一种平流层飞艇解析模型预测路径跟踪控制方法技术

一种平流层飞艇解析模型预测路径跟踪控制方法，步骤如下：给定期望跟踪值：给定期望空间任意参数化路径和期望飞艇速度；平流层飞艇建模：对某型号平流层飞艇进行动力学建模，得到六自由度非线性模型；制导律计算：在每一个时刻根据当前平流层飞艇的位置、姿态以及期望参考路径上的参考点位置进行当前时刻的角速度期望值的计算；控制律计算：根据上一步骤计算得到的制导律和通过由组合惯导等传感器测量得到的状态量和可测输出，利用解析模型预测控制算法计算控制律，得到舵面和螺旋桨推力的控制量，将计算得到的输入量直接作用于飞艇螺旋桨、方向舵和升降舵，即可完成飞艇的路径跟踪控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供，它为欠驱动平流层 飞艇提供一种不需要在线滚动优化且具有封闭解析解形式的跟踪空间参数化路径的新控 制方法，属于自动控制

技术介绍
平流层飞艇是依靠空气浮力驻空，在远离地表的平流层全天候全天时连续工作的 浮空器，其具有飞行高度适中，执行任务时间长，生存能力强，搭载有效载荷大等优点，且在 通信，监控，交通管理等领域具有广阔的军事和民用前景。平流层飞艇研制的关键技术涉及 到材料、结构、能源、导航和控制等许多领域。在这些关键技术中，平流层飞艇的路径跟踪控 制是非常重要的部分。平流层飞艇路径跟踪控制是指平流层飞艇在控制器的作用下能够跟 踪并最终稳定在预定的参考路径上。平流层飞艇路径跟踪控制系统具有欠驱动特性、强非 线性、易受到模型参数变化及外界干扰影响等特点，是一种典型的非线性系统。 针对平流层飞艇路径跟踪控制系统的上述特点，本专利技术"一种平流层飞艇解析模 型预测路径跟踪控制方法"，提出了基于非线性飞艇模型的路径跟踪控制方法。该方法综合 了基于坐标变换的制导算法和解析模型预测控制理论。根据本专利技术所提出的方法和理论设 计的控制器，可以很好的解决平流层飞艇空间路径跟踪控制问题，使得欠驱动平流层飞艇 渐进稳定在设定的参考路径上，为平流层飞艇的路径跟踪控制的工程实现提供了有效的设 计手段。
技术实现思路
(1)目的：本专利技术的目的在于提供一种平流层飞艇解析模型预测路径跟踪控制 方法，控制工程师可以在实际设计中按照该方法理论的步骤并结合实际系统参数实现平流 层飞艇的空间路径跟踪控制。 (2)技术方案：本专利技术""，其主 要内容及程序是：先由给定期望跟踪路径进行制导导航计算，生成期望角速度；对某平流 层飞艇进行动力学建模，得到六自由度的非线性模型。然后将前向速度、侧向速度、偏航角 速度、俯仰角速度和滚转角速度作为输出变量，应用解析模型预测控制算法求解出输入量， 并将输入量作用于系统，实现路径跟踪控制。在实际应用中，飞艇的位置、姿态、速度等状态 量由组合惯导等传感器测量得到，将由该方法计算得到的控制量传输至舵机和推进螺旋桨 等执行装置即可实现平流层飞艇路径跟踪功能。 本专利技术""，其具体步骤如下： 步骤一给定期望跟踪值：给定期望空间任意参数化路径和期望飞艇速度； 步骤二平流层飞艇建模：对某型号平流层飞艇进行动力学建模，得到六自由度非线 性模型； 步骤三制导律计算：在每一个时刻根据当前平流层飞艇的位置、姿态以及期望参考 路径上的参考点位置进行当前时刻的角速度期望值的计算； 步骤四 控制律计算：根据上一步骤计算得到的制导律，利用解析模型预测控制算法 计算控制律，得到舵面和螺旋桨推力的控制量； 其中，在步骤一中所述的给定期望跟踪值，其跟踪值包括期望路径和期望速度值。给定 任意参数化空间期望路径：I为路径参数； 给定期望速虔 ，Hil为期望速度沿艇体坐标系的 分解量。 其中，在步骤二中所述的平流层飞艇建模，其计算方法如下： 定义位置矢量.为飞艇质心在惯性系的坐标；速度矢量为飞 艇速度在机体系上的分量；角速度矢量_?_纟__|为飞艇角速度在机体系上的分量；欧 拉:的分量分别代表俯仰角、偏航角和滚转角； 位置运动学方程为： |鳴|_.:: a) 其中为机体坐标系到惯性系的转换矩阵； 姿态运动学方程为：动力学方程为：其中1:丨为常数矩阵，为关于_丨和_的非线性函数矩阵；为螺 旋桨推力和舵偏角。 其中，在步骤三中所述的制导律计算，其计算方法如下： 如说明书附图中图1所述，首先定义惯性坐标系为{I}，速度坐标系为{W}和路径坐标 系为{F};定义/V为飞艇质心相对于路径上参考点的距离在路径坐标系上的投影。位置误 差运动学方程为：上式中I为期望路径上跟踪参考点的移动速度；为路径坐标系相对惯性系的角速 度在路径坐标系上的投影；定义辅助坐标系{D}，这个坐标系是用于描述飞艇接近目标路 径的姿态；定义为速度坐标系到辅助坐标系的转换矩阵；定义Pil为真实值误差，姿 态误差运动学方程为：上式中为姿态误差，为1矩阵的第一行第三列的元素， 为矩阵的第一行第二列的元素为路径坐标系到辅助坐标系的 转换矩阵；为路径坐标系相对惯性系的角速度在路径坐标系上的投影 为辅助坐标系相对路径坐标系的角速度在辅助坐标系上的投影；为在速度坐标系 中的俯仰角速度和偏航角速度。 定义为广义误差向量。我们要设计制导率使:_;渐进收敛到零。 期望角速度计算公式如下所示：其中，丨|_为正常数。期望路径上参考点的移动速度可以通过下式进行计算：其中_为正常数。由于为速度坐标系下的期望角速度，所以还需要转换为机 体坐标系下的期望角速度。定义編I为飞艇在机体坐标系下的期望角速度。其转换公式为：其中，在步骤四中所述的求解控制律，其计算方法如下： 由步骤一得到的六自由度的动力学模型可以写成下列矩阵表达形式：其中：为状态量，为系统输入量， 即为飞艇螺旋桨在的推力以及方向舵、升降舵的偏角，％系统可控输 CN 105116914 A 说明书 4/12 页 出量； 为关于状态量_:的非线性函数向量，为一个6行5列的常数矩阵。 我们定义该系统的相关度为_，控制阶为麵，·为预测时域长度。根据解析模型预 测控制算法可以得到系统输入量为：其中是李导数，?|ι|为当前时刻的参考输出表示 :?||对时间求￥次导数； 这里通过下式给出：其中_是矩阵ii_||的前5行，而这两个矩阵通过下式计算：其中(3)优点及效果： 本专利技术""，与现有技术比，其优点 是： 1) 解析模型预测控制算法和基本模型预测算法的基本原理相同，都是采用了滚动优化 的策略，将每个采样时刻的优化解的第一个分量作用于系统，其滚动实施能顾及模型失配、 时变、干扰等引起的不确定性，及时进行弥补，始终把新的优化建立在实际的基础上，使控 制保持实际上的最优； 2) 解析模型预测控制算法优于基本模型预测控制算法的地方在于它提出了解析解形 式的预测控制算法，使得用这种算法解决非线性控制问题时不需要在线优化，因而节省了 计算量，使之可以用于对相应速度有要求的系统； 3) 该方法直接基于平流层飞艇的非线性模型设计，针对不同飞艇模型控制器设计比较 简单易行。 4)该方法算法结构简单，控制器设计简单，易于工程实现。 控制工程师在应用过程中可以根据实际飞艇给定任意期望路径，并将由该方法计 算得到的控制量直接传输至执行机构实现路径跟踪控制的功能。【附图说明】 图1为本专利技术制导律计算几何关系图； 图2为本专利技术所述控制方法结构框图； 图3为本专利技术平流层飞艇示意图； P期望路径参考点； Θ飞艇的当前质心位置； UH 贯性坐标系； 各惯性坐标系X轴； 奐惯性坐标系Y轴； 4惯性坐标系Z轴； 路径坐标系； _路径坐标系沿轨迹切向； :?路径坐标系沿轨迹法向； 丨:i路径坐标系沿轨迹法向； _義1速度坐标系； :?速度坐标系X轴； Ii速度坐标系￥轴； 漏速度坐标系Z轴； U飞艇速度； ;;髮:飞艇的位置在路径坐标系中的坐标； 飞艇的位置在路径坐标系中的坐标； 飞艇的位置在路径坐标系中的坐标； _|||期望路径参考点相对惯性坐标系的位置矢量； 飞艇相对惯性坐标系的位置矢量； 飞艇相对路径坐标系的位置矢量； _飞艇质心在惯性系下的位置坐标； 飞艇前向速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平流层飞艇解析模型预测路径跟踪控制方法，其特征在于：其具体步骤如下：步骤一  给定期望跟踪值：给定期望空间任意参数化路径和期望飞艇速度；步骤二  平流层飞艇建模：对某型号平流层飞艇进行动力学建模，得到六自由度非线性模型；步骤三  制导律计算：在每一个时刻根据当前平流层飞艇的位置、姿态以及期望参考路径上的参考点位置进行当前时刻的角速度期望值的计算；步骤四  控制律计算：根据上一步骤计算得到的制导律，利用解析模型预测控制算法计算控制律，得到舵面和螺旋桨推力的控制量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑泽伟，祝明，
申请(专利权)人：北京天航华创科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11