本實(shí)用新型涉及飛行器控制領(lǐng)域，具體而言，涉及一種飛行器的控制裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，在飛行器(如飛艇)控制方面，其需要準(zhǔn)確的控制飛行狀態(tài)，以使得飛行器能安全穩(wěn)定的飛行，當(dāng)前，在飛行控制方面，有很多方式，例如，采用狀態(tài)反饋的方式，但是，在利用狀態(tài)反饋控制飛行裝置飛行時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定性低，而且可能會(huì)有余差，導(dǎo)致飛行器在控制方面不能準(zhǔn)確的控制飛行器的飛行。

針對(duì)上述無(wú)法準(zhǔn)確控制飛行狀態(tài)的問(wèn)題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種飛行器的控制裝置及系統(tǒng)，以至少解決無(wú)法準(zhǔn)確控制飛行狀態(tài)的技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種飛行器的控制裝置，包括：采集裝置，用于采集飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其中，所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)用于記錄所述飛行器的飛行狀態(tài)；第一控制器，與所述采集裝置連接，用于基于所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)；第二控制器，與所述采集裝置連接，用于基于所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第二反饋信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與所述第一控制器連接，用于在所述第一反饋信號(hào)和所述第二反饋信號(hào)的觸發(fā)下調(diào)整所述飛行器的飛行狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述第一控制器包括：PID控制電路。

進(jìn)一步地，所述PID控制電路包括：比較器，與所述采集裝置連接，用于比較所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)與預(yù)定參數(shù)的差異；信號(hào)生成器，與所述比較器連接，用于基于所述差異生成所述第一反饋信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述PID控制電路包括：橫向系統(tǒng)PID控制電路和縱向系統(tǒng)PID控制電路。

進(jìn)一步地，所述第二控制器包括：乘法器，與所述采集裝置連接，用于將所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)的值與增益參數(shù)的乘積作為所述第二反饋信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：執(zhí)行器，與所述第一控制器連接，用于基于所述第一反饋信號(hào)和所述第二反饋信號(hào)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)；被控設(shè)備，與所述執(zhí)行器連接，用于在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下動(dòng)作。

進(jìn)一步地，所述被控設(shè)備包括：推力機(jī)構(gòu)、升降舵和方向舵。

進(jìn)一步地，所述采集裝置包括：傳感器，設(shè)置在所述飛行器上。

進(jìn)一步地，所述傳感器包括：速度傳感器，用于采集所述飛行器的飛行速度；傾角傳感器，用于采集所述飛行器的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的另一方面，還提供了一種飛行器的控制系統(tǒng)，包括：上述實(shí)施例中任意一項(xiàng)所述的飛行器的控制裝置。

通過(guò)上述實(shí)施例，可以利用采集裝置采集飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，該運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以是用于記錄飛行器飛行狀態(tài)的參數(shù)，在采集到運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，可以將運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)送到第一控制器和第二控制器中，第一控制器可以基于該運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)，第二控制器可以基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第二反饋信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在該第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)的觸發(fā)下調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)。在該實(shí)施例中，可以利用采集到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)，從而根據(jù)兩個(gè)反饋信號(hào)做出調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)，不是直接控制飛行器的飛行，本實(shí)用新型實(shí)施例解決了無(wú)法準(zhǔn)確控制飛行狀態(tài)的技術(shù)問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的控制裝置的地面坐標(biāo)系的示意圖；

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的控制裝置的艇體坐標(biāo)系的示意圖；

圖4(a)是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的飛艇執(zhí)行器的下視圖；

圖4(b)是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的飛艇執(zhí)行器的左視圖；

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的系統(tǒng)G₁(s)的根軌跡和波特圖；

圖6是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的加PID控制器后的根軌跡和波特圖；

圖7是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的系統(tǒng)的根軌跡和波特圖；

圖8是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的另一種可選的飛行器的系統(tǒng)的根軌跡和波特圖；

圖9是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的PID控制器系統(tǒng)框圖；

圖10是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)框圖；

圖11是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的基于狀態(tài)反饋與PID相結(jié)合的縱向運(yùn)動(dòng)控制框圖；

圖12是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的平飛時(shí)橫向?qū)o定偏航角的閉環(huán)響應(yīng)曲線的示意圖；

圖13是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的基于狀態(tài)反饋的飛艇縱向響應(yīng)曲線和控制輸入的示意圖；

圖14是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的飛艇縱向運(yùn)動(dòng)對(duì)給定航速的響應(yīng)曲線和控制輸入曲線的示意圖；

圖15是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的飛艇縱向運(yùn)動(dòng)對(duì)給定俯仰角的響應(yīng)曲線和控制輸入曲線的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實(shí)用新型方案，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)用新型的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)及上述附圖中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類(lèi)似的對(duì)象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本實(shí)用新型的實(shí)施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤?。此外，術(shù)語(yǔ)“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列單元的系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些單元，而是可包括沒(méi)有清楚地列出的或?qū)τ谶@些產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它單元。

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，該裝置包括：

采集裝置11，用于采集飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其中，運(yùn)動(dòng)參數(shù)用于記錄飛行器的飛行狀態(tài)；

第一控制器13，與采集裝置連接，用于基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)；

第二控制器15，與采集裝置連接，用于基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第二反饋信號(hào)；

執(zhí)行機(jī)構(gòu)17，與第一控制器13連接，用于在第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)的觸發(fā)下調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)。

通過(guò)上述實(shí)施例，可以利用采集裝置11采集飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，該運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以是用于記錄飛行器飛行狀態(tài)的參數(shù)，在采集到運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，可以將運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)送到第一控制器13和第二控制器15中，第一控制器13可以基于該運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)，第二控制器15可以基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第二反饋信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)15可以在該第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)的觸發(fā)下調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)。在該實(shí)施例中，可以利用采集到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)，從而根據(jù)兩個(gè)反饋信號(hào)做出調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)，不是直接控制飛行器的飛行狀態(tài)，本實(shí)用新型實(shí)施例解決了無(wú)法準(zhǔn)確控制飛行狀態(tài)的技術(shù)問(wèn)題。

可選的，上述實(shí)施例可以應(yīng)用于飛行器中，例如，飛艇。

其中，在采集裝置中，其可以用于采集飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其中，運(yùn)動(dòng)參數(shù)用于記錄飛行器的飛行狀態(tài)。該運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以包括飛行速度、飛行角度、飛行高度等信息，對(duì)于運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其可以是采集裝置實(shí)時(shí)采集到的參數(shù)，也可以每間隔一個(gè)固定的時(shí)間段進(jìn)行一次采集，并將采集到的信息存儲(chǔ)起來(lái)?？蛇x的，可以在采集裝置與第一控制器之間預(yù)先建立連接關(guān)系，采集裝置可以將采集到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)的發(fā)送到第一控制器中。

另一種可選的實(shí)施方式，可以在采集裝置與第二控制器之間預(yù)先建立連接關(guān)系，采集裝置可以將采集到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)的發(fā)送到第二控制器中。

另一種可選的實(shí)施方式，對(duì)于第一控制器，其可以與采集裝置連接，該第一控制器可以用于基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第一反饋信號(hào)。第一控制器可以在接收到采集裝置采集到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，可以將運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的各個(gè)數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作對(duì)比，分析出當(dāng)前飛行狀態(tài)是否出現(xiàn)異常。其中，預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以是存儲(chǔ)的基本數(shù)據(jù)，該基本數(shù)據(jù)可以是限定飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，例如，設(shè)定飛行器的飛行高度不得距離地面超出3萬(wàn)米；預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也可以是采集裝置上一次采集到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，第一控制器可以根據(jù)本次接收到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與上次運(yùn)動(dòng)參數(shù)作對(duì)比，分析出飛行器的飛行狀態(tài)是否發(fā)生異常，例如，通過(guò)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)飛行器的飛行速度較上次的飛行速度大大降低，即可以判斷飛行器飛行出現(xiàn)異常。對(duì)于第二控制器，可以接收采集裝置采集的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并根據(jù)該運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成第二反饋信號(hào)。

對(duì)于上述實(shí)施例的第一反饋信號(hào)或者第二反饋信號(hào)，其可以是用于調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)的指令或信息，該反饋信號(hào)可以包括向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)整飛行器飛行狀態(tài)，以及飛行器調(diào)整的大小，例如，在發(fā)現(xiàn)飛行器飛行速度過(guò)快后，可以向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出將飛行器的速度降低，以及降低到多少的指令。

可選的，對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其可以與第一控制器連接，用于在第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)的觸發(fā)下調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)。

優(yōu)選的，第一控制器可以包括：PID控制電路。其中，PID控制可以使用簡(jiǎn)單的單片機(jī)處理，并使用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)PID。

另一種可選的實(shí)施方式，PID控制電路可以包括：比較器，與采集裝置連接，用于比較運(yùn)動(dòng)參數(shù)與預(yù)定參數(shù)的差異；信號(hào)生成器，與比較器連接，用于基于差異生成第一反饋信號(hào)。其中，對(duì)于比較器，其可以接收采集裝置采集的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并將運(yùn)動(dòng)參數(shù)與預(yù)先存儲(chǔ)的預(yù)定參數(shù)作比較，預(yù)定參數(shù)可以是飛行器飛行過(guò)程中的正?；驑?biāo)準(zhǔn)參數(shù)，該參數(shù)可以是一組固定的數(shù)值，用于和檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)做參考；也可以是閾值，可以規(guī)定飛行器的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)不要超過(guò)其對(duì)應(yīng)的各個(gè)閾值。對(duì)于信號(hào)生成器，其可以是生成反饋指令的裝置。

可選的，PID控制電路還可以包括：橫向系統(tǒng)PID控制電路和縱向系統(tǒng)PID控制電路。

另一種可選的實(shí)施方式，第二控制器包括：乘法器，與采集裝置連接，用于將運(yùn)動(dòng)參數(shù)的值與增益參數(shù)的乘積作為第二反饋信號(hào)。該增益參數(shù)可以是使得飛行器系統(tǒng)更加穩(wěn)定的反饋增益參數(shù)。其中，第二反饋信號(hào)可以為狀態(tài)反饋，根據(jù)采集裝置采集到的飛行器飛行狀態(tài)參數(shù)，從而和第一反饋信號(hào)結(jié)合得到飛行器準(zhǔn)確的飛行參數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前飛行參數(shù)和正常飛行參數(shù)做比較，得到是否應(yīng)該調(diào)整飛行器的飛行狀態(tài)的參數(shù)。

可選的，狀態(tài)反饋可以是根據(jù)第二控制器得到的，上述實(shí)施例的狀態(tài)反饋控制可以用一個(gè)公式表示，例如，表示為u＝kx，其中，x是狀態(tài)反饋控制器的(即第二控制器)輸入變量，u為狀態(tài)反饋控制器的輸出變量(即第二反饋信號(hào))，k為增益參數(shù)。通過(guò)該公式，可以得到一個(gè)反饋信號(hào)，從而和第一控制信號(hào)結(jié)合得到較為準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以包括：執(zhí)行器，與第一控制器連接，用于基于第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)；被控設(shè)備，與執(zhí)行器連接，用于在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下動(dòng)作。其中，對(duì)于執(zhí)行器，其可以是根據(jù)該第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)的內(nèi)容做相應(yīng)的動(dòng)作，例如，反饋信號(hào)中，有調(diào)整飛行的飛行速度，執(zhí)行器可以根據(jù)第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以包括調(diào)整飛行速度以及調(diào)整的飛行速度的參數(shù)變化，并將生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到被控設(shè)備中，以讓被控設(shè)備做出相應(yīng)的改變。

可選的，被控設(shè)備可以包括：推力機(jī)構(gòu)、升降舵和方向舵。其中，對(duì)于被控設(shè)備的各個(gè)控件，其可以是根據(jù)執(zhí)行器生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，各個(gè)控件做出對(duì)應(yīng)的改變，例如，利用推力機(jī)構(gòu)做加速推動(dòng)或減速，升降舵可以升高飛行器的高度或降低飛行器的高度；對(duì)于方向舵，其可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的方向信息改變飛行器的飛行方向。

另一種可選的實(shí)施方式，采集裝置可以包括：傳感器，設(shè)置在飛行器上。

優(yōu)選的，傳感器可以包括：速度傳感器，用于采集飛行器的飛行速度；傾角傳感器，用于采集飛行器的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角。

對(duì)于上述實(shí)施例，第一控制器可以與采集裝置電連接，第一控制器中可以設(shè)置有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以將采集的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的數(shù)字信息，以發(fā)送到第一控制器中。

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的控制裝置的地面坐標(biāo)示意圖，如圖2所示，

在地面坐標(biāo)系(O_gX_gY_gZ_g，記為S_g)中，地面坐標(biāo)系是確定飛艇體積中心在空間位置和艇體在空間姿態(tài)的參考基準(zhǔn)；它的原點(diǎn)O_g在地面中的某一點(diǎn)(通常為飛艇的起飛點(diǎn))。O_gX_g軸位于地平面，可以指向飛行航線；O_gY_g軸也在地平面內(nèi),且垂直于O_gX_g軸指向右方；O_gZ_g軸垂直地面指向地心。如圖2所示，在分析飛艇在地面附近，以相對(duì)地面的速度運(yùn)動(dòng)參數(shù)，此時(shí)可以認(rèn)為該地面坐標(biāo)系就是慣性坐標(biāo)系。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種可選的飛行器的控制裝置的艇體坐標(biāo)系的示意圖，如圖3所示，

艇體坐標(biāo)系可以為O_BX_BY_BZ_B，記為S_b，該坐標(biāo)系與飛行器連接。原點(diǎn)O_B在飛艇的體積中心上，縱向軸X_B與氣囊的對(duì)稱(chēng)軸一致，其可以指向前的方向；反向軸Z_B在飛艇的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，垂直于縱軸X_B，指向下；橫向軸Y_B由右手法則確定。根據(jù)圖2和圖3所示的坐標(biāo)系，飛行器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以如下所示：

p＝[x,y,z]^T為機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)在地面坐標(biāo)系O_gX_gY_gZ_g的位置矢量，Θ＝[φ,θ,ψ]^T為機(jī)體坐標(biāo)系O_BX_BY_BZ_B相對(duì)于地面坐標(biāo)系的姿態(tài)角，其中：

滾轉(zhuǎn)角φ：為Z_B軸與通過(guò)X_B軸的鉛垂面間夾角，向右滾轉(zhuǎn)為正；

俯仰角θ：為X_B軸與地面坐標(biāo)系O_gX_gY_gZ_g的O_gX_gY_g平面間夾角，抬頭為正；

偏航角ψ：為X_B軸在地面坐標(biāo)系O_gX_gY_gZ_g的O_gX_gY_g平面的投影與X_g的夾角，投影正方向在X_g右方為正；

飛行速度V＝[u,v,w]^T為機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)地面坐標(biāo)系的速度在機(jī)體系中的矢量表示，其中：

前向速度u：為沿X_B軸的速度分量；

側(cè)向速度v：為沿Y_B軸的速度分量；

垂向速度w：為沿Z_B軸的速度分量。

飛行角速度ω＝[p,q,r]^T為機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)于地面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度矢量在機(jī)體坐標(biāo)系中的表示，其中：

滾轉(zhuǎn)角速度p：為沿X_B軸的角速度分量，

俯仰角速度q：為沿Y_B軸的角速度分量，

偏航角速度r：為沿Z_B軸的角速度分量。

飛艇的操縱變量包含3個(gè)，分別是螺旋槳的推力T，方向舵δ_r以及升降舵δ_e。

圖4(a)是飛艇的下視圖，圖4(b)是飛艇的左視圖，如圖4(a)所示，該飛艇包括方向舵41，從圖4(b)中可以看出飛艇包括升降舵43、推力42，可以看出飛艇的3個(gè)操縱量的位置。

飛艇的運(yùn)動(dòng)包括橫側(cè)向和縱向，橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)的參數(shù)變量有側(cè)向速度v，滾轉(zhuǎn)角速度p，偏航角速度r，滾轉(zhuǎn)角φ，偏航角ψ，主要由方向舵δ_r控制，進(jìn)行水平面上的運(yùn)動(dòng)；縱向運(yùn)動(dòng)的參數(shù)變量有前向速度u，垂向速度w，俯仰角速度q，俯仰角θ，此方向運(yùn)動(dòng)會(huì)受推力T和升降舵δ_e的影響，進(jìn)行垂向和前向的運(yùn)動(dòng)。

飛艇的橫側(cè)向和縱向可以解耦，通過(guò)建模得到的橫側(cè)向小擾動(dòng)線性運(yùn)動(dòng)方程為：

計(jì)算偏航角ψ與方向舵角δ_r之間的傳遞函數(shù)：

G₁(s)的零點(diǎn)值為：-0.05529，-0.017295+1.50954i,-0.017295-1.50954i,極點(diǎn)為：0,-0.07125+1.56873i,-0.07125-1.56873i,-0.02762+0.15671i,-0.02762-0.15671i。由于系統(tǒng)的零點(diǎn)都在左半平面，極點(diǎn)除了一個(gè)零極點(diǎn)外也均在左半平面。圖5是系統(tǒng)G₁(s)的根軌跡圖和波特圖，如圖5中的左邊所示，其是根軌跡圖，如圖5中的右邊所示，其是波特圖。

對(duì)橫側(cè)向系統(tǒng)可以加入PID控制器，控制器選取為

圖6是加入PID控制器后系統(tǒng)的根軌跡和波特圖，如圖6所示，可以看出系統(tǒng)加入PID控制器(即上述的第一控制器)后，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其中，圖9是PID控制系統(tǒng)框圖，如圖9所示，其中預(yù)定數(shù)值91是可以預(yù)先在處理器中設(shè)置的參數(shù)，用于和檢測(cè)到的飛行數(shù)據(jù)做比較，對(duì)于PID控制器93，其可以用于根據(jù)預(yù)定數(shù)值91和檢測(cè)到數(shù)據(jù)生成控制指令，該控制指令可以用來(lái)控制執(zhí)行器95和被控對(duì)象97做相應(yīng)的動(dòng)作，在執(zhí)行器95和被控對(duì)象97根據(jù)控制指令做出改變后，可以將重新改變的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器99發(fā)送到控制系統(tǒng)中。橫側(cè)向只需用簡(jiǎn)單的PID控制器就可以達(dá)到良好的控制品質(zhì)，對(duì)橫側(cè)向系統(tǒng)加入PID控制器后的仿真結(jié)果如圖12所示。

飛艇的縱向小擾動(dòng)線性運(yùn)動(dòng)方程為：

由于縱向各狀態(tài)量交聯(lián)顯著，升降舵δ_e、螺旋槳推力T對(duì)狀態(tài)量都有影響。其中，對(duì)應(yīng)的控制通道是：俯仰角θ到升降舵δ_e通道，俯仰角θ的偏差通過(guò)控制升降舵δ_e進(jìn)行消除；航速u(mài)到螺旋槳推力T通道，航速u(mài)的偏差通過(guò)控制螺旋槳推力T消除。

計(jì)算出俯仰角θ與升降舵δ_e之間的傳遞函數(shù)：

以及航速u(mài)與推力T之間的傳遞函數(shù)：

圖7是系統(tǒng)G₂(s)根軌跡和波特圖，圖8是系統(tǒng)G₃(s)的根軌跡和波特圖。從圖7和圖8的根軌跡可以看出，G₂(s)和G₃(s)都有兩個(gè)極點(diǎn)處于右半平面，即實(shí)部大于0，G₂(s)有兩個(gè)零點(diǎn)處于右半平面，G₃(s)有一個(gè)零點(diǎn)處于右半平面。因此直接采用PID控制很難使系統(tǒng)的所有極點(diǎn)都位于左半平面，甚至并不能使系統(tǒng)的所有極點(diǎn)都位于左半平面，因此用PID控制的參數(shù)將難以整定甚至找不到合適的參數(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定。

為了解決以上的問(wèn)題，考慮系統(tǒng)的可控性，可以采用基于狀態(tài)反饋與PID結(jié)合的控制方法。其中，縱向小擾動(dòng)線性運(yùn)動(dòng)方程的可控性矩陣：

其中，如式(2)所示，通過(guò)計(jì)算可知，可控性矩陣的秩為4，與縱向系統(tǒng)的階次相等，這時(shí)系統(tǒng)完全可控?？蛇x地，采用設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制律進(jìn)行控制，其中，狀態(tài)反饋控制律的形式可以為u＝kx，其中x是狀態(tài)反饋控制器的輸入變量，u為狀態(tài)反饋控制器的輸出變量，k為使系統(tǒng)穩(wěn)定的反饋增益矩陣。加入狀態(tài)反饋控制律的控制系統(tǒng)框圖，如圖10所示，在上述的控制系統(tǒng)中加入狀態(tài)反饋101，系統(tǒng)中的處理器可以將狀態(tài)反饋101發(fā)送到執(zhí)行器95中，其中，狀態(tài)反饋101可以是根據(jù)飛行器的飛行狀態(tài)生成的反饋信息。對(duì)于式(2)描述的縱向系統(tǒng)，加入狀態(tài)反饋控制律后的仿真結(jié)果圖如圖13所示，圖中可以看出，狀態(tài)反饋控制率會(huì)使系統(tǒng)有余差。但是狀態(tài)反饋101能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而PID控制器中由于有積分環(huán)節(jié)的存在，可以消除系統(tǒng)余差，因此考慮基于狀態(tài)反饋與PID結(jié)合的控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制方式可以如圖11所示，在圖11中結(jié)合了PID控制器93和狀態(tài)反饋101對(duì)控制系統(tǒng)做更穩(wěn)定的控制。對(duì)縱向系統(tǒng)加入基于狀態(tài)反饋與PID結(jié)合的控制方法后的仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。本實(shí)用新型采用基于狀態(tài)反饋與PID結(jié)合的控制方法，可以得到良好的控制性能。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的另一方面，還提供了一種飛行器的控制系統(tǒng)，包括：上述實(shí)施例中任意一項(xiàng)的飛行器的控制裝置。

上述本實(shí)用新型實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

在本實(shí)用新型的上述實(shí)施例中，對(duì)各個(gè)實(shí)施例的描述都各有側(cè)重，某個(gè)實(shí)施例中沒(méi)有詳述的部分，可以參見(jiàn)其他實(shí)施例的相關(guān)描述。

在本申請(qǐng)所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的技術(shù)內(nèi)容，可通過(guò)其它的方式實(shí)現(xiàn)。其中，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如所述單元的劃分，可以為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。

所述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是或者也可以不是物理上分開(kāi)的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以?xún)蓚€(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。上述集成的單元可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。