53、混合飞艇侧风稳定的混合模型预测控制

混合飞艇侧风稳定的混合模型预测控制

1. 研究背景与目标

在地面操作时，侧风会对混合飞艇造成很大影响，严重时甚至导致飞艇倾翻。本文旨在设计并实现一种自动阵风对抗系统（CGS），通过基于惯性测量单元（IMU）数据估计飞艇姿态和当前风干扰，控制安装在机翼尖端的推进器来抵消干扰影响，从而在风干扰下稳定混合飞艇，扩展安全操作条件范围。该CGS控制器需计算最优控制输入，能自主运行无需飞行员干预，在机载硬件上高效计算，且能灵活适应未来混合飞艇设计。

目前，固定翼飞机在风干扰下滑行时由飞行员手动操作控制面；混合飞艇虽有类似洛克希德·马丁公司的气垫着陆系统等风稳定系统，但仅适用于静止状态。而小型无人机的飞行中风稳定较为常见，本文采用类似方法，但重点是地面操作时的风稳定。

由于常见的混合模型预测控制（HMPC）方法计算复杂度高或缺乏灵活性，且难以准确预测风干扰，因此本文提出了一种定制的HMPC方案。

2. 技术方法

2.1 物理设置

本文在一架翼展4米的无人混合飞艇上设计、实现并评估CGS。飞艇主体由充气机翼外壳和两个充气浮筒组成，三轮起落架包含三个轮子，其中两个安装在浮筒上，一个安装在与机翼外壳相连的机身上。CGS由传感器、处理器和推进器组成，为最大化控制权限，推进器安装在机翼尖端。

2.2 混合系统模型

根据飞艇运行状态，可将其动力学分为三种不同模式，因此将系统建模为混合动态系统。由于地面操作时偏航运动由飞行员手动控制，假设其为零且不包含在飞艇状态中。飞艇状态包括滚转和俯仰角度及其角速度，状态向量表示为 (x = \begin{bmatrix} ^1\alpha_x & ^1