[发明专利]一种用于浮空器高度调节的自主控制方法及自主控制系统

说明书

本发明属于浮空器的技术领域，公开了一种用于浮空器高度调节的自主控制方法，用于无推力配置的浮空器，所述浮空器包括主气囊、副气囊，以及控制副气囊体积大小的鼓风机，根据受力平衡方程计算浮空器在当前高度下副气囊的当前压差、以及在目标高度下副气囊的目标压差，以当前压差和目标压差之间的压差差作为控制量，采用阈值切换策略实现对鼓风机的流量控制，进而实现浮空器高度调节的自主控制。还公开了一种用于浮空器高度调节的自主控制系统。

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高度调节的自主控制方法及自主控制系统。

背景技术

所研究的对象为无推力配置的气球浮空器，该浮空器由主氦气囊、副空气囊和双向鼓风机组成，该浮空器依靠浮力实现高度的改变，浮力的改变通过双向鼓风机对副气囊进行充、放气实现。

具有现有大多浮空器的高度是被动调节的，一般浮空器安装有阀门和单向鼓风机，随着环境和高度的改变，浮空器会自然膨胀升空，超过一定的压差后，阀门就被压差打开，实现副气囊放气，防止超压。需要下降的时候，通常是鼓风机充气，增加副气囊内空气的质量，产生重力，进而下降。

高度的主动调节是通过调节浮力间接实现的。经过对现有技术的检索中国文献专利号CN201910597228.6公开(公告)日2019.10.18，公开了一种平流层浮空器及高度调节方法，调节所述气球体上所述凸瓣的数量，从而改变所述气球体的体积实现高度调节；中国文献专利号CN202111322242.9公开(公告)日2021-11-09通过搭载液氦杜瓦，可以实现多次对浮空器浮力的控制，能够保障浮空器长航时定高度飞行；以上均通过物理机构实现浮力调节。

林康，马云鹏，郑泽伟等，基于副气囊的平流层浮空器高度控制研究.北京航空航天大学学报.https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0679，建立当前垂直加速度和压差的变化，采用反步法进行高度控制，控制器设计复杂；张经伦，杨希祥，邓小龙，郭正，翟嘉琪.基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制[J/OL].北京航空航天大学学报.https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0622，建立当前垂直加速度和压差的变化，并考虑了热环境模型，采用加强学习方法进行高度控制，算法复杂。

发明内容

本发明提供了一种用于浮空器高度调节的自主控制方法及自主控制系统，依据鼓风机对副气囊的充放气，通过压差差跟踪实现浮力自主可控调节，采用阈值切换策略，实现鼓风机流量控制，进而实现浮空器高度的自主控制。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种用于浮空器高度调节的自主控制方法，用于无推力配置的浮空器，所述浮空器包括主气囊、副气囊，以及控制副气囊体积大小的鼓风机，根据受力平衡方程计算浮空器在当前高度下副气囊的当前压差、以及在目标高度下副气囊的目标压差，以当前压差和目标压差之间的压差差作为控制量，采用阈值切换策略实现对鼓风机的流量控制，进而实现浮空器高度调节的自主控制。

进一步，记所述当前压差为δP_ah，目标压差为δP_at，则压差差△＝δP_ah-δP_at,设定阈值为δ，副气囊的压差跟踪指令为δP_ac，主气囊的压差跟踪指令为δP_hc，并且δP_hc＝δP_ac，依据如下关系式，执行阈值切换策略，再根据主气囊质量不变、浮空器总体积不变，计算得到副气囊所需的体积，实现对鼓风机的流量控制

进一步，利用如下关系式，计算得到主气囊体积V_hc、副气囊体积V_ac，以及对应副气囊所需的气体质量m_ac，