一种临近空间浮空器风场自适应调整装置及方法与流程

本发明涉及风场自适应控制领域，更具体地，涉及适用于驻留模式下的临近空间浮空器的航向控制的自适应调整装置及方法。

背景技术：

临近空间稳定的大气分层结构使其在竖直方向基本无对流运动，且在水平方向常年都有定常风。根据临近空间的上述特点，人们研发了临近空间浮空器并将其应用于移动互联通信、敏感区域监控、无线网络覆盖、国土资源勘测、灾区应急通信等。临近空间浮空器与固定翼飞行器不同，它需要长时间在某地区进行区域驻留，并且可以依靠自身浮力克服重力作用实现驻空。此外，临近空间浮空器在区域驻留时主要需进行抗风飞行，以保持当前位置。因此，如何判断当前风向，并进行逆风飞行，是临近空间浮空器进行区域驻空飞行所要面对的首要问题。

然而，由于临近空间的大气极为稀薄(20km高空仅为0.08kg/m³)，空气流动产生的动压较小，所以无法使用传统的低空飞行器所搭载的空速管来测量位于临近空间中的浮空器的空速，也就无法解算出浮空器当前的风速风向。此外，超声波测速仪在临近空间的稀薄大气环境下的测量精度很低，也无法使用。

因此，需要提出一种临近空间浮空器风场自适应调整装置及方法来实现临近空间浮空器在风场中的自适应飞行，从而使临近空间浮空器实现区域驻空飞行。

技术实现要素：

至少为了实现临近空间的高空风向实时测量、临近空间的高空风场的航向自适应调整、临近空间浮空器进行区域驻空飞行所使用的控制策略，本发明提出了以下技术方案：

根据本发明的临近空间浮空器风场自适应调整装置，包括：

风向测量模块，其安装于浮空器本体上，用于测量来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值，并且输出该角度差值；

飞控计算机，其与风向测量模块通信，用于接收上述角度差值，根据该角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据，并且输出该作动控制数据；

作动机构，其安装于浮空器本体上且与飞控计算机通信，用于接收作动控制数据，并且根据作动控制数据来控制自身，使浮空器的航向偏转一定的角度，从而完成浮空器迎着风向航行的自适应调整。

根据本发明的自适应调整装置，其中的风向测量模块包括安装支架、连接杆、上轴承、下轴承、风标、角位移传感器，其中，

安装支架用于连接风标与浮空器本体，安装支架上留有轴承套，用以固定上轴承与下轴承，其上还留有角位移传感器的安装座，用以固定角位移传感器，使得完成连接之后的上轴承和下轴承的轴线与角位移传感器的安装座的轴线重合或平行，安装支架还与浮空器航向测量装置、作动机构保持刚性连接，用于保证三者间不会出现相对角位移；

连接杆用于集成上轴承、下轴承、角位移传感器与风标；

风标与连接杆固连，用于根据风向转动带动连接杆；

角位移传感器用于测量风标所转过的角度，角位移传感器的转子与连接杆固连，使得风标带动连接杆的旋转位移传递到转子上，转子带动与之连接的电子元件，输出与旋转位移成比例的电压或电流信号作为来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值。

根据本发明的自适应调整装置，其中的飞控计算机包括滤波子模块和分段PID子模块，用于实现根据来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据，其中：

滤波子模块用于对来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值进行滤波以获取滤波后的角度差值；

分段PID子模块用于对该滤波后的角度差值应用分段PID控制算法以获取作动控制数据。

根据本发明的临近空间浮空器风场自适应调整方法，该方法结合上文所述的自适应调整装置使用，且所述方法包括：

风向测量模块测量来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值，并且输出该角度差值；

飞控计算机接收上述角度差值，根据该角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据，并且输出该作动控制数据；

作动机构接收作动控制数据，并且根据作动控制数据来控制自身，使浮空器的航向偏转一定的角度，从而完成浮空器迎着风向航行的自适应调整。

根据本发明的自适应调整方法，其中，飞控计算机根据来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据包括以下步骤：

对来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值进行滤波以获取滤波后的角度差值；

对该滤波后的角度差值应用分段PID控制算法以获取作动控制数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

首先，仅仅需要测量当前来流与浮空器机体朝向之间的相对角度，而无需精确测量风场的实时风向与风速，从而降低了高空风场参数测量的难度。

其次，针对所测得的相对角度设计风场自适应调整控制算法，消除浮空器航向与迎风方向之间的误差，实现临近空间浮空器的实时抗风自适应控制，进而解决了临近空间风速风向不可实时测量场景下的控制难题，实现了浮空器区域驻空飞行的目标。

附图说明

通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是安装在临近空间浮空器之上的临近空间浮空器风场自适应调整装置的示意图。

图2是用于安装在临近空间浮空器之上的风向测量模块的多个不同角度的视图。

图3是临近空间浮空器风场自适应调整方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出了一种临近空间浮空器风场自适应调整装置。图1是安装在临近空间浮空器之上的临近空间浮空器风场自适应调整装置的示意图。

如图1所示，自适应调整装置主要包括风向测量模块1、飞控计算机2、作动机构3。

风向测量模块1被安装于浮空器本体上，用于测量来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值，并且输出该角度差值。飞控计算机2与风向测量模块1通信，用于接收该角度差值，根据该角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据，并且输出该作动控制数据。作动机构3被安装于浮空器本体上且与飞控计算机2通信，用于接收作动控制数据，并且根据作动控制数据来控制自身，使浮空器的航向偏转一定的角度，从而完成浮空器迎着风向航行的自适应调整。

下面将结合附图对风向测量模块1、飞控计算机2、作动机构3分别进行介绍。

图2是用于安装在临近空间浮空器之上的风向测量模块的多个不同角度的视图。

风向测量模块1与浮空器本体的连接方式如图1所示，其为测量临近空间的风向与浮空器机头方向(即，航向)之间的夹角的装置。如图2所示，风向测量模块1包括安装支架101、连接杆102、上轴承103、下轴承104、风标106、角位移传感器105。

安装支架101用于连接风标106与浮空器本体，安装支架101上留有轴承套，用以固定上轴承103与下轴承104，其上还留有角位移传感器105的安装座，用以固定角位移传感器105，使得完成连接之后的上轴承103和下轴承104的轴线与角位移传感器105的安装座的轴线重合或平行，安装支架101还与浮空器航向测量装置、作动机构3保持刚性连接(在图1中未示出)，用于保证三者间不会出现相对角位移。

需要注意的是，上轴承103与下轴承104应选用耐低温低阻尼轴承，使其在临近空间严苛的温度环境下仍能正常工作。耐低温低阻尼轴承在加入了特殊的低温油脂后，可满足低温至-70℃环境的良好运转。临近空间空气稀薄，动压较小，因此要尽可能降低测量装置的阻尼，以保证角度测量的相对准确性。

连接杆102用于集成上轴承103、下轴承104、角位移传感器105与风标106。连接杆102应选轻质高强材料(如碳纤维)，在保证杆件强度的前提下，尽可能降低其转动惯量，以降低测量响应时间。

风标106与连接杆102固连，用于根据风向转动带动连接杆102。

风标106的构型如图1所示，其尺寸应与装置自身的旋转阻尼相关。设计原则为：在较小风速(1m/s)工况下，空气流动作用于风标106的动压应使其实现偏转；因此，风标106应在保证结构强度与重量约束的情况下尽可能做到尺寸大，同时采用高长宽比，增加转动力矩。风标材料建议选用蜂窝泡沫，表面贴附碳纤维布，可以在保证强度的同时降低其质量。

角位移传感器105用于测量风标106所转过的角度，角位移传感器105的转子与连接杆102固连，使得风标106带动连接杆102的旋转位移传递到转子上，转子带动与之连接的电子元件，输出与旋转位移(旋转角度)成比例的电压或电流信号作为来流方向与机体当前朝向间的角度差值。需要注意的是，所选用的角位移传感器105应通过临近空间环境测试实验。

尽管在图1中将自适应调整装置示出为被安装在临近空间浮空器之上，但是临近空间浮空器可以结合需要根据风向进行自适应调整的其它设备。

飞控计算机2是用于计算临近空间浮空器所使用的作动控制数据的计算装置，包括滤波子模块和分段PID子模块，用于实现根据来流方向浮空器当前机体朝向之间的角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据(即，用于实现风场自适应控制算法)，其中的滤波子模块用于对来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值进行滤波以获取滤波后的角度差值，分段PID子模块用于对该滤波后的角度差值应用分段PID控制算法以获取作动控制数据。

可选择地，飞控计算机2通过数据接口接收来自风向测量模块1中的角位移传感器105所输出的与其旋转角度成比例的电压或电流信号，这种电压或电流信号表示浮空器航向与风场间的相对角位移且被转化为数据值并被进行滤波处理，并求得其与期望角位移之间的角度差。然后通过风场自适应控制算法对通过滤波后的数据值得到的角度差进行解算，从而得出作动机构3实现抗风飞行的作动控制数据。

风场自适应控制算法实质上是航向误差跟踪算法，控制算法的最终目的是消除浮空器的实际机体朝向与来流方向之间的误差(即来流方向风标与机体轴之间的夹角)。算法的输入为浮空器当前机体朝向与来流方向之间的误差，算法的输出为能够使当前误差变为零(即，将浮空器航向调整至迎风方向)的作动控制数据。

风场自适应控制算法中包含分段PID控制算法(也可用于制导控制)，其执行步骤如下：

T_o＝(P_o+I_o+D_o)*K_T

其中，e_i为航向与迎风方向的当前误差作为误差输入；Output为输出给作动机构3的作动控制数据。K_p1、K_p2、K_I、K_D、K_T为控制器参数，Max、Th、Limit为各个公式所对应的执行各自的分段运算的控制器阈值，所有控制器参数及控制器阈值均需根据当前的浮空器型号进行在线调整。

作动机构3用于根据飞控计算机2使用前述风场自适应控制算法计算并输出的作动控制数据执行调整动作。具体地，作动机构3一般由螺旋桨推进装置和矢量装置构成。螺旋桨推进装置包含螺旋桨与推进电机，推进电机驱动螺旋桨提供水平面内的推力。矢量装置包含矢量电机、轴承与涡轮蜗杆等机构，矢量电机驱动涡轮蜗杆机构使螺旋桨推力在航向平面内摆动，产生偏航力矩，进而改变航向。

由飞控计算机2计算所得的作动控制数据被输出至作动机构3。作动机构3中的螺旋桨推进装置和矢量装置根据作动控制数据执行调整动作，从而消除临近空间浮空器的当前航向与迎风方向之间的误差角，进而实现抗风飞行。

例如，接收到作动控制数据(例如，矢量角度偏转值)之后，矢量装置通过矢量电机控制器控制矢量电机，进而控制矢量装置中的轴承与涡轮蜗杆等机构来执行调整动作，使临近空间浮空器偏转至迎风方向，从而消除临近空间浮空器的当前航向与迎风方向之间的误差角，进而实现抗风飞行。

根据本发明的实施方式，还提出了一种临近空间浮空器风场自适应调整方法，该方法结合上文描述的自适应调整装置使用。

图3是临近空间浮空器风场自适应调整方法的流程图。如图3所示，这种自适应调整方法包括以下步骤：

步骤S302：风向测量模块1测量来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值，并且输出该角度差值(即，相对来流实时测量)。

例如，临近空间浮空器静态驻留，受到风场扰动后，风标106进行偏转，角位移传感器105测得偏转角度，输出该角度至飞控计算机2作为来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值。

步骤S304：飞控计算机2接收来流方向与当前机体朝向间的角度差值，并根据此角度差值计算浮空器迎着风向航行所需的作动控制数据，并且输出该作动控制数据(即，当前航向控制信号解算)。

例如，飞控计算机2接收来自角位移传感器105的角度数据，对角度数据进行滤波处理，得到准确的误差角度，并将其作为风场自适应控制算法的误差输入e_i(即，对来流方向与浮空器机体朝向间的角度差值进行滤波以获取滤波后的角度差值作为误差输入e_i)。依次判断误差角度所在的区间，解算误差输入的比例项、积分项、微分项，累加各项并进行缩放后对其进行限幅约束，求得作动控制数据(即，对角度差应用分段PID控制算法以获取作动控制数据，具体步骤可参见上文中的公式)，并将所得作动控制数据输出至作动机构3。

步骤S306：作动机构3接收作动控制数据，并且根据作动控制数据来控制自身，使浮空器的航向偏转一定的角度，从而完成浮空器迎着风向航行的自适应调整(即，作动机构3执行控制指令)。

例如，作动机构3接收来自飞控计算机2的作动控制数据，控制矢量电机控制器使临近空间浮空器根据作动控制数据偏转一定的角度，从而进行航向调整，完成针对风场方向的自适应调整。

根据本发明的风场自适应调整装置及算法适用于各种构型的临近空间浮空器，因此，根据本发明的风场自适应调整装置及算法应独立于飞艇模型。而且，根据本发明的风场自适应调整方法中的控制算法(对应上述步骤S304)也可以单独应用于其它类似的控制系统。

以上所述，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。