[发明专利]一种欠驱动飞艇航迹跟踪控制方法

摘要

针对飞艇的航迹跟踪控制问题，本发明提供一种欠驱动飞艇航迹跟踪控制方法。首先根据期望航迹和实际航迹计算位置误差量，然后采用串级设计方法解算期望速度，再根据期望速度和实际速度设计航迹控制律，计算航迹控制量。实际应用中，飞艇航迹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执行机构即可实现航迹控制功能。由该方法控制的闭环系统能够高精度跟踪期望航迹，为欠驱动飞艇航迹跟踪控制的工程实现提供了有效方案。

主权项

1.一种欠驱动飞艇航迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：给定期望航迹：Pd＝[xd,yd,zd]T，其中，xd、yd和zd分别为期望x坐标、期望y坐标和期望z坐标，上标T表示向量或矩阵的转置；S2：计算期望航迹与实际航迹之间的航迹误差量Pe；S3：根据航迹误差量Pe求解期望速度Ud；1)建立飞艇空间运动的数学模型飞艇空间运动的坐标系及运动参数定义如下：采用地面坐标系oexeyeze和体坐标系obxbybzb对飞艇的空间运动进行描述，CV为浮心，CG为重心，浮心到重心的矢量为rG＝[xG,yG,zG]T；运动参数定义：实际航迹P＝[x,y,z]T；姿态角Ω＝[θ,ψ,φ]T，θ、ψ、φ分别为俯仰角、偏航角和滚转角；速度v＝[u,v,w]T，u、v、w分别为体坐标系中轴向、侧向和垂直方向的速度；角速度ω＝[p,q,r]T，p、q、r分别为滚转、俯仰和偏航角速度；记广义坐标η＝[x,y,z,θ,ψ,φ]T，广义速度为V＝[u,v,w,p,q,r]T，飞艇在v、w和p自由度上存在欠驱动；2)飞艇空间运动的数学模型描述如下：式中其中式中，m为飞艇质量，m11、m22、m33为附加质量,I11、I22、I33为附加惯量；Q为动压，α为迎角，β为侧滑角，CX、CY、CZ、Cl、Cm、Cn为气动系数；Ix、Iy、Iz分别为绕obxb、obyb、obzb的主惯量；Ixy、Ixz、Iyz分别为关于平面obxbyb、obxbzb、obybzb的惯量积；T为推力大小，μ为推力矢量与obxbzb面之间的夹角，规定其在obxbzb面之左为正，υ为推力矢量在obxbzb面的投影与obxb轴之间的夹角，规定其投影在obxb轴之下为正；lx、ly、lz表示推力作用点距原点ob的距离；3)解算期望速度Ud将航迹误差量Pe变换为体坐标系中的误差ξe＝J‑1Pe                               (16)式中，J‑1为J的逆矩阵；定义ζe＝ξe‑λ                               (17)式中，λ＝[ρ,0,0]T，ρ为一个正实数；对式(17)求导，可得：考虑到飞艇在v、w和p自由度上存在欠驱动，定义期望速度与实际速度之间的误差为：Ue＝U‑Ud                             (19)式中，Ue＝[ue,qe,re]T，U＝[u,q,r]T，Ud＝[ud,qd,rd]T；由式(18)可得：式中，γ为正实数；S4：考虑飞艇的欠驱动特性，设计航迹跟踪控制律，计算航迹控制量τ；定义以下误差量Ve＝V‑Vd                             (21)式中，V＝[u,0,0,0,q,r]T，Vd＝＝[ud,0,0,0,qd,rd]T；对式(21)微分可得：等号左右两侧同乘M，可得：将式(3)代入式(22)，可得根据式(23)可设计如下控制律：