基于副气囊的平流层浮空器高度控制

丁淑娟

摘要：浮空器悬停或飞行控制设计时，往往把风力当作一种干扰因素，螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力，而它所能承载的能量也是有限的，因此浮空器设计时存在欠能源问题。针对平流层的风场特征，采用副气囊控制浮空器的高度，实现平流层不同高度的风场利用，可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型，采用反步法设计浮空器高度控制器，利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计，并进行了仿真分析，结果表明，本文所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型，仿真分析表明，浮空器高度变化后，其囊体最终内外压差与初始压差相同。

关键词：平流层浮空器；副气囊；风场利用；囊体内外压差

文献［1］利用平流层上下层风向相反，提出了一种浮空器位置保持的方法，将搭载科学实验设备的高气球飞行到平流层上层，用轻质高强的绳连接一个拖拽机构，拖拽机构飞行于平流层下层，通过控制拖拽机构的气动面，操纵拖拽机构气动力，抵消作用在高空气球上的风阻力，从而控制了高空气球的位置。文献［2］利用准零风层上下风向相反，设计了气动帆控制平流层浮空器的南北方向位置，确保平流层浮空器沿东西方向运动。文献［3］讨论了nASA正在研发的气球轨迹控制系统，轨迹控制系统被系留在气球上，利用自然风场随高度的变化产生被动侧向控制力，轨迹控制器产生的水平力可控角度大，通过系绳传递给气球，改变气球的路径。文献［4］提出无动力气球，通过控制浮空器高度，借助于不同高度的风场，实现浮空器的位置控制，采用分布式控制方法控制气球编队飞行，通过真实的风场数据，仿真了100个气球的飞行分布情况，证明了方案的有效性。文献设计了利用平流层风场的浮空器路径跟踪控制器，仿真结果表明，浮空器利用风场飞行时螺旋桨的能耗得到了减少。文献［5］分析了利用平流层准零风层的浮空器区域驻留策略，分析结果表明，利用准零风层时，浮空器螺旋桨能源消耗更低。本文采用副气囊调整浮空器飞行高度，建立了基于副气囊的浮空器动力学模型，采用反步法和状态观测器设计了浮空器高度控制器，并进行了仿真分析，同时分析了浮空器高度控制时其囊体内外压差的变化情况。

1浮空器模型

本文提出的浮空器，其由囊体、风机和载荷舱等组成。囊体分为氦气室和副气囊两部分，氦气室为浮空器提供浮力，副气囊内存放空气，用于控制浮空器的高度，副气囊内的空气由底部的风机充入或者排出。副气囊与氦气室之间采用一层膜材相隔，膜材的面积等于半个囊体的表面积，因此副气囊内空气的压强与氦气的压强相同。副气囊内充入空气时，浮空器总质量增加，浮空器高度降低；副气囊排出空气时，浮空器总质量降低，浮空器高度上升。浮空器在平流层高空飞行时，根据平流层准零风层东西风的特点，控制浮空器的高度，可以实现东西风的利用，节约浮空器螺旋桨电机能源的消耗。

1.1浮空器受力分析

由于浮空器水平方向的受力对其高度控制不产生影响，分析浮空器的高度控制时，只考虑浮空器垂直方向的受力，不分析水平方向的受力情况。假设浮空器高度控制时，其偏航角、滚转角和俯仰角为0。

1.2浮空器囊体内外压差计算

浮空器囊体内外压差是非常重要的一个状态量，因此对其内外压差进行分析非常关键。浮空器高度控制时，需要向副气囊中充入空气，会引起囊体内外压差和副气囊体体积的变化，因此需要建立囊体内外压差状态方程和副气囊体积变化方程，便于分析囊体内外压差变化和副气囊体积变化。根据理想气体状态方程：pv＝nRt式中：p为囊体内部气体压强；v为囊体内部气体的体积；n为囊体内部气体的摩尔数；R为理想气体常数；t为囊体内部气体的温度。囊体内部气体的摩尔数包括氦气的摩尔数和副气囊中空气的摩尔数，其关系式为n＝nhE＋nAiR式中：nhE为氦气室中氦气的摩尔数；nAiR为副气囊中空气的摩尔数。囊体内气体压强、外界空气压强和囊体内外压差的关系表达式为Δp＝p－pH式中：Δp为囊体内外压差；pH为H高空空气的压强。

2浮空器高度控制器设计

浮空器的高度控制属于高阶非线性系统，反步法具有将高阶系统划分为若干个低阶子系统、控制器结构清晰、将控制器的设计与基于LyaA-punOv稳定性的证明相结合等优点，因此本文采用反步法设计高度控制器实现浮空器高度控制目标。浮空器高度控制包括垂直速度生成、垂直速度跟踪控制和副气囊中空气质量控制。

3高度控制对囊体内外压差的影响分析

浮空器囊体内外压差状态非常重要，囊体内外压差大小直接影响囊体材料力学性能设计、囊体材料密封性设计、囊体整体质量。因此本文在分析浮空器高度控制时，对囊体内外压差状态进行分析。本节中分析充气速度分别为1，3，5m3／S时囊体内外压差的变化、浮空器速度状态、高度状态和整体质量变化，分析基于副气囊控制浮空器高度的可行性,充气时间为0～1500S，在1500S时刻停止充气。图1展示了不同充气速度情况下，浮空器高度的变化。可以看出，在0～1500S充气阶段，浮空器高度快速增加，充气速度越大，高度增加越快。因此，采用本文方法控制浮空器的高度具有速度快和囊体内外压差增加幅度小的特点。

图 1不同充气速度时浮空器高度变化

4结论

1、本文采用副气囊控制浮空器高度，实现平流层风场的利用。建立了浮空器高度控制模型，采用反步法设计了高度控制器，并证明了控制器的稳定性，仿真分析表明控制器能有效控制浮空器的高度。

2、建立了浮空器高度控制时囊体内外压差变化模型，并分析了囊体内外压差变化情况，分析结果表明浮空器高度变化后，其囊体最终内外压差与初始内外压差相同。

3、若需要对浮空器的高度调节500m，只需要30min左右，囊体内外压差仅增加26pA，具有高度调节速度快和囊体内外压差增幅小的特点。

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