CN112904871A - 一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例公开了一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统，包括：高度指令发生器、控制分配器、速度指令发生器、俯仰角指令发生器、浮升机动平台和卫星接收机；所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱；所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；高度指令发生器生成高度指令并输出高度指令信号；卫星接收机测量囊体飞行高度并输出高度信号，控制分配器接收所述高度指令信号和高度信号，进行比较，并分配不同的控制量分别给速度指令发生器和俯仰角指令发生器，速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，俯仰角指令发生器生成新的俯仰角指令，给各自的控制回路。

Description

一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统

技术领域

本发明涉及航天技术领域。更具体地，涉及一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统和方法。

背景技术

临近空间是跨接航天和航空的战略空间，已成为二十一世纪国际战略竞争新的热点。平流层低速飞行器目前主要有飞艇和浮升机动平台。飞艇传统高度控制方法主要通过囊体浮力和空气阀的充放气实现，辅助配重舱进行高度调节。飞艇飞行高度在一开始就设计好了，取决于飞艇内氦气所占的比例，当高度超出要求的飞行高度，囊体需要充入空气以增加飞艇重量；当高度低于要求的飞行高度，囊体需要排出空气或者释放配重以满足在指定高度浮重平衡。由于太阳辐射变化导致白天和晚上温差达90°左右，极大影响了囊体净浮力；再加上囊体工艺水平导致囊体存在较高的漏氦率，要实现平流层飞艇昼夜循环高度控制非常困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统和方法，解决平流层低速飞行器难以适应太阳辐射温差变化、囊体漏氦等因素影响，难以实现昼夜循环长时间飞行的高度控制问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统，包括：

高度指令发生器、控制分配器、速度指令发生器、俯仰角指令发生器、浮升机动平台和卫星接收机；

其中，所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱；

所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；

所述高度指令发生器用于生成高度指令并输出高度指令信号H_i；所述卫星接收机用于测量所述囊体的飞行高度并输出高度信号H_f；

所述控制分配器用于接收所述高度指令发生器输出的高度指令信号H_i和所述卫星接收机输出的高度信号H_f，将所述信号H_i和信号H_f进行比较，并分配不同的控制量分别给所述速度指令发生器和所述俯仰角指令发生器；

所述速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，所述俯仰角指令发生器结合理论指令要求和需要控制的俯仰角增量生成新的俯仰角指令，利用所述速度指令和俯仰角指令，实现对囊体高度的控制。

在一个具体实施例中，所述系统还包括：

螺旋桨控制回路和俯仰缆绳控制回路，

所述螺旋桨控制回路用于接收所述速度指令发生器发送的速度指令；并在所述速度指令的控制下通过改变螺旋桨推力改变飞行速度，为给吊舱提供飞行动力，通过绳索拉动囊体飞行；

所述俯仰缆绳控制回路用于接收所述俯仰角指令发生器发送的俯仰角指令，并在所述俯仰角指令的控制下通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，改变囊体俯仰角最终改变飞行高度。

在一个具体实施例中，所述控制分配器根据高度指令发生器输出的高度指令信号H_i、卫星接收机输出的高度信号H_f，得到高度偏差信号ΔH＝H_i-H_f；根据囊体/吊舱的执行机构螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，设计所述控制分配器，从而得到速度指令修正量ΔV＝K₁×(H_i-H_f)，以及俯仰角指令修正量Δθ＝K₂×(H_i-H_f)，其中，K₁为速度通道比例系数，K₂为俯仰通道比例系数。

在一个具体实施例中，

所述速度指令发生器根据囊体/吊舱的飞行速度要求，生成速度指令V_i＝V*+ΔV，其中，V*是理论飞行速度值。

在一个具体实施例中，所述俯仰角指令发生器根据囊体/吊舱飞行的俯仰角要求，生成俯仰角指令θ_i＝θ*+Δθ，其中，θ*是理论飞行俯仰角值。

第二方面，本发明还提供了一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统进行囊体高度控制的方法，

所述系统包括高度指令发生器、控制分配器、速度指令发生器、俯仰角指令发生器、浮升机动平台和卫星接收机；

其中，所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱，

所述方法包括：

所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；

所述高度指令发生器生成高度指令并输出高度指令信号H_i；所述卫星接收机测量所述囊体的飞行高度并输出高度信号H_f；

所述控制分配器接收所述高度指令发生器输出的高度指令信号H_i和所述卫星接收机输出的高度信号H_f，将所述信号H_i和信号H_f进行比较，并分配不同的控制量分别给所述速度指令发生器和所述俯仰角指令发生器；

所述速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，所述俯仰角指令发生器结合理论指令要求和需要控制的俯仰角增量生成新的俯仰角指令，利用所述速度指令和俯仰角指令，实现对囊体高度的控制。

在一个具体实施例中，所述系统还包括：

螺旋桨控制回路和俯仰缆绳控制回路，

所述方法还包括：

所述螺旋桨控制回路接收所述速度指令发生器发送的速度指令；并在所述速度指令的控制下通过改变螺旋桨推力改变飞行速度，给吊舱提供飞行动力，通过绳索拉动囊体飞行；

所述俯仰缆绳控制回路接收所述俯仰角指令发生器发送的俯仰角指令，并在所述俯仰角指令的控制下通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，改变囊体俯仰角最终改变飞行高度。

在一个具体实施例中，

所述控制分配器根据高度指令发生器输出的高度指令信号H_i、卫星接收机输出的高度信号H_f，得到高度偏差信号ΔH＝H_i-H_f；根据囊体/吊舱的执行机构螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，设计所述控制分配器，从而得到速度指令修正量ΔV＝K₁×(H_i-H_f)，以及俯仰角指令修正量Δθ＝K₂×(H_i-H_f)，其中，K₁为速度通道比例系数，K₂为俯仰通道比例系数。

在一个具体实施例中，所述速度指令发生器根据囊体/吊舱的飞行速度要求，生成速度指令V_i＝V*+ΔV，其中，V*是理论飞行速度值。

在一个具体实施例中，

所述俯仰角指令发生器根据囊体/吊舱飞行的俯仰角要求，生成俯仰角指令θ_i＝θ*+Δθ，其中，θ*是理论飞行俯仰角值。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统和方法，该方法协调设计了螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，实现了囊体的高度控制，解决平流层低速飞行器难以适应太阳辐射温差变化、囊体漏氦等因素影响，难以实现昼夜循环长时间飞行的高度控制问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本申请一个实施例的基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统示意图。

图2示出根据本申请一个实施例的基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

第一实施例：

如图1所示，本发明的一个实施例公开了一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统，包括：

高度指令发生器1、控制分配器2、速度指令发生器3、俯仰角指令发生器4、螺旋桨控制回路5、俯仰缆绳控制回路6、浮升机动平台7和卫星接收机8；

其中，所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱；

所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；

所述高度指令发生器用于生成高度指令并输出高度指令信号H_i；所述卫星接收机用于测量所述囊体的飞行高度并输出高度信号H_f；

所述控制分配器用于接收所述高度指令发生器输出的高度指令信号H_i和所述卫星接收机输出的高度信号H_f，将所述信号H_i和信号H_f进行比较，并分配不同的控制量分别给所述速度指令发生器和所述俯仰角指令发生器；

所述速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，所述俯仰角指令发生器结合理论指令要求和需要控制的俯仰角增量生成新的俯仰角指令，利用所述速度指令和俯仰角指令，实现对囊体高度的控制。

在一个具体实施例中，所述螺旋桨控制回路用于接收所述速度指令发生器发送的速度指令；并在所述速度指令的控制下通过改变螺旋桨推力改变飞行速度，从而给吊舱提供飞行动力，并通过绳索拉动囊体飞行；例如可以通过增大螺旋桨推力提高飞行速度。

所述俯仰缆绳控制回路用于接收所述俯仰角指令发生器发送的俯仰角指令，并在所述俯仰角指令的控制下通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，改变囊体俯仰角最终改变飞行高度。

在一个具体实施例中，所述控制分配器根据高度指令发生器输出的高度指令信号H_i、卫星接收机输出的高度信号H_f，得到高度偏差信号ΔH＝H_i-H_f；根据囊体/吊舱(囊体或吊舱)的执行机构螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，设计高度控制分配器，从而得到速度指令修正量ΔV＝K₁×(H_i-H_f)，以及俯仰角指令修正量Δθ＝K₂×(H_i-H_f)，其中，K₁为速度通道比例系数，K₂为俯仰通道比例系数。

在一个具体实施例中，某浮升机动平台，K₁＝0.2，K₂＝0.1。

在一个具体实施例中，

所述速度指令发生器根据囊体/吊舱(囊体或吊舱)的飞行速度要求，生成速度指令V_i＝V*+ΔV，其中，V*是理论飞行速度值。具体的，某浮升机动平台V^*＝7m/s。

在一个具体实施例中，所述俯仰角指令发生器根据囊体/吊舱(囊体或吊舱)飞行的俯仰角要求，生成俯仰角指令θ_i＝θ*+Δθ，其中，θ*是理论飞行俯仰角值。具体的，某浮升机动平台θ^*＝10°。

本发明提供的系统协调设计了螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，实现了囊体的高度控制，解决平流层低速飞行器难以适应太阳辐射温差变化、囊体漏氦等因素影响，难以实现昼夜循环长时间飞行的高度控制问题。

第二实施例

本发明的一个实施例还公开了一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统进行囊体高度控制的方法，

如图1所示，所述系统包括高度指令发生器1、控制分配器2、速度指令发生器3、俯仰角指令发生器4、浮升机动平台7和卫星接收机8；

其中，所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱，

如图2所示，所述方法包括：

所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；

所述高度指令发生器生成高度指令并输出高度指令信号H_i；所述卫星接收机测量所述囊体的飞行高度并输出高度信号H_f；

所述控制分配器接收所述高度指令发生器输出的高度指令信号H_i和所述卫星接收机输出的高度信号H_f，将所述信号H_i和信号H_f进行比较，并分配不同的控制量分别给所述速度指令发生器和所述俯仰角指令发生器；

所述速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，所述俯仰角指令发生器结合理论指令要求和需要控制的俯仰角增量生成新的俯仰角指令，利用所述速度指令和俯仰角指令，实现对囊体高度的控制。

在一个具体实施例中，所述系统还包括：

螺旋桨控制回路5和俯仰缆绳控制回路6，

所述方法还包括：

所述螺旋桨控制回路接收所述速度指令发生器发送的速度指令；并在所述速度指令的控制下通过改变螺旋桨推力改变飞行速度，给吊舱提供飞行动力，通过绳索拉动囊体飞行；

所述俯仰缆绳控制回路接收所述俯仰角指令发生器发送的俯仰角指令，并在所述俯仰角指令的控制下通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，改变囊体俯仰角最终改变飞行高度。

在一个具体实施例中，

所述控制分配器根据高度指令发生器输出的高度指令信号H_i、卫星接收机输出的高度信号H_f，得到高度偏差信号ΔH＝H_i-H_f；根据囊体/吊舱的执行机构螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，设计所述控制分配器，从而得到速度指令修正量ΔV＝K₁×(H_i-H_f)，以及俯仰角指令修正量Δθ＝K₂×(H_i-H_f)。其中，K₁为速度通道比例系数，K₂为俯仰通道比例系数。

在一个具体实施例中，某浮升机动平台，K₁＝0.2，K₂＝0.1。

在一个具体实施例中，所述速度指令发生器根据囊体/吊舱的飞行速度要求，生成速度指令V_i＝V*+ΔV，其中，V*是理论飞行速度值。具体的，某浮升机动平台V^*＝7m/s。

在一个具体实施例中，

所述俯仰角指令发生器根据囊体/吊舱飞行的俯仰角要求，生成俯仰角指令θ_i＝θ*+Δθ，其中，θ*是理论飞行俯仰角值。具体的，某浮升机动平台θ^*＝10°。

本申请面向一款浮升机动平台，综合利用浮力、升力实现重力平衡。囊体和吊舱通过绳索连接，螺旋桨安装在吊舱上，给吊舱提供飞行动力，通过绳索拉动囊体飞行；另外通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，进而改变囊体飞行高度。

本发明提供的方法协调设计了螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，实现了囊体的高度控制，解决平流层低速飞行器难以适应太阳辐射温差变化、囊体漏氦等因素影响，难以实现昼夜循环长时间飞行的高度控制问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统，其特征在于，包括：

高度指令发生器、控制分配器、速度指令发生器、俯仰角指令发生器、浮升机动平台和卫星接收机；

其中，所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱；

所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；

所述高度指令发生器用于生成高度指令并输出高度指令信号H_i；所述卫星接收机用于测量所述囊体的飞行高度并输出高度信号H_f；

所述控制分配器用于接收所述高度指令发生器输出的高度指令信号H_i和所述卫星接收机输出的高度信号H_f，将所述信号H_i和信号H_f进行比较，并分配不同的控制量分别给所述速度指令发生器和所述俯仰角指令发生器；

所述速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，所述俯仰角指令发生器结合理论指令要求和需要控制的俯仰角增量生成新的俯仰角指令，利用所述速度指令和俯仰角指令，实现对囊体高度的控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

螺旋桨控制回路和俯仰缆绳控制回路，

所述螺旋桨控制回路用于接收所述速度指令发生器发送的速度指令；并在所述速度指令的控制下通过改变螺旋桨推力改变飞行速度，给吊舱提供飞行动力，通过绳索拉动囊体飞行；

所述俯仰缆绳控制回路用于接收所述俯仰角指令发生器发送的俯仰角指令，并在所述俯仰角指令的控制下通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，改变囊体俯仰角最终改变飞行高度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述控制分配器根据高度指令发生器输出的高度指令信号H_i、卫星接收机输出的高度信号H_f，得到高度偏差信号ΔH＝H_i-H_f；根据囊体/吊舱的执行机构螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，设计所述控制分配器，从而得到速度指令修正量ΔV＝K₁×(H_i-H_f)，以及俯仰角指令修正量Δθ＝K₂×(H_i-H_f)，其中，K₁为速度通道比例系数，K₂为俯仰通道比例系数。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述速度指令发生器根据囊体/吊舱的飞行速度要求，生成速度指令V_i＝V*+ΔV，其中，V*是理论飞行速度值。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述俯仰角指令发生器根据囊体/吊舱飞行的俯仰角要求，生成俯仰角指令θ_i＝θ*+Δθ，其中，θ*是理论飞行俯仰角值。

6.一种基于螺旋桨和俯仰缆绳复合控制的囊体高度控制系统进行囊体高度控制的方法，其特征在于，

所述系统包括高度指令发生器、控制分配器、速度指令发生器、俯仰角指令发生器、浮升机动平台和卫星接收机；

其中，所述浮升机动平台包括：螺旋桨、俯仰缆绳、囊体和吊舱，

所述方法包括：

所述囊体和吊舱通过绳索连接，所述螺旋桨安装在吊舱上；

所述高度指令发生器生成高度指令并输出高度指令信号H_i；所述卫星接收机测量所述囊体的飞行高度并输出高度信号H_f；

所述控制分配器接收所述高度指令发生器输出的高度指令信号H_i和所述卫星接收机输出的高度信号H_f，将所述信号H_i和信号H_f进行比较，并分配不同的控制量分别给所述速度指令发生器和所述俯仰角指令发生器；

所述速度指令发生器结合理论指令要求和需要控制的速度增量生成新的速度指令，所述俯仰角指令发生器结合理论指令要求和需要控制的俯仰角增量生成新的俯仰角指令，利用所述速度指令和俯仰角指令，实现对囊体高度的控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述系统还包括：螺旋桨控制回路和俯仰缆绳控制回路，

所述方法还包括：

所述螺旋桨控制回路接收所述速度指令发生器发送的速度指令；并在所述速度指令的控制下通过改变螺旋桨推力改变飞行速度，给吊舱提供飞行动力，通过绳索拉动囊体飞行；

所述俯仰缆绳控制回路接收所述俯仰角指令发生器发送的俯仰角指令，并在所述俯仰角指令的控制下通过俯仰缆绳控制移动吊舱产生俯仰控制力矩，改变囊体俯仰角最终改变飞行高度。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述控制分配器根据高度指令发生器输出的高度指令信号H_i、卫星接收机输出的高度信号H_f，得到高度偏差信号ΔH＝H_i-H_f；根据囊体/吊舱的执行机构螺旋桨推力以及俯仰缆绳的控制效果，设计所述控制分配器，从而得到速度指令修正量ΔV＝K₁×(H_i-H_f)，以及俯仰角指令修正量Δθ＝K₂×(H_i-H_f)，其中，K₁为速度通道比例系数，K₂为俯仰通道比例系数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述速度指令发生器根据囊体/吊舱的飞行速度要求，生成速度指令V_i＝V*+ΔV，其中，V*是理论飞行速度值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述俯仰角指令发生器根据囊体/吊舱飞行的俯仰角要求，生成俯仰角指令θ_i＝θ*+Δθ，其中，θ*是理论飞行俯仰角值。

Images