具体包括：

距离确定单元，用于据当前飞艇位置和移动目标位置计算移动目标与飞艇之间的距离；

距离差确定单元，用于根据所述移动目标与飞艇之间的距离和期望跟踪环绕半径计算距离差；

速度差夹角确定单元，用于计算移动目标与飞艇间速度差夹角；

期望视线角确定单元，用于基于所述距离差和所述移动目标与飞艇间速度差夹角计算当前时刻期望视线角；

期望速度确定单元，用于根据

确定期望速度；其中，v_d表示期望速度，u_d表示期望前向速度，u_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在x_g方向的分量，v_t表示移动目标在惯性坐标系下速度在y_g方向的分量，v_x表示外界干扰在惯性坐标系下x_g方向的分量，v_y表示外界干扰在惯性坐标系下y_g方向的分量；

所述基于所述期望角速度和所述平流层飞艇模型确定角速度控制量，具体公式为：

其中，τ_ω表示角速度控制量，r_c表示期望角速度，Ω_d表示期望角速度，K₁表示控制参数矩阵，k′_ii表示第i行第i列控制参数，Ω表示角速度矢量，z₁表示角速度误差，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_ω表示控制飞艇角速度的力矩矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望角速度的导数，λ表示控制参数，k_1i和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₁均为大于0的控制参数，

表示飞艇角速度矢量导数，τ_υ表示控制飞艇速度的输入控制量，B₂₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，f_υ表示未知干扰；

所述基于所述期望速度和所述平流层飞艇模型确定速度控制量，具体公式为：

其中，τ_υ表示速度控制量，u_d表示期望前向速度，v_d表示期望速度，υ表示速度矢量，K₂表示控制参数矩阵，k_jj表示第j行第j列控制参数，Ω表示速度矢量，z₂表示速度误差，B₁₁为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，F_v表示控制飞艇速度的力矢量，

表示未知控制干扰量估计值，

表示期望速度的导数，λ表示控制参数，k_jj和λ均为大于1的整数，

表示未知控制干扰量估计值导数，γ₀、γ₂均为大于0的控制参数，

表示速度矢量导数，f_ω表示未知干扰，B₂₂为飞艇实际控制量的控制参数矩阵，τ_ω表示控制飞艇角速度的输入控制量。

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