CN118013691A - 一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，在自然膨胀阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，利用此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和吊舱的姿态信息，进而实时估算出吊绳拉力；在保形阶段，以目标高度作为输入量，利用高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，再采用自然膨胀阶段类似的处理方式实时估算出目标高度下的吊绳拉力。
Description
技术领域
本发明属于智能控制的技术领域，具体涉及一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法。
背景技术
针对无推力配置的浮空器装置，该浮空器的平面运动随外界风场被动漂浮，在垂直方向上，通过调节浮力实现高度改变，其上的悬挂吊舱具有装载方便，载荷视野开阔等优点，因此带悬挂吊舱的浮空器装置由于其垂直起降和长时间、大范围的移动能力，在环境观测、气象观测领域具有广泛的应用，然而对其悬挂吊舱的姿态和吊绳拉力的定量计算还少有研究。由于悬挂吊舱的吊绳承担的拉力大小和载荷的装载都是保守设计的，导致吊绳的重量增加，减小所能携带的效载荷的质量，且有效载荷的视野不够开阔，极大地限制了该浮空器的实际应用范围。
发明内容
本发明提供了一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，丰富了对浮空器的悬挂吊舱的姿态以及吊绳拉力的研究，为浮空器所能承受的载荷设计提供了依据，极具工程实用价值。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，
在自然膨胀阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，利用此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出吊绳拉力；
在保形阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，以目标高度作为输入量，利用高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，结合此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出目标高度下的吊绳拉力。
进一步，构建包含吊舱的整体动力学模型如下所示
其中，m＝mAir+mHe+mstru+madd为浮空器的总质量，mAir和mHe分别为副气囊内所充的空气质量和和氦气囊内所充的氦气质量，mstruc为浮空器本体的结构质量，madd为浮空器本体的附加质量，B＝ρV为浮空器所受到的总浮力，这里V＝VAir+VHe为浮空器的总体积，ρ为外部参考大气的密度，Ix,Iy和Iz均为浮空器本体的转动惯量，
分别为浮空器本体所受到的空气动力，La＝QSlrefCl,Ma＝QSlrefCm和Na＝QSlrefCn为浮空器本体所受到的空气力矩，这里CX、CY、CZ、Cl、Cm、和Cn均为气动力系数，S为气动力计算的参考面积，lref为气动力计算的参考长度，VO＝[u v w]T为浮空器的运动速度，Vw＝[uw，vw，ww]T为外界环境风场的风速大小，ω＝[p q r]T为浮空器在机体坐标系下的角速度，φL、θL为吊舱的姿态角度，d为吊舱悬挂点距离浮空器体心的距离。
进一步，在自然膨胀阶段，采用如下公式计算总浮力B，
其中，mAir,TAir,PAir和mHe,THe,PHe分别为副气囊和氦气囊内部气体的质量、温度、压强，ρ,T,P分别为外部参考大气的密度、温度和大气压强，MAir和MHe分别代表空气和氦气的摩尔质量；
在保形阶段，采用如下公式计算总浮力B，
进一步，在自然膨胀阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
(上升)
其中，Cp,He和Cp,air分别为氦气和空气的比热，∑QHe,i和∑Qair,i分别代表氦气囊和副气囊和外界大气的热交换率，VAir，VHe分别为副气囊和氦气囊内部气体的体积；
在保形阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
本发明有益的技术效果在于：
构建完备的包含吊舱的整体动力学模型计算浮空器悬挂吊舱的吊绳拉力，并分自然膨胀阶段和保形阶段计算整体动力学模型所需的总浮力，简化模型复杂度，提高计算效率，借助本发明的计算方法完成对浮空器悬挂吊舱从地面到20km高度再返回地面的全过程的吊绳拉力变化和吊舱姿态变化规律的研究，分析影响吊舱拉力和姿态的最大值发生的高度，以及外界影响因素，进而可以依据外界环境的状况估算吊舱所达到的姿态和所需的吊绳拉力。
该发明给出了估算浮空器悬挂吊舱系统的吊绳拉力和吊舱姿态的完备的动力学模型，通过全过程仿真给出了浮空器悬挂吊舱系统吊绳拉力和吊舱姿态的运动规律，为实际吊舱的吊绳拉力设计和载荷装配提供了理论依据，极具工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的浮空器的整体受力状态示意图；
图3为本发明的具体实施例中随着高度和上升速度的改变，浮空器内部的副气囊质量、体积和压差的变化图；
图4为本发明的具体实施例中随着高度改变，浮空器所受到的侧向风场的作用，引起的浮空器的侧向速度、滚转角和吊舱的侧向位置和侧向倾角的变化；
图5为本发明的具体实施例中随着高度改变，浮空器所受到的纵向风场的作用，引起的浮空器的前向速度、俯仰角和吊舱的纵向倾角、纵向位置和垂直位置和吊绳拉力的变化。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，
在自然膨胀阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，利用此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出吊绳拉力；
在保形阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，以目标高度作为输入量，利用高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，结合此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出目标高度下的吊绳拉力。
具体如下：
步骤一、吊绳拉力的计算表达式
针对无推力配置的浮空器装置，悬挂吊舱在任意位置都有动态平衡，定义FpL为吊绳对吊舱的作用力即吊绳拉力，通过对浮空器的受力分析如图2所示，其计算表达式为：
式中吊舱运动的惯性力表达式为
其中，mp为吊舱的质量，aP为吊舱的加速度，其表达式为：
其中，VO＝[u v w]T为浮空器本体的运动速度，ω＝[p q r]T为浮空器在机体坐标系下的角速度，l为吊绳长度，φL、θL为吊舱的姿态角度，d为吊舱悬挂点距离浮空器体心的距离，p＝[xp，yp，zp]T为吊舱在机体坐标系下的位置坐标。
吊舱的位置、速度和加速度与吊舱的姿态有如下运动学关系：
p＝[-lsinθL，lcosθLsinφL，lcosθLcosφL+d]T (4)
式中吊舱所受到的气动力表达式为
其中Vw＝[uw，vw，ww]T为外界环境风场的风速大小，为吊舱在机体坐标系下的速度。
式中吊舱所受到的重力表达式为
其中，φ、θ为浮空器本体的姿态角度。
计算吊绳的拉力，需要求解浮空器本体的姿态信息VO＝[u v w]T、ω＝[p q r]T、φ、θ和吊舱的运动加速度aP，可以通过建立系统整体动力学求解。
步骤二、建立包含悬挂吊舱的整体动力学模型
悬挂吊舱的运动方程和浮空器本体的六自由度方程组成系统的8自由度方程：
其中，m＝mAir+mHe+mstru+madd为浮空器的总质量，mAir和mHe分别为副气囊内所充的空气质量和氦气囊内所充的氦气质量，mstruc为浮空器本体的结构质量，madd是浮空器本体的附加质量，B＝ρV为浮空器的总浮力，这里ρ为空气的密度，V＝VAir+VHe为浮空器的总体积，Ix,Iy和Iz均为浮空器本体的转动惯量；
分别为浮空器本体所受到的空气动力，Q为动压，La＝QSlrefCl,Ma＝QSlrefCm和Na＝QSlrefCn为浮空器本体所受到的空气力矩，这里CX，CY，CZ，Cl，Cm和Cn为气动力系数，S为气动力计算的参考面积，lref为气动力计算的参考长度。
为了求解该整体运动方程，需要计算出浮空器本体受到的总浮力B。
步骤三、总浮力计算模型
所述步骤二中的总浮力B的计算是取决于净浮力LHe的大小，其净浮力LHe表达式为
其中，mAir,ρAir,TAir,PAir,VAir和mHe,ρHe,THe,PHe,VHe为副气囊和氦气囊内部气体的质量、密度、温度、压强、体积；ρ,T,P为外部参考大气的密度、温度和大气压强，MAir和MHe分别代表空气和氦气的摩尔质量。
净浮力的计算需要已知在任意高度下的浮空器内部的温度THe、TAir和压强PAir、PHe，这需要通过浮空器本体的热力学模型求解。
浮空器本体的热力学模型为：
其中，Cp,He和Cp,air分别为氦气和空气的比热，∑QHe,i和∑Qair,i分别代表氦气囊和副气囊与外界大气的热交换率，通过求解该热力学方程，得到浮空器内部的状态，进而计算浮空器的净浮力。
考虑到浮空器升空是气体自然膨胀的结果，而其后的高度调节则是在超压保形条件下，由高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，以鼓风机作为执行器改变对应的空气质量，以使得浮空器可以到达目标高度，因此可以将净浮力模型(9)分阶段设计，包括自然膨胀阶段和保形阶段，从而简化总浮力B的计算，进而提高吊绳拉力的计算速度，并且在自然膨胀阶段，公式(12)采用“上升”对应的公式，而保形阶段，则根据浮空器自身的上升或者下降状态，选择对应的公式参与计算。
步骤四、零压自然膨胀的净浮力模型
在自然膨胀阶段，浮空器上升过程中的内外压差即副气囊和氦气囊内部与大气之间的压差始终为零，且副气囊和氦气囊内部的气体质量不变，有
步骤五、超压保形的净浮力计算模型
1、净浮力计算模型
要想浮空器达到驻空高度则需要借助高度控制器对后续高度进行自主调整，在浮空器保形阶段，该浮空器内充满气体，浮空器内外的压差处于零压差和最大压差之间，但是由于高度改变为短时间的运动，可以忽略浮空器内外的温差即副气囊和氦气囊内部与大气之间的温差，所以保形阶段的净浮力表达式为
2、高度控制器设计
为了使浮空器可以在整个飞行高度范围内的任一高度实现驻空，设计了浮空器运动的高度控制器，通过控制鼓风机的充放气质量实现压差跟踪控制，进而改变浮空器的高度。
在稳定的高度阶段，浮空器的升重平衡，其净浮力为零，有
其中，VAir为目标高度上空气囊的体积，ρHe0和VHe分别为目标高度上的外界参考大气中氦气的密度和氦气囊的体积，P为外界参考大气的压强。
且根据理想大气模型方程有：
定义k为副气囊和氦气囊的体积比。
其中，δTHe＝THe-T和δTAir＝TAir-T分别为副气囊和氦气囊与外界大气的温差；δPHe＝PHe-P和δPAir＝PAir-P分别为副气囊和氦气囊与外界大气的压差。
根据飞艇在某一高度平衡受力方程(15)，可以计算在目标高度的浮空器具有的内外压差，其表达式如下：
其中，δPHe.t目标高度升重平衡条件下的内外压差，VAir.t为目标高度上的空气囊的体积，VHe.t为目标高度上的氦气囊的体积。
飞行当前高度和目标高度的压差差为：
Δ＝δPAir.h-δPAir.t (18)
其中，δPAir.h是当前高度升重平衡条件下的内外压差。
设计副气囊跟踪压差δPAir.c逻辑为：
进而由下式计算出跟踪压差下氦气囊和副气囊的体积VHe.c和VAir.c：
进而计算副气囊应该剩余的空气质量：
这里ρ为当前高度下的参考大气密度。
则求出所需要释放氦气的质量：
ΔmAir＝mAir-mAir.c (22)
浮空器通过鼓风机调节副气囊的空气质量实现高度的可控调节。
通过对以上动力学方程的实时求解，可以获得浮空器和吊舱在任意时刻的速度和姿态，进而获得吊绳拉力随飞行时间和高度的实时变化，并统计出整个飞行阶段的吊绳所承担的最大拉力和吊舱的最大姿态角度，为实际吊舱的吊绳设计提供依据。
为了验证本发明的实时计算方法的可行性，我们进行了如下实验：
浮空器升空的全过程仿真为从地面起飞，以如下规律运动：
实验结果如图3、4、5所示，图3中x，y，z为浮空器的位置和高度变化，浮空器的平面运动为随风漂浮的运动；v代表浮空器的侧向速度，w为浮空器的垂直速度变化，mAir为副气囊中内部的空气质量，δPh为氦气囊的内外压差，从中可以看到浮空器系统能够实现正常的起飞和任意高度调节，以及返回地面的全过程仿真。
图4(a)给出了飞行器处于不同的高度时候的侧向风场条件Winds，方向为从南向北，其最大值为6.39m/s，在4000s获得，这时候浮空器高度为20km(图3(c))所示，诱导出浮空器的最大侧向速度为8.245m/s(图4(b))；平台的滚转角度很小(图4(c))，吊舱的侧向倾角φL也没有明显的变化(图4(e))，并且浮空器整体横侧向状态的变化不大，这是因为浮空器的重心在体心下，具有一定的滚转稳定性。分析图4所有状态变量的运动趋势可以看出来，侧向风激励了平台的侧向响应，进而诱导出了吊舱的侧向运动(图4(d))。
图5给出了浮空器和吊舱的纵向的运动状态，其中图5(a)给出了从西吹向东的纵向风场Windw随高度的变化，其最大值为42m/s，诱导出平台的纵向运动速度为62m/s(图5(b))，平台的最大俯仰角为0.32rad(图5(c))，吊舱的俯仰角度、纵向位置和垂直位置如图5(d)、(e)和(f)所示，它们的运动模式和平台的前向速度一致，这意味着吊舱的运动间接受到外界风场的影响。最大前向倾斜角θL为0.88rad(图5(d))，吊绳承担的最大拉力504N(图5(g))，它们发生在风场最大处，在2000s左右浮空器达到的高度为12km(图3(c))，吊舱的纵向位置也达到最高点(图5(e)(f))。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：依据浮空器升空的高度控制方式，将升空过程分为自然膨胀阶段和保形阶段，
在自然膨胀阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，利用此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出吊绳拉力；
在保形阶段，构建对应的净浮力计算模型以及包含悬挂吊舱的整体动力学模型和浮空器本体的热力学模型，以目标高度作为输入量，利用高度控制器计算所需控制的空气囊质量变化量，结合此时的浮空器本体的热力学模型解析获取对应高度的浮空器本体的温度信息、压强信息和体积信息，然后结合此时的净浮力计算模型解析获取浮空器的总浮力信息，最后解析此时的整体动力学模型获取浮空器本体和悬挂吊舱的姿态信息，进而实时估算出目标高度下的吊绳拉力。
2.根据权利要求1所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：构建包含吊舱的整体动力学模型如下所示
其中，m＝mAir+mHe+mstru+madd为浮空器的总质量，mAir和mHe分别为副气囊内所充的空气质量和和氦气囊内所充的氦气质量，mstruc为浮空器本体的结构质量，madd为浮空器本体的附加质量，B＝ρV为浮空器所受到的总浮力，这里V＝VAir+VHe为浮空器的总体积，ρ为外部参考大气的密度，Ix,Iy和Iz均为浮空器本体的转动惯量，
分别为浮空器本体所受到的空气动力，La＝QSlrefCl,Ma＝QSlrefCm和Na＝QSlrefCn为浮空器本体所受到的空气力矩，这里CX、CY、CZ、Cl、Cm、和Cn均为气动力系数，S为气动力计算的参考面积，lref为气动力计算的参考长度，Vo＝[u v w]T为浮空器的运动速度，Vw＝[uw，vw，ww]T为外界环境风场的风速大小，ω＝[p q r]T为浮空器在机体坐标系下的角速度，φL、θL为吊舱的姿态角度，d为吊舱悬挂点距离浮空器体心的距离。
3.根据权利要求2所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：在自然膨胀阶段，采用如下公式计算总浮力B，
其中，mAir,TAir,PAir和mHe,THe,PHe分别为副气囊和氦气囊内部气体的质量、温度、压强，ρ,T,P分别为外部参考大气的密度、温度和大气压强，MAir和MHe分别代表空气和氦气的摩尔质量；
在保形阶段，采用如下公式计算总浮力B，
4.根据权利要求2所述的用于浮空器悬挂吊绳拉力的实时估算方法，其特征在于：在自然膨胀阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
其中，Cp,He和Cp,air分别为氦气和空气的比热，∑QHe,i和∑Qair,i分别代表氦气囊和副气囊和外界大气的热交换率，VAir，VHe分别为副气囊和氦气囊内部气体的体积；
在保形阶段，采用如下公式构建所述浮空器本体的热力学模型，
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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