[发明专利]一种自主飞艇定点驻留控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空领域的飞行控制方法，它为自主飞艇定点驻留提供一种反步滑模控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

自主飞艇是指一种依靠轻于空气的气体(如氦气、氢气等)产生静浮力升空，依靠控制系统和推进系统实现定点驻留和低速机动的浮空类飞行器，具有留空时间长、能耗低、效费比高等优点，广泛应用于侦察监视、对地观测、环境监测、应急救灾、科学探测等领域，具有重要应用价值和广阔的应用前景，当前已成为航空领域的研究热点。

飞艇的总体布局、升空原理和飞行特性显著不同于飞机、导弹、卫星等常规飞行器，提出了一系列飞行控制领域的新课题。不同于固定翼飞机盘旋和直升机悬停，定点驻留是自主飞艇特有的工作模式和应用优势。定点驻留是指飞艇在某一空域相对地面目标区域保持位置不变，当在外界扰动下偏离驻留位置时，则需要在控制系统作用下回复至驻留位置并保持不变。其中，飞艇动力学模型不确定和外界扰动增加了定点驻留控制的难度，因此，定点驻留成为平流层飞艇工程应用的关键技术之一。已有文献对飞艇定点驻留控制问题的研究大多基于线性化动力学模型，未考虑非线性因素以及纵向和横侧向运动之间的耦合作用，仅在平衡态附近有效；大多在特定假设或标称条件下研究飞艇的定点驻留控制方法，尚未有效解决模型不确定和外界扰动下飞艇的定点驻留控制问题。

发明内容

为解决现有技术的局限和不足，本发明的目的在于提供一种自主飞艇定点驻留控制方法，控制工程师可以按照该方法并结合实际参数实现飞艇的定点驻留控制。由该方法设计的控制系统如图2所示，本发明针对自主飞艇的定点驻留问题，推导了飞艇的运动学和动力学方程，建立了飞艇驻留段的动力学模型；以此模型为受控对象，采用反步滑模控制方法设计了定点驻留控制律。该方法将复杂的飞艇非线性动力学模型分解为不超过系统阶数的子系统，然后设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，通过“反向推演”完成控制律设计。由该方法控制的闭环系统能够实现高精度定点驻留，且对模型不确定和外界扰动具有良好的鲁棒性，为自主飞艇定点驻留控制的工程实现提供了一种有效的技术方案。

一种自主飞艇定点驻留控制方法，其首先由给定的指令位置、指令航向角和实际位置、实际航向角计算误差量，然后采用反步滑模控制方法设计定点驻留控制律，得到系统控制量。实际应用中，飞艇位置和航向角由导航系统测量得到，将由该方法计算得到的控制量传输至矢量推力螺旋桨、气动舵等执行机构即可实现飞艇定点驻留控制功能。

一种自主飞艇定点驻留控制方法，其具体步骤如下，如图1所示：

步骤一：给定指令位置和航向角：给定指令航迹X坐标x_d、指令航迹Y坐标y_d、指令航向角ψ_d；

步骤二：误差量计算，计算指令位置、指令航向角与实际位置、实际航向角之间的误差量e；

步骤三：反步滑模控制律设计：建立飞艇动力学模型，选取滑模面和趋近律，采用反步滑模控制方法设计定点驻留控制律，得到系统的控制量τ；

其中，在步骤一中所述的指令位置和指令航向角为η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]^T，x_d、y_d、ψ_d分别为指令航迹X坐标、指令航迹Y坐标和指令航向角，上标T表示向量或矩阵的转置。

其中，在步骤二中所述的计算指令位置、指令航向角与实际位置、实际航向角之间的误差量：

e＝η_d-η＝[x_d-x,y_d-y,ψ_d-ψ]^T        (1)

η＝[x,y,ψ]^T为实际位置和实际航向角，x、y、ψ分别为导航测量的X坐标、Y坐标和航向角，如图3所示。

其中，在步骤三中所述的设计反步滑模控制律，得到系统控制量τ，其设计方法为：

1)建立飞艇动力学模型

飞艇驻留段的动力学模型描述如下：