[发明专利]一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法，它为欠驱动平流层飞艇提供一种考虑执行机构饱和问题的跟踪平面路径的新控制方法，属于自动控制技术领域。 

背景技术

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。平流层飞艇是一种非常复杂的非线性系统，往往对其进行建模时都会出现一定的不确定性。而且，飞艇在平流层飞行时总会有一定的外部干扰。这些问题都会导致系统不稳定。而且飞艇是一种运动较为缓慢的系统，在实际运动过程中执行机构存在最大限位，滚转角速度，偏航角速度等不能过大。这些约束限制了飞艇路径跟踪过程中的输入量的大小。 

为解决这些问题，本发明“一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法”，提出了基于动力学线性模型的平面路径跟踪控制方法。该方法综合了基于视线制导的路径跟踪算法和模型预测控制理论。根据本发明所提出的方法和理论设计的控制器，可以很好的解决外界的干扰和建模不确定度对平流层飞艇系统稳定性的影响，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。 

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法，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考虑执行机构饱和和外界扰动问题的路径跟踪控制。 

(2)技术方案：本发明“一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法”，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，生成跟踪距离误差和偏航角度误差；将平流层飞艇动力学方程按照纵横向分解，并最终得到横向动力学方程进行控制器设计计算，得到控制量。然后将平流层飞艇和误差项作为状态量，并对其方程在参考点位置进行线性化处理；将连续系统模型进行离散化处理；由当前状态量和输出量预测未来状态量和输出量；构造模型预测控制目标函数，并计算目标函数中具体参数；利用标准QP算法对目标函数进行求解，得到当前系统的输入量。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平面路径跟踪功能。 

本发明“一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法”，其具体步骤如下： 

步骤一 给定期望跟踪值：给定期望平面路径；给定期望俯仰角θ_c、期望滚转角φ_c；给定期望速度υ_c。 

步骤二 制导误差计算：计算期望位置与实际位置之间的距离误差e，角度误差

步骤三 动力学方程纵横向分解：将动力学方程按照纵横向进行分解，控制器设计只取其横向状态量。 

步骤四 求解离散化系统方程：对由以上步骤得到的平流层飞艇横侧向连续系统进行线性化处理，并且也将误差导数和进行线性化处理。然后将飞艇横向状态量和误差当成扩展状态量，并且对扩展连续状态空间方程离进行离散化处理。 

步骤五 预测系统未来动态：根据由组合惯导等传感器测量得到的当前状态量预测未来某一段时间的状态量或输出量。 

步骤六 构造模型预测控制目标函数：由预测状态量构造目标函数，并用标准QP算法进行求解得到系统输入量u_k。 

其中，在步骤一中所述的给定期望平面路径为一条直线y_p＝ax_p+b，x_p,y_p为飞艇期望平面位置；所述的给定期望俯仰角θ_c、期望滚转角φ_c均为零；所述的给定期望速度为υ_c＝[u_c,v_c,w_c]^T＝[V,0,0]^T，V＞0为常数，u_c,v_c,w_c为期望速度沿艇体坐标系的分解量。 

其中，在步骤二中所述的计算期望位置与实际位置之间的距离误差e，角度误差其计算方法如下： 

1)计算期望直线路径的方向角ψ_p＝arctan(a)，方向角误差其中ψ为飞艇偏航角，见图1所示。