平流层飞艇轨迹跟踪控制方法、装置、系统及电子设备

技术领域

本发明涉及轨迹跟踪控制技术领域，特别是涉及一种平流层飞艇轨迹跟踪控制方法、装置、系统及电子设备。

背景技术

无人飞行器的跟踪控制包括轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种，这两种跟踪控制是当今自主飞行控制研究的热点和难点。其中，轨迹跟踪问题要求被控对象收敛到一条光滑的期望时变轨迹上。

自触发机制与事件触发机制类似，指控制任务是否执行由事先给定的触发条件决定，而不是根据时间周期执行。两者不同之处在于，事件触发机制需要对系统状态进行连续的监控并持续判断触发条件能否被满足，因此控制系统中设计相关状态监测、条件运算判断的部分仍然需要根据时间周期的工作；而自触发机制可以根据当前时刻的状态直接计算出下一触发时刻，在到达下一触发时刻时，整个系统不进行任何测量、运算以及执行，避免了对状态的连续监控和对触发条件的连续计算，因此能够节省更多资源。

平流层飞行器作为一类长时驻空飞行器，如何延长其驻空寿命是近年来的研究热点。已有部分研究通过引入事件触发机制，来延长平流层飞艇的驻空寿命。在单艇的控制领域，有学者通过在传感器和控制器之间增加事件触发机制以降低传感器工作频率，但除传感器以外的系统其余部分仍然需要连续的计算与执行；在多艇协同控制领域，有学者引入事件触发机制以降低多艇之间的通讯带宽，但对于单个平流层飞艇成员来说，控制系统仍然在按照时间周期运行，这样仍需要对状态的连续监控和对触发条件连续计算，因此需要用到更多资源，延长驻空寿命的效果并不是很好。

发明内容

本发明的目的是提供一种平流层飞艇轨迹跟踪控制方法、装置、系统及电子设备，降低了器件的工作频率，延长了平流层飞艇驻空寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种平流层飞艇轨迹跟踪控制方法，包括：

初始化初始触发时刻；

获取平流层飞艇当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量；所述状态量包括位置参数和姿态参数，所述位置参数包括三维坐标和速度，所述姿态参数包括姿态角和角速度，所述饱和误差参数包括位置控制饱和误差和姿态控制饱和误差，所述辅助输出值包括位置饱和消除值和姿态饱和消除值，所述执行控制量包括位置控制量和姿态控制量；

根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻；

当处于触发时刻时，控制所述平流层飞艇飞行；

其中，对于任一触发时刻，控制所述平流层飞艇飞行的过程包括：

获取所述平流层飞艇的状态量、期望量和饱和误差参数；所述期望量包括期望轨迹和期望姿态；

根据所述状态量计算模糊系统估计值；所述模糊系统估计值包括：位置估计值和姿态估计值；

根据所述饱和误差参数计算辅助输出值；

根据所述状态量、所述期望量、所述模糊系统估计值和所述辅助输出值，计算执行控制量；

根据所述执行控制量控制所述平流层飞艇运动。

可选地，根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻，包括：

根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量计算下一触发时间间隔；

计算所述当前触发时刻和所述下一触发时间间隔，得到所述下一触发时刻。

可选地，根据当前触发时刻的状态量计算当前触发时刻的模糊系统估计值，包括：

利用模糊系统基函数，根据当前触发时刻的状态量和当前触发时刻的权重矩阵计算当前触发时刻的模糊系统估计值；其中，当前触发时刻的权重矩阵是根据上一触发时刻的权重矩阵、上一触发时刻的期望量和上一触发时刻的辅助输出值确定的。

可选地，根据当前触发时刻的状态量、期望量、模糊系统估计值和辅助输出值，计算当前触发时刻的执行控制量，包括：

根据当前触发时刻的状态量、期望量、模糊系统估计值、辅助输出值和权重矩阵，计算当前触发时刻的执行控制量；其中，当前触发时刻的权重矩阵是根据上一触发时刻的权重矩阵、上一触发时刻的期望量和上一触发时刻的辅助输出值确定的。

一种平流层飞艇轨迹跟踪控制装置，包括：传感器、自触发机制、模糊逻辑系统、辅助设计系统、滑模反步控制器和执行机构；

所述自触发机制、所述模糊逻辑系统和所述滑模反步控制器均与所述传感器连接，所述辅助设计系统与所述执行机构连接，所述滑模反步控制器分别与所述模糊逻辑系统和所述辅助设计系统连接，所述自触发机制分别与所述辅助设计系统和所述滑模反步控制器连接，所述执行机构与平流层飞艇的本体连接；

所述自触发机制用于根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻；所述状态量包括位置参数和姿态参数，所述位置参数包括三维坐标和速度，所述姿态参数包括姿态角和角速度，所述饱和误差参数包括位置控制饱和误差和姿态控制饱和误差，所述辅助输出值包括位置饱和消除值和姿态饱和消除值，所述执行控制量包括位置控制量和姿态控制量；

其中，在任一触发时刻：

所述传感器用于获取平流平流层飞艇的状态量；

所述模糊逻辑系统用于根据所述状态量计算模糊系统估计值；所述模糊系统估计值包括：位置估计值和姿态估计值；

所述辅助设计系统用于根据所述执行机构传递的饱和误差参数计算辅助输出值；

所述滑模反步控制器用于根据所述状态量、期望量、所述模糊系统估计值和所述辅助输出值，计算执行控制量；

所述执行机构用于根据所述执行控制量控制所述平流层飞艇的本体运动。

一种平流层飞艇轨迹跟踪控制系统，包括：

初始化模块，用于初始化初始触发时刻；

当前触发时刻参量获取模块，用于获取平流层飞艇当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量；所述状态量包括位置参数和姿态参数，所述位置参数包括三维坐标和速度，所述姿态参数包括姿态角和角速度，所述饱和误差参数包括位置控制饱和误差和姿态控制饱和误差，所述辅助输出值包括位置饱和消除值和姿态饱和消除值，所述执行控制量包括位置控制量和姿态控制量；

下一触发时刻确定模块，用于根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻；

控制模块，用于当处于触发时刻时，控制所述平流层飞艇飞行；

其中，对于任一触发时刻，控制所述平流层飞艇飞行的过程包括：

获取所述平流层飞艇的状态量、期望量和饱和误差参数；所述期望量包括期望轨迹和期望姿态；

根据所述状态量计算模糊系统估计值；所述模糊系统估计值包括：位置估计值和姿态估计值；

根据所述饱和误差参数计算辅助输出值；

根据所述状态量、所述期望量、所述模糊系统估计值和所述辅助输出值，计算执行控制量；

根据所述执行控制量控制所述平流层飞艇运动。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述所述的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法。

可选地，所述存储器为可读存储介质。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种平流层飞艇轨迹跟踪控制方法、装置、系统及电子设备，与现有的平流层飞艇轨迹跟踪控制技术相比，计算辅助输出值，改善了执行器饱和问题；计算模糊系统估计值，能够使平流层飞艇在外界扰动的影响下仍能跟踪期望轨迹；根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻，只在触发时刻进行计算和控制，降低了器件的工作频率，延长了平流层飞艇驻空寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例2提供的平流层飞艇轨迹跟踪控制装置使用流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种平流层飞艇轨迹跟踪控制方法、装置、系统及电子设备，旨在降低器件的工作频率，延长平流层飞艇驻空寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法流程示意图。如图1所示，本实施例中的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法，包括：

步骤101：初始化初始触发时刻。

步骤102：获取平流层飞艇当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量。

其中，状态量包括位置参数和姿态参数，位置参数包括三维坐标和速度，姿态参数包括姿态角和角速度，饱和误差参数包括位置控制饱和误差和姿态控制饱和误差，辅助输出值包括位置饱和消除值和姿态饱和消除值，执行控制量包括位置控制量和姿态控制量。

平流层飞艇的动力学模型包括：位置动力学模型和姿态动力学模型。

位置动力学模型为：

其中，

姿态动力学模型为：

其中，

步骤103：根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻。

作为一种可选的实施方式，步骤103，包括：

根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量计算下一触发时间间隔。

计算当前触发时刻和下一触发时间间隔，得到下一触发时刻。

步骤104：当处于触发时刻时，控制平流层飞艇飞行。

其中，对于任一触发时刻，控制平流层飞艇飞行的过程包括：

获取平流层飞艇的状态量、期望量和饱和误差参数；期望量包括期望轨迹和期望姿态。

具体的，期望轨迹中的某个轨迹点p

p

其中，x

与期望轨迹中的轨迹点对应的期望姿态Θ

Θ

其中，φ

且φ

根据状态量计算模糊系统估计值；模糊系统估计值包括：位置估计值和姿态估计值。

根据饱和误差参数计算辅助输出值。

根据状态量、期望量、模糊系统估计值和辅助输出值，计算执行控制量。

根据执行控制量控制平流层飞艇运动。

作为一种可选的实施方式，根据当前触发时刻的状态量计算当前触发时刻的模糊系统估计值，包括：

利用模糊系统基函数，根据当前触发时刻的状态量和当前触发时刻的权重矩阵计算当前触发时刻的模糊系统估计值；其中，当前触发时刻的权重矩阵是根据上一触发时刻的权重矩阵、上一触发时刻的期望量和上一触发时刻的辅助输出值确定的。

作为一种可选的实施方式，根据当前触发时刻的状态量、期望量、模糊系统估计值和辅助输出值，计算当前触发时刻的执行控制量，包括：

根据当前触发时刻的状态量、期望量、模糊系统估计值、辅助输出值和权重矩阵，计算当前触发时刻的执行控制量；其中，当前触发时刻的权重矩阵是根据上一触发时刻的权重矩阵、上一触发时刻的期望量和上一触发时刻的辅助输出值确定的。

实施例2

图2为本发明实施例2提供的平流层飞艇轨迹跟踪控制装置使用流程示意图。如图2所示，为了实现实施例1中的方法，本实施例提供了一种平流层飞艇轨迹跟踪控制装置，包括：传感器、自触发机制、模糊逻辑系统、辅助设计系统、滑模反步控制器和执行机构。

自触发机制、模糊逻辑系统和滑模反步控制器均与传感器连接，辅助设计系统与执行机构连接，滑模反步控制器分别与模糊逻辑系统和辅助设计系统连接，自触发机制分别与辅助设计系统和滑模反步控制器连接，执行机构与平流层飞艇的本体连接。

自触发机制用于根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻；状态量包括位置参数和姿态参数，位置参数包括三维坐标和速度，姿态参数包括姿态角和角速度，饱和误差参数包括位置控制饱和误差和姿态控制饱和误差，辅助输出值包括位置饱和消除值和姿态饱和消除值，执行控制量包括位置控制量和姿态控制量。

具体的，自触发机制通过获取的第t

其中，

L

其中，||·||

触发间隔

e

其中，s

其中，p

其中，在任一触发时刻：

传感器用于获取平流平流层飞艇的状态量。

模糊逻辑系统用于根据状态量计算模糊系统估计值；模糊系统估计值包括：位置估计值和姿态估计值。

具体的，模糊逻辑系统(自适应模糊逻辑系统)根据传感器传递的状态量以及自触发机制传递的触发时刻计算模糊系统估计值，并将模糊系统估计值传递至滑模反步控制器与自触发机制：

自适应模糊逻辑系统为：

其中，

其中，

φ

其中，φ

其中，对于

辅助设计系统用于根据执行机构传递的饱和误差参数计算辅助输出值。

具体的，辅助设计系统为：

其中，ρ

滑模反步控制器用于根据状态量、期望量、模糊系统估计值和辅助输出值，计算执行控制量。

具体的，滑模反步控制器为：

执行机构用于根据执行控制量控制平流层飞艇的本体运动。

实施例3

本实施例中的平流层飞艇轨迹跟踪控制系统，包括：

初始化模块，用于初始化初始触发时刻。

当前触发时刻参量获取模块，用于获取平流层飞艇当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量；状态量包括位置参数和姿态参数，位置参数包括三维坐标和速度，姿态参数包括姿态角和角速度，饱和误差参数包括位置控制饱和误差和姿态控制饱和误差，辅助输出值包括位置饱和消除值和姿态饱和消除值，执行控制量包括位置控制量和姿态控制量。

下一触发时刻确定模块，用于根据当前触发时刻的状态量、饱和误差参数、辅助输出值和执行控制量，确定下一触发时刻。

控制模块，用于当处于触发时刻时，控制平流层飞艇飞行。

其中，对于任一触发时刻，控制平流层飞艇飞行的过程包括：

获取平流层飞艇的状态量、期望量和饱和误差参数；期望量包括期望轨迹和期望姿态。

根据状态量计算模糊系统估计值；模糊系统估计值包括：位置估计值和姿态估计值。

根据饱和误差参数计算辅助输出值。

根据状态量、期望量、模糊系统估计值和辅助输出值，计算执行控制量。

根据执行控制量控制平流层飞艇运动。

实施例4

一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行上述的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法。

作为一种可选的实施方式，存储器为可读存储介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。