一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法
【專利摘要】一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，步驟如下：1.給定期望跟蹤值：給定期望平面路徑；給定期望速度；計(jì)算該期望速度下受到的阻力合力Ff；2.導(dǎo)航計(jì)算：計(jì)算消除期望位置與實(shí)際位置之間的誤差所需的期望偏航角ψd；3.路徑跟蹤偏航角誤差計(jì)算：計(jì)算期望偏航角與實(shí)際偏航角之間的誤差4.滑?？刂破饔?jì)算：計(jì)算消除期望偏航角與實(shí)際偏航角之間誤差所需的控制量u。5.各執(zhí)行部件控制信號(hào)計(jì)算：計(jì)算實(shí)現(xiàn)滑?？刂屏縰所需的執(zhí)行部件控制量T,γ?？刂屏鞒桃姼綀D。
【專利說明】一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，它為平流層衛(wèi)星提供一種跟蹤參數(shù)化平面路徑的新控制方法，屬于自動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]平流層衛(wèi)星是一種新型低成本、低能耗的平流層飛行器。本方法控制對(duì)象為采用串列式矢量推進(jìn)裝置的平流層衛(wèi)星，如圖1所示。采用矢量推進(jìn)的平流層衛(wèi)星是一類非線性力學(xué)系統(tǒng)，其典型飛行狀態(tài)包括起飛、巡航飛行、變軌、降落等。對(duì)于平流層衛(wèi)星的巡航飛行，目前大多移植自低空飛艇控制方法，未能有針對(duì)平流層衛(wèi)星自身模型、所處物理環(huán)境與巡航要求的成熟方法。平流層衛(wèi)星巡航高度在20km以上，所處空間沒有豎直方向?qū)α?，因此相比其他飛行器而言，平流層衛(wèi)星的平面路徑跟蹤控制更具有工程應(yīng)用價(jià)值。
[0003]目前主流路徑跟蹤算法多采用跟蹤期望路徑上虛擬點(diǎn)的方法進(jìn)行導(dǎo)航解算。本方法中采用矢量場(chǎng)制導(dǎo)方法，與傳統(tǒng)路徑跟蹤制導(dǎo)方法不同。采用在跟蹤路徑周圍建立矢量場(chǎng)的方法解算期望姿態(tài)，而不是跟蹤期望路徑上虛擬點(diǎn)。矢量場(chǎng)制導(dǎo)方法的控制對(duì)象為衛(wèi)星姿態(tài)，不涉及速度項(xiàng)。因而可以將控制器中時(shí)間與空間解耦，為后續(xù)其他控制目的(如協(xié)同飛行)的實(shí)現(xiàn)留下可能。
[0004]本發(fā)明“一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法”，提出了基于動(dòng)力學(xué)非線性模型的平面路徑跟蹤控制方法。該方法結(jié)合了基于矢量場(chǎng)的路徑跟蹤算法和滑?？刂评碚?。由該方法控制的閉環(huán)系統(tǒng)是有界穩(wěn)定的，且具有良好的收斂效果，這就為平流層衛(wèi)星的巡航飛行工程的實(shí)現(xiàn)提供了有效的設(shè)計(jì)手段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](I)目的:本發(fā)明的目的在于提供一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，控制工程師可以按照該方法并結(jié)合實(shí)際參數(shù)實(shí)現(xiàn)平流層衛(wèi)星的巡航飛行。
[0006](2)技術(shù)方案:本發(fā)明“一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑控制方法”，其主要內(nèi)容及程序是:
[0007]平流層衛(wèi)星的巡航軌道通常為直線或者圓弧，其變軌路徑也可近似分解為參數(shù)化的直線和圓弧。先利用矢量場(chǎng)理論在給定期望路徑(包括直線和圓弧路徑)所在平面建立導(dǎo)航矢量場(chǎng)，生成期望角度；然后利用滑?？刂评碚撛O(shè)計(jì)路徑跟蹤控制器，使其跟蹤誤差在有限時(shí)間內(nèi)趨近于零。實(shí)際應(yīng)用中，平流層衛(wèi)星的位置、姿態(tài)、速度等狀態(tài)量由組合慣導(dǎo)等機(jī)載傳感器測(cè)量得到，將由該方法計(jì)算得到的控制量傳輸至矢量控制和推進(jìn)螺旋槳等執(zhí)行裝置即可實(shí)現(xiàn)平流層衛(wèi)星的平面路徑跟蹤功能。
[0008]本發(fā)明“ 一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法”，其具體步驟如下:
[0009]步驟一給定期望跟蹤值:給定期望平面路徑；給定期望速度；計(jì)算該期望速度下受到的阻力合力Ff。
[0010]步驟二導(dǎo)航計(jì)算:計(jì)算消除期望位置與實(shí)際位置之間的誤差所需的期望偏航角
[0011]步驟三路徑跟蹤偏航角誤差計(jì)算:計(jì)算期望偏航角與實(shí)際偏航角之間的誤差# ?
[0012]步驟四滑?？刂破饔?jì)算:計(jì)算消除期望偏航角與實(shí)際偏航角之間誤差所需的控制量U。
[0013]步驟五各執(zhí)行部件控制信號(hào)計(jì)算:計(jì)算實(shí)現(xiàn)滑模控制量U所需的執(zhí)行部件控制量Τ, Y。
[0014]其中，在步驟一中所述的給定期望平面路徑分為直線和圓弧兩種，直線路徑由直線與北向夾角ξ確定，記作Ρι(ξ);圓路徑由圓心位置與半徑確定記作P()(Cx，Cy，r)。所述的給定期望速度為U。= [U。, Vc, wc]T = [C，O, 0]T, OO為常數(shù)，uc, Vc, Wc為期望速度沿艇體坐標(biāo)系的分解量。
[0015]其中，在步驟二中所述的計(jì)算消除期望位置與實(shí)際位置之間的誤差所需的期望偏航角Vd，其計(jì)算方法如下:
[0016]直線

【權(quán)利要求】
1.一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一給定期望跟蹤值:給定期望平面路徑；給定期望速度；計(jì)算該期望速度下受到的阻力合力Ff。 步驟二導(dǎo)航計(jì)算:計(jì)算消除期望位置與實(shí)際位置之間的誤差所需的期望偏航角vd。 步驟三路徑跟蹤偏航角誤差計(jì)算:計(jì)算期望偏航角與實(shí)際偏航角之間的誤差#。 步驟四滑模控制器計(jì)算:計(jì)算消除期望偏航角與實(shí)際偏航角之間誤差所需的控制量Uo 步驟五各執(zhí)行部件控制信號(hào)計(jì)算:計(jì)算實(shí)現(xiàn)滑?？刂屏縰所需的執(zhí)行部件控制量T, y。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，其特征在于: 在步驟一中所述的給定期望平面路徑分為直線和圓弧兩種，直線路徑由直線與北向夾角ξ確定，記作P1(I);圓路徑由圓心位置與半徑確定記作P()(cx，Cy，r)。所述的給定期望速度為U。= [U。, Vc, wc]T = [C，O, 0]T, OO為常數(shù)，uc, Vc, Wc為期望速度沿艇體坐標(biāo)系的分解量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，其特征在于: 在步驟二中所述的計(jì)算消除期望位置與實(shí)際位置之間的誤差所需的期望偏航角vd，其計(jì)算方法如下: 直線:
其中ψ 00為設(shè)定的初始偏航角，y為機(jī)體與直線路徑之

間的位置誤差，可由規(guī)劃路徑起始點(diǎn)坐標(biāo)Pa= [xa yA]T機(jī)體位置坐標(biāo)P。= [x0 yJT與直線路徑由直線與北向夾角I求得；ψ為平流層衛(wèi)星偏航角，可由機(jī)體軸與北向夾角?與直線位置角ξ求得，即ψ = 4-€，k> O為決定矢量場(chǎng)中矢量方向轉(zhuǎn)換速度的參數(shù)； 圓弧:
,其中θ為機(jī)體位置與期望路徑圓心連線與北向夾角，可由機(jī)體位置P。= [x0 y。]與期望路徑圓心位置P。= [xc yc]求得，d為機(jī)體位置與期望位置之間的距離，k > O為決定矢量場(chǎng)中矢量方向轉(zhuǎn)換速度的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，其特征在于: 在步驟三中所述的路徑跟蹤偏航角誤# *其計(jì)算方法如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，其特征在于: 在步驟四中所述的消除期望偏航角與實(shí)際偏航角之間的誤差所需的控制量U，其計(jì)算方法如下:
上述各式中ε為可調(diào)節(jié)正數(shù)，定義了圍繞滑動(dòng)面邊界區(qū)的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的平流層衛(wèi)星平面路徑跟蹤控制方法，其特征在于: 在步驟五中所述的實(shí)現(xiàn)滑?？刂屏縰所需的執(zhí)行部件控制量Τ，Y，其計(jì)算方法如下: 直線:
各參數(shù)要求為 a > O, β0 > O, ε > O 圓弧:
各參數(shù)要求為b > O, β0 > O, ε > O。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104199303SQ201410476759
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】鄭澤偉, 陳天, 閆柯瑜, 余帥先, 劉麗莎 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)