一种基于风帆助航的双浮空器系统及其区域驻留控制策略

1.本发明属于探空技术领域，具体为一种基于风帆助航的双浮空器系统及其区域驻留控制策略。


背景技术：

2.在距离地面20～100公里的空域被称为临近空间，这一空域空气比较稀薄，不受国界限制，具有较大的开发价值。临近空间气球依靠浮力平衡重力，实现在大气中悬浮。由于其相对于大型飞艇具有更低的放飞成本、对放飞条件要求更低、更好的机动性、适用于批量生产，受到各领域广泛关注。
3.平流层飞艇是一种具有可控飞行的临近空间低动态飞行器，利用太阳能电池、储能电池组成的循环能源，由电机驱动螺旋桨提供动力，可携带任务载荷在一定区域实现长期稳定驻留和可控飞行。由于其驻空采取抗风策略，即用螺旋桨动力克服风场对定点飞行的影响，平流层飞艇对能源、推进和控制系统提出了极高要求，很大程度上限制了其发展和应用。
4.准零风层为平流层中下层东西向风速接近0的高度层，本质上是平流层中下层东西风的转换，现有的浮空器可根据平流层这一风场特性，通过调节自身高度来控制在东西方向的受力情况，进而实现东西向的区域驻空，然而平流层的南北向不存在准零风层，无法通过调节浮空器高度来实现南北向的区域驻空。
5.关于区域驻留的浮空器结构和控制策略方面，目前公开的专利有：
6.cn 110244754 b提出了一种用于平流层浮空器定点驻空的控制系统及方法，通过pid跟踪算法，控制矢量推力符合模块，抵抗风场作用，实现定点驻空。但这一策略，仍依赖于主动推进系统，对能源、推进和控制系统提出了极高要求，影响其在浮空器领域的应用。
7.cn 108408018 b提出了一种适用于临近空间的浮空器及其调控方法，该方法创新性的提了出一种动力球和平衡球的嵌套结构，平衡球的浮力小于载荷舱的重力，而动力球和平衡球的浮力之和大于浮空装置整体重力，在放飞之后的一定高度，动力球发生爆炸，装置整体受到向下合力，装置速度渐变，直到到达目标高度，控制配重舱舱门打开卸载，使得平衡球的福浮力等于装置整体重力，实现垂直方向的受力平衡，实现垂直方向的高空驻留。但这一方法只解决了高度方向的驻留，并未提出东西向和南北向驻留的解决办法。
8.cn 112896483 a提出了一种基于机械压缩式变体积控高的浮空器及其定高方法，该方法创新性的提出了安装在浮力球内部的机械结构用以调整浮力球体积进而改变浮空器整体浮力，实现浮空器在风场中的高度调整，调节了浮空器在风场中东西向的受力，解决了东西向的区域驻空问题。但这一方法并未解决南北向的区域驻空问题。
9.cn 113371174 a提出了一种基于风帆助航的区域驻留浮空系统，该方法创造性地提出了一种双浮力球的浮空系统结构，理论上解决了浮器在平流层的南北方向上进行驻留的问题。其原理为：通过转动第一帆板和第二帆板之间的舵机，使得第二帆板与风场来流产生一个夹角，进而产生南北向的气动力抵消其在南北风作用下的偏移，但在实际应用中，由
于连接绳本身的柔性特性，第二帆板在风场中产生的气动力会带动柔性连接绳一起转动，导致第二帆板难以和风场来流形成理想的夹角，进而难以形成理想的气动力，阻碍了其实际应用。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种充分利用风场结合风帆助航的双浮空器系统及其区域驻留控制策略，解决无动力浮空器的区域/定点驻空问题。
11.本发明提供的这种基于风帆助航的双浮空器系统，采用以下技术方案：包括通过牵引绳连接的上浮力球和下浮空艇；下浮空艇的囊体尾部设置有垂直尾翼，囊体的正上方和正下方对称设置有可引起伯努利效应的安定面，囊体外连接有能源舱，能源舱内设置有调节装置实现牵引绳的收放；囊体的左右两侧安装太阳能板给调节装置供电，囊体内置有副气囊；上浮力球和下浮空艇的囊体内均充有定量的浮升气体，副气囊设置进气口和放气口，进气口处安装压气机以给副气囊补充空气，打开放气口为副气囊释放空气；下浮空艇的囊体下侧悬有吊荷载舱。
12.上述系统的一种实施方式中，所述上浮力球的下侧设置有用于固定牵引绳上端的法兰盘。
13.上述系统的一种实施方式中，所述安定面为两片对称型的充气翼面。
14.上述系统的一种实施方式中，所述垂直尾翼为两片全动尾翼，通过转轴与下浮空艇的囊体连接，下浮空艇的囊体上安装有舵机，舵机通过连接杆与垂直尾翼连接，使垂直尾翼在舵机的牵引下绕转轴旋转。
15.上述系统的一种实施方式中，所述调节装置包括依次连接的蓄电池组、电机、减速机和卷筒，蓄电池组供电使电机的输出轴驱动减速机，减速机的输出轴驱动卷筒转动。
16.上述系统的一种实施方式中，所述能源舱外设置有限位筒，限位筒的内壁设置有橡胶垫层，所述牵引绳的下端穿过限位筒进入能源舱内固定于所述卷筒上。
17.上述系统的一种实施方式中，所述下浮空艇的囊体下侧设置有吊扣，通过吊扣和连接绳悬吊所述荷载舱。
18.本发明提供的上述系统的驻留控制策略，当系统处于目标区域内时，执行风场作用抵消策略，当系统飘出目标区域时，执行位置修正策略，位置修正策略包括东西向偏移修正和同时进行东西向和南北向的偏移修正。
19.上述控制策略中，所述风场作用抵消策略包括以下步骤：
20.(1)通过卫星获得实时风场数据，根据不同高度的风速和风向数值计算上浮力球和下浮空艇受合力最小的高度，并设置为目标高度；
21.(2)启动调节装置和副气囊上的压气机，联动调节上浮力球和下浮空艇的高度到达目标高度，此时，系统整体受力最小，实现系统在目标区域的驻留。
22.上述控制策略中，进行东西向偏移修正策略包括以下步骤：
23.(1)通过卫星获取实时风场数据，根据不同高度的风速和风向数值计算上浮力球和下浮空艇受合力在向西的分量最大的高度，并设置为目标高度；
24.(2)启动调节机构和副气囊的压气机，联动调节上浮力球和下浮空艇的高度到达目标高度，此时系统整体受合力向西分量最大，在合力的作用下使系统回到目标区域；
25.同时进行东西向和南北向的偏移修正包括以下步骤：
26.(1)通过卫星获取实时风场数据，选择系统受到合力方向与当前偏移方向夹角最大的高度并设置为目标高度，启动调节装置和副气囊的压气机，联动调节双上浮力球和下浮空艇的高度，使下浮空艇到达目标高度，系统受到风场北向风量的气动力fs，在气动力fs的作用下，系统继续向南偏移，启动舵机牵引垂直尾翼绕轴转动β2
°
，垂直尾翼在西风作用下产生气动力f3，形成力矩作用，使下浮空艇绕限位筒转动，与西风来流产生攻角β1，此时，安定面在风场西向分量作用下产生气动力f1，浮空艇囊在西风作用下产生气动力f2，f1、f2、f3合成气动合力f合，在f合与fs夹角最小，在气动力fs和fn共同作用下双浮空器系统回到目标区域。
27.本发明设计了可收放的牵引绳连接浮力球和浮空艇模型的双浮空器系统，利用浮力球和浮空艇各自的气动特性来调节双浮空器系统的整体受力，有效控制了双浮空器平台南北向漂移，实现了特定空域的长时间区域驻留；设计了独特的基于风帆助航原理的浮空艇，包含两个可以引起伯努利效应的安定面，以及尾部调整浮空艇姿态的垂直尾翼；采用基于副气囊充放气及牵引绳伸缩的双重高度调节机制，并结合艇身安定面，主动利用双浮空器的气动力抵消南北风向作用力，实现驻留位置修正，使浮空器回到目标区域。简言之，本发明充分利用风场，结合独特的风帆助航创意，解决了无动力浮空器区域/定点驻空问题，从而解决了浮空器长时间对地侦察监视、区域通信中继等应用需求的关键问题。
附图说明
28.图1为本发明一个实施例的结构示意图。
29.图2(a)为本实施例在目标区域内驻留的状态示意图。
30.图2(b)为本实施例的东西向偏移修正过程示意图。
31.图3(a)为本实施例在风场作用下的状态示意图。
32.图3(b)为本实施例在风场作用下的位置修正受力示意图。
33.图4(a)为本实施例中改变副气囊中空气量时系统的高度变化示意图。
34.图4(b)为本实施例中系统总质量保持不变改变连接绳长度时系统的高度变化示意图。
具体实施方式
35.如图1所示，本实施例公开的这种基于风帆助航的双浮空器系统，主要包括上浮力球1、牵引绳2、下浮空艇3和荷载舱4。
36.上浮力球1包括球囊和其下侧的法兰盘，球囊内部填充浮升气体，法兰盘用于固定牵引绳2的上端。
37.牵引绳2的长度为4-8千米。
38.浮空艇3包括能源舱31、囊体32、安定面33、垂直尾翼34。
39.囊体32内填充有浮升气体，内置有副气囊。
40.能源舱31连接于囊体32外，能源舱31内置用于收放牵引绳的调节装置。
41.调节装置包括蓄电池组、电机、减速机和卷筒，蓄电池组作为电机的驱动电源，电机输出轴和减速机的输入轴之间通过刚性联轴器，卷筒安装于减速机的输出轴上。电机驱
动减速机，减速机驱动卷筒转动。
42.囊体32的左右两侧安装太阳能电板，太阳能电板通过导线与调节装置的蓄电池组连接供电。
43.能源舱31外设置有限位筒，限位筒内设置橡胶垫层。牵引绳2的下端穿过限位筒进入能源舱后固定于卷筒上。通过卷筒的正反转实现牵引绳2的收放，从而调节上浮力球1和下浮空艇3的相对高度。
44.安定面33为两片对称型充气翼面，分别在囊体32的正上方和正下方固定连接，垂直尾翼34为两片全动尾翼，通过转动轴与囊体32连接，囊体32上安装有舵机，舵机设有连接杆，通过连接杆与垂直尾翼连接，垂直尾翼可以在舵机的牵引下绕转动轴旋转。
45.副气囊上有进气口和放气口，进气口处安装压气机，启动副气囊上安装的压气机可以为副气囊填充空气，增加系统整体质量，进而导致双浮空器系统整体的上升；打开放气口释放空气，减少系统整体质量，进而导致双浮空器系统整体的下降，如图4(a)所示。即通过给副气囊充放气来调节双浮空器系统整体重量实现调节系统整体高度的目的。
46.当系统总质量不变时，调节牵引绳长度时系统质心高度不变，利用这个原理，放长牵引绳可以同时实现1上浮力球高度的上升和3下浮空艇的下降，收短牵引绳可以同时实现1上浮力球高度的下降和3下浮空艇的上升，如图4(b)所示。
47.通过系统整体质量调节和牵引绳长度调节的联动控制可以实现一定范围内上浮力球和下浮空艇各自高度的任意调节，进而到达任意目标高度。
48.载荷舱4通过连接绳与囊体32上的吊扣连接，如图1所示。
49.双浮空器系统的功能主要为携带科学载荷完成区域驻留任务，如图2(a)和图2(b)所示，圆形区域为目标驻留区域，当双浮空器系统处于目标驻留区域内，执行风场作用抵消策略；当双浮空器系统飘出区域则执行位置修正策略。
50.(1)风场作用抵消策略
51.如图2(a)所示，双浮空器系统处于目标区域内，此时执行风场作用抵消策略，具体实施为：通过卫星获得实时风场数据，根据不同高度的风速和风向数值计算上浮力球1和下浮空艇3受合力最小的高度，并设置为目标高度，启动能源舱31内的调节装置和副气囊的压气机，联动调节双浮空器系统中上浮力球1和下浮空艇3的高度，到达目标高度，此时系统整体受力最小，实现在目标区域的驻留。
52.(2)位置修正策略
53.上述风场作用抵消策略可以有效减缓双浮空器系统的偏移，但在实际应用中，浮空器受到的合力不可能为零，随着时间的推移，浮空器会在风场的作用下会不断进行位置偏移的累加，需采用位置修正策略来消除这个偏移，进而实现双浮空器系统在目标区域的持续驻留。当双浮空器系统离开目标区域后开始执行位置修正策略，具体如下：
54.当双浮空器系统在风场的持续作用下发生东西向偏移，如图2(b)所示，系统在风场的持续作用下从初始位置m0点偏移至m1点，此时向东偏移为主要偏移，所以牺牲南北向偏移来修正东西向偏移，具体实施为：通过卫星获取实时风场数据，根据不同高度的风速和风向数值计算上浮力球和下浮空艇受合力在向西的分力最大的高度，并设置为目标高度，启动能源舱的牵引绳调节机构和副气囊的压气机，联动调节双浮空器系统中上浮力球和下浮空艇的高度，到达目标高度，此时系统整体向西分力最大，在合力的作用下双浮空器系统
回到目标区域。
55.当双浮空器系统在风场的持续作用下继续位移至m2点，此时位移为西南向位移，需要同时修正东西向和南北向的位移，具体实施为：通过卫星获取实时风场数据，选择系统受到合力方向与当前偏移方向夹角最大的高度并设置为目标高度，启动能源舱的牵引绳调节机构和副气囊的压气机，联动调节双浮空器系统中上浮力球和下浮空艇的高度，使下浮空艇到达目标高度，此时系统的受力如图3(a)和(b)所示，系统受到风场北向分量的气动力fs，在气动力fs的作用下，系统继续向南偏移，启动舵机牵引垂直尾翼绕轴转动β2
°
，垂直尾翼在西风作用下产生气动力f3，形成力矩作用，使得下浮空艇绕限位器转动，与西风来流产生攻角β1，此时，安定面在风场西向分量作用下产生气动力f1，浮空艇囊在西风作用下产生气动力f2，f1、f2、f3合成气动合力f合，在f合与fs夹角最小，在气动力fs和fn共同作用下双浮空器系统到达m2点，回到目标区域。
56.总结来说，本发明设计了可收放的牵引绳连接浮力球和浮空艇模型的双浮空器系统，利用浮力球和浮空艇各自的气动特性来调节双浮空器系统的整体受力，有效控制了双浮空器平台南北向漂移，实现了特定空域的长时间区域驻留；设计了独特的基于风帆助航原理的浮空艇，包含两个可以引起伯努利效应的安定面，以及尾部调整浮空艇姿态的垂直尾翼；采用基于副气囊充放气及牵引绳伸缩的双重高度调节机制，并结合艇身安定面，主动利用双浮空器的气动力抵消南北风向作用力，实现驻留位置修正，使浮空器回到目标区域。简言之，本发明充分利用风场，结合独特的风帆助航创意，解决了无动力浮空器区域/定点驻空问题，从而解决了浮空器长时间对地侦察监视、区域通信中继等应用需求的关键。

技术特征：
1.一种基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：该系统包括通过牵引绳连接的上浮力球和下浮空艇；下浮空艇的囊体尾部设置有垂直尾翼，囊体的正上方和正下方对称设置有可引起伯努利效应的安定面，囊体外连接有能源舱，能源舱内设置有调节装置实现牵引绳的收放；囊体的左右两侧安装太阳能板给调节装置供电，囊体内置有副气囊；上浮力球和下浮空艇的囊体内均充有定量的浮升气体，副气囊设置进气口和放气口，进气口处安装压气机以给副气囊补充空气，打开放气口为副气囊释放空气；下浮空艇的囊体下侧悬有吊荷载舱。2.如权利要求1所述的基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：所述上浮力球的下侧设置有用于固定牵引绳上端的法兰盘。3.如权利要求1所述的基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：所述安定面为两片对称型的充气翼面。4.如权利要求1所述的基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：所述垂直尾翼为两片全动尾翼，通过转轴与下浮空艇的囊体连接，下浮空艇的囊体上安装有舵机，舵机通过连接杆与垂直尾翼连接，使垂直尾翼在舵机的牵引下绕转轴旋转。5.如权利要求1所述的基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：所述调节装置包括依次连接的蓄电池组、电机、减速机和卷筒，蓄电池组供电使电机的输出轴驱动减速机，减速机的输出轴驱动卷筒转动。6.如权利要求5所述的基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：所述能源舱外设置有限位筒，限位筒的内壁设置有橡胶垫层，所述牵引绳的下端穿过限位筒进入能源舱内固定于所述卷筒上。7.如权利要求1所述的基于风帆助航的双浮空器系统，其特征在于：所述下浮空艇的囊体下侧设置有吊扣，通过吊扣和连接绳悬吊所述荷载舱。8.一种权利要求1-7之一所述系统的驻留控制策略，其特征在于：当系统处于目标区域内时，执行风场作用抵消策略，当系统飘出目标区域时，执行位置修正策略，位置修正策略包括东西向偏移修正和同时进行东西向和南北向的偏移修正。9.如权利要求8所述的控制策略，其特征在于所述风场作用抵消策略包括以下步骤：(1)通过卫星获得实时风场数据，根据不同高度的风速和风向数值计算上浮力球和下浮空艇受合力最小的高度，并设置为目标高度；(2)启动调节装置和副气囊上的压气机，联动调节上浮力球和下浮空艇的高度到达目标高度，此时，系统整体受力最小，实现系统在目标区域的驻留。10.如权利要求8所述的控制策略，其特征在于，进行东西向偏移修正策略包括以下步骤：(1)通过卫星获取实时风场数据，根据不同高度的风速和风向数值计算上浮力球和下浮空艇受合力在向西的分量最大的高度，并设置为目标高度；(2)启动调节机构和副气囊的压气机，联动调节上浮力球和下浮空艇的高度到达目标高度，此时系统整体受合力向西分量最大，在合力的作用下使系统回到目标区域；同时进行东西向和南北向的偏移修正包括以下步骤：(1)通过卫星获取实时风场数据，选择系统受到合力方向与当前偏移方向夹角最大的
高度并设置为目标高度，启动调节装置和副气囊的压气机，联动调节双上浮力球和下浮空艇的高度，使下浮空艇到达目标高度，系统受到风场北向风量的气动力fs，在气动力fs的作用下，系统继续向南偏移，启动舵机牵引垂直尾翼绕轴转动β2
°
，垂直尾翼在西风作用下产生气动力f3，形成力矩作用，使下浮空艇绕限位筒转动，与西风来流产生攻角β1，此时，安定面在风场西向分量作用下产生气动力f1，浮空艇囊在西风作用下产生气动力f2，f1、f2、f3合成气动合力f合，在f合与fs夹角最小，在气动力fs和fn共同作用下双浮空器系统回到目标区域。

技术总结
本发明公开了一种基于风帆助航的双浮空器系统及其区域驻留控制策略，系统包括通过牵引绳连接的上浮力球和下浮空艇；下浮空艇的囊体尾部设置有垂直尾翼，囊体的正上方和正下方对称设置有可引起伯努利效应的安定面，囊体外连接有能源舱，能源舱内设置有调节装置实现牵引绳的收放；囊体的左右两侧安装太阳能板给调节装置供电，囊体内置有副气囊；上浮力球和浮空艇的囊体内均充有定量的浮升气体，副气囊设置进气口和放气口，进气口处安装压气机以给副气囊补充空气，打开放气口为副气囊释放空气；浮空艇的囊体下侧悬有吊荷载舱。本发明解决了无动力浮空器区域/定点驻空问题，解决了浮空器长时间对地侦察监视、区域通信中继等应用需求的关键问题。求的关键问题。求的关键问题。


技术研发人员：廖俊 张凯 陈铮 麦裕 凌霖雨 陈森林 罗世彬 李珺
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.11.11
技术公布日：2023/4/5