一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法

本发明涉及平流层飞艇控制系统领域，特别是一种针对平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法。

背景技术：

1、近年来，随着技术的快速发展，特别是在航空航天领域，各种飞行器，包括无人机和平流层飞艇，已经成为研究和应用的热点。这些飞行器因其独特的优势，如能在复杂环境下进行长时间的稳定飞行，被广泛应用于军事侦察、气象观测、通信中继、环境监测等多个领域。平流层飞艇作为一种特殊类型的航空器，其在平流层这一特定高度层飞行，能够提供比传统地面系统和卫星系统更为经济高效的解决方案。然而，由于其稳定性和安全性极度依赖于执行器的性能，平流层飞艇面对执行器故障尤为敏感。一旦发生执行器故障，可能会严重影响飞艇的飞行性能，甚至导致任务失败或飞艇损坏。因此，加强无人机的安全性势在必行。

2、中国专利申请cn104216417a（一种基于四矢量螺旋桨的平流层飞艇的动态控制分配方法）公开了一种用于配备四矢量螺旋桨的平流层飞艇的动态控制分配方法，解决了执行器限制和容错问题。该方法结合了基于输入输出反馈线性化的顶层控制器和应用伪逆和二次规划技术的底层动态控制分配器，以实现对冗余控制面的最优控制分配。这种方法允许实时调整执行器故障或限制，提高系统的安全性和可靠性。然而，其局限性包括实时计算的复杂性、对执行器动态精确建模的需求，以及在极端操作条件下的有效性。

3、中国专利申请cn104950908a（平流层飞艇水平位置控制系统及实现方法）公开了一种平流层飞艇的水平位置控制系统及其实现方法。该系统包括多个模块，如水平位置控制模块、重/浮力差选择模块、俯仰控制模块等，通过这些模块的协同工作，实现对飞艇的精确控制。特别地，该系统采用了变权值优化控制分配方法，以及在俯仰角控制和速度控制中的开关分配法，有效利用现有执行机构，以提高飞艇在大风场条件下的前向速度控制能力。然而，该专利未详细讨论在执行机构发生故障时的自适应控制分配策略，这可能限制了其在面对执行机构故障时的应对能力，影响了系统的鲁棒性和可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法。首先，建立了平流层飞艇的非线性动力学模型，并考虑执行器故障对飞行性能的影响。其次，采用自适应滑模控制技术，根据飞艇的当前飞行状态和执行器的实时反馈信息，动态调整控制增益，适应变化的飞行环境和故障状态。最后，通过基于二次规划的控制分配策略，重新分配控制信号，最大化利用剩余健康执行器的性能，确保飞艇的飞行安全和稳定。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法，包括以下步骤：

4、第一步，建立平流层飞艇的非线性动力学模型，考虑到执行器故障对飞艇飞行性能的影响，同时构建执行器故障模型；

5、第二步，采用自适应滑模控制技术，根据飞艇当前的飞行状态和执行器的实时反馈信息，动态调整控制增益，以适应不断变化的飞行环境和故障状态；

6、第三步，实现控制分配策略，基于二次规划的算法，根据执行器的故障情况重新分配控制信号，以最大化利用剩余健康执行器的性能，确保飞艇的飞行安全和稳定。

7、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

8、（1）本发明公开的方法根据实时飞行状态和执行器的健康状况动态调整控制增益，提供更为精确和灵活的控制响应，以适应复杂和不断变化的飞行环境。

9、（2）本发明公开的方法即使在多个关键执行器同时失效的极端情况下，通过高效的控制力重新分配，该方案仍能保持平流层飞艇的飞行稳定性和安全性，减少由于故障引起的飞行任务失败风险。

技术特征：

1.一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法，其特征在于，所述第一步包括：

3.根据权利要求2所述的一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法，其特征在于，所述第二步包括：

4.根据权利要求1所述的一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法，其特征在于，所述第三步包括：

技术总结本发明涉及一种平流层飞艇自适应容错滑模控制分配方法。平流层飞艇作为一种特殊的航空器，其稳定性和安全性对执行器的性能高度依赖，因此，该系统对执行器故障的敏感度尤为突出。本发明采用自适应滑模控制技术与二次规划控制分配技术的融合策略，以快速识别故障执行器。通过在线调整控制增益和动态重新分配控制信号，能够即时补偿执行器故障，确保飞艇在执行器故障情况下的稳定飞行。本发明适用于在复杂环境下进行长时间稳定飞行的平流层飞艇，显著提高了其容错能力和安全性。技术研发人员：余翔,王俊鸿,赵睿,郭雷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：2024/7/11