一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法

本发明涉及自动控制监测，尤其是涉及一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法。

背景技术：

1、平流层飞艇是一种轻于空气的航空器，它与气球最大的区别在于具有推进和控制飞行的装置。

2、平流层飞艇具有以下应用前景：

3、1)通信终端。一个平流层飞艇平台在20千米定点高度时，它的地面有效覆盖面积可达数万平方公里，可以为广大区域提供高速通信服务。

4、2)区域监视。平流层飞艇集合航空器近地飞行与同步轨道卫星定点监视的优点，可以对指定大范围区域进行定点高分辨率监视。

5、3)气象观测。平流层飞艇飞行高度位于云层之上，可以用来观测台风等极限气象现象。

6、目前，平流层飞艇的轨迹跟踪自动飞行控制领域尚无能够同时兼备解决未知环境因素和不可测的风场、节约计算资源、误差快速收敛的知识产权。目前绝大多数仅仅做到三者其一，例如，公开号为cn113419431a，名称为《一种基于事件触发的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法及系统》的发明专利中没有考虑到风场在平流层飞艇的实际工程应用中是不可测的；公开号为cn113552902a，名称为《一种平流层飞艇三维轨迹跟踪控制方法及系统》的发明专利中在没有对计算资源限制的情况下实现飞艇的轨迹跟踪控制；公开号为cn112180961b，专利名称为《一种全状态受限平流层飞艇轨迹跟踪控制方法及系统》的发明专利中同样没有考虑风场问题，将风速项作为已知量进行控制设计。但是在实际工程应用结合目前的技术水平下，平流层飞艇要实现昼夜循环，必须采用时空储能策略。此外，传统的机载风速测量设备使用皮托管：对于低空气密度、低功率的平流层飞行，动压引起的压力变化无法精确测量。因此，本发明为了满足任务要求，在无空速测量的情况下，开发了一种能使平流层飞艇在有效跟踪轨迹的同时使能量消耗最小化的控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，针对平流层飞艇在实际应用中计算资源有限、空速不可测量等因素，提出了一种能使平流层飞艇在有效跟踪轨迹的同时使能量消耗最小化的控制方法，可以实现平流层飞艇在未知风场下的达到快速收敛指标的飞行控制。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，包括以下步骤：

3、步骤一、给定平流层飞艇模型以及期望轨迹；

4、步骤二、设计观测器，建立一个固定时间收敛的观测器，利用自适应项消除未知空速和其它误差项带来的影响；

5、步骤三、轨迹跟踪，设计固定时间收敛的控制率使飞艇的轨迹达到期望轨迹；

6、步骤四、事件触发，通过步骤三，设计时间触发机制，进行控制量的解算。

7、优选的，所述步骤一中期望轨迹为x1d＝[xd,yd,zd,φd,θd,ψd]：

8、

9、其中x1＝[x,y,z,φ,θ,ψ]t为平流层飞艇位置/姿态数据，t＝diag[ra,rp]为坐标系转换矩阵，x2＝[u,v,w,p,q,r]t为平流层飞艇速度/姿态角速度数据，y为惯性矩矩阵，τ为控制输入，f为预报风场与实际风场之间误差导致的干扰；

10、其中，x为飞艇北向位置；y为飞艇东向距离；z为飞艇垂向位置，方向向下；φ为飞艇滚转角；θ为飞艇俯仰角；ψ为飞艇偏航角。

11、优选的，所述步骤二中，首先将外界扰动和空速项以及事件触发的测量误差合并，得到新的状态空间方程，设置一个观测器，之后对观测器的误差进行稳定性分析，判断观测器是否稳定。

12、优选的，所述步骤二中，新的状态空间方程为：

13、

14、其中，δ*为将外界扰动和空速项以及事件触发的测量误差合并量。

15、优选的，设计观测器为：

16、

17、其中是自适应项，αi∈(0,1),βi>1,i＝1,2,3,4，μi,εi,γi,ki是正常数，是位姿、速度、空速项和其它未知扰动的观测值；

18、将观测器的误差定义为：

19、

20、求导可得：

21、

22、观测器参数其中l1,l2是大于零的很小的常量。提取观测器增益系数可以得到两个赫尔维茨矩阵：

23、

24、之后对于观测器误差进行稳定性分析。

25、优选的，所述步骤三进行轨迹追踪的计算方法中，首先定义两个滑模面，引入新的虚拟状态变量，进行求导计算，综合控制目标，得出控制率。

26、优选的，所述步骤三中，两个滑模面s1、s2分别为：

27、

28、其中c1和c2是滑膜变量，α,β,γi,βi,ki,ηi是正实数且满足0<α<1,β>1。

29、优选的，所述步骤三中，控制率表达式为：

30、

31、其中λ21，λ22是正常量。

32、优选的，所述步骤四中，通过步骤三得到的控制率后，设计事件触发机制，当满足事件触发条件时进行飞艇控制量的解算；

33、设计事件触发机制为：

34、且有

35、

36、其中是测量误差。0<ζi<1和是控制参数。

37、定义则根据触发条件对于任意t∈[tk,tk+1)，存在和如果定义t0：＝0则上述结论适用；由事件驱动引起的控制器误差为

38、因此，本发明一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，具有以下有益效果：

39、(1)本发明考虑平流层飞艇的实际应用需求，通过设计高效的轨迹跟踪控制率、固定时间观测器和事件触发自适应轨迹跟踪控制器，设计了一种基于事件触发的固定时间平流层飞艇轨迹跟踪控制方法方法，填补了该领域的技术空白。

40、(2)本发明以定时状态扩张观测器的方式解决了未知干扰和不可测空速的问题，采用一阶滤波器解决期望姿态导数难以求解的问题，通过增加事件触发机制降低了执行机构在跟踪期望轨迹时的驱动频率，设计了一种基于事件触发和定时观测器的固定时间轨迹跟踪控制器，以实现精确的轨迹跟踪。

41、(3)本发明结合了固定时间反步控制器，固定时间收敛观测器和自适应事件驱动控制方法，控制的闭环系统是固定时间收敛的，并且所设计的事件驱动控制器可以有效节约计算资源，这就为平流层飞艇的自动飞行工程实现提供了有效的设计手段。

42、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤一中期望轨迹为x1d＝[xd,yd,zd,φd,θd,ψd]：

3.根据权利要求2所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤二中，首先将外界扰动和空速项以及事件触发的测量误差合并，得到新的状态空间方程，设置一个观测器，之后对观测器的误差进行稳定性分析，判断观测器是否稳定。

4.根据权利要求3所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤二中，新的状态空间方程为：

5.根据权利要求4所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：设计观测器为：

6.根据权利要求5所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤三进行轨迹追踪的计算方法中，首先定义两个滑模面，引入新的虚拟状态变量，进行求导计算，综合控制目标，得出控制率。

7.根据权利要求6所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤三中，两个滑模面s1、s2分别为：

8.根据权利要求7所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤三中，控制率表达式为：

9.根据权利要求8所述的一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，其特征在于：所述步骤四中，通过步骤三得到的控制率后，设计事件触发机制，当满足事件触发条件时进行飞艇控制量的解算。

技术总结
本发明公开了一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，属于自动控制技术领域，包括以下步骤：步骤一、给定平流层飞艇模型以及期望轨迹；步骤二、设计观测器，建立一个固定时间收敛的观测器，利用自适应项消除未知空速和其它误差项带来的影响；步骤三、轨迹跟踪，设计固定时间收敛的控制率使飞艇的轨迹达到期望轨迹；步骤四、事件触发，设计事件触发机制，进行控制量的解算。本发明一种基于事件触发的平流层飞艇定时飞行控制方法，针对计算资源有限、空速不可测量等因素，提出了一种能使平流层飞艇在有效跟踪轨迹的同时使能量消耗最小化的控制方法，实现平流层飞艇在未知风场下的达到快速收敛指标的飞行控制。

技术研发人员：张一飞,孙沛豪,陈天
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31