動力傘控制器的構建方法及裝置、動力傘控制方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種動力傘控制器的構建方法及裝置。該方法包括：獲取動力傘的非線性模型，非線性模型包括動力傘的相對運動變量；將非線性模型轉換為線性模型，并基于線性模型確定出單通道控制器的控制器參數以及耦合通道控制器的控制參數，單通道控制器用于控制動力傘的第一能量參數，耦合通道控制器基于第一能量參數控制動力傘的第二能量參數，第一能量參數與第二能量參數具有耦合關系；利用單通道控制器、耦合通道控制器和非線性模型，構建動力傘控制器。如此方案，可以提高本發明構建動力傘控制器的準確性，且有助于緩解動力傘耦合關系給飛行控制帶來的不便，實現對動力傘飛行運動的有效控制。此外，本發明還公開了一種動力傘控制方法及裝置。
【專利說明】
動力傘控制器的構建方法及裝置、動力傘控制方法及裝置
技術領域
[0001]本發明涉及控制領域，具體地，涉及一種動力傘控制器的構建方法及裝置、動力傘 控制方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 動力傘(powered paraglider)是一種帶動力裝置的小型飛行器，具有成本低、載 荷量大、重量輕、軟著陸、低速低空飛行、安全性好等優點，廣泛應用于對地監視、通信中繼、 搜索營救、物質投放等領域。
[0003] 通常，動力傘的飛行運動具有復雜性、不確定性、非線性、時變、大時滯以及大慣性 等特點，飛行過程時刻受到大氣環境的影響。如何實現對動力傘飛行運動的有效控制，是目 前一個亟待解決的問題。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供一種動力傘控制器的構建方法及裝置、動力傘控制方法及裝 置，用以實現對動力傘飛行運動的有效控制。
[0005] 本發明實施例提供了一種動力傘控制器的構建方法，所述方法包括:獲取所述動 力傘的非線性模型，所述非線性模型包括所述動力傘的相對運動變量;將所述非線性模型 轉換為線性模型，并基于所述線性模型確定出單通道控制器的控制器參數以及耦合通道控 制器的控制參數，所述單通道控制器用于控制所述動力傘的第一能量參數，所述耦合通道 控制器基于所述第一能量參數控制所述動力傘的第二能量參數，所述第一能量參數與所述 第二能量參數具有耦合關系；利用所述單通道控制器、所述耦合通道控制器和所述非線性 模型，構建所述動力傘控制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動。
[0006] πΤ-τΦ+4?τ ^l>0 .
[0007]
[0008] 其中，Mb表示負載的質量矩陣;Rb表示動力傘質心到負載質心的距離;Mp表示翼傘 的質量;Mf表示附加質量;Tb表示大地慣性坐標系到負載坐標系的坐標變換矩陣;T p表示大 地慣性坐標系到翼傘坐標系的坐標變換矩陣;Rc=P表示動力傘質心到翼傘質心這一向量的單 位向量;Rcb表示動力傘質心到負載質心這一向量的單位向量;Ib表示負載的轉動慣量;I p表 示翼傘的轉動慣量；If表示附加轉動慣量；wb表示負載的3軸轉動速度；ω p表示翼傘的3軸 轉動速度;V。表示動力傘質心在大地慣性坐標系下的速度;F。表示翼傘和負載之間的懸繩的 受力;FbA表示負載運動時受到的氣動力;Fbc為負載的重力在負載坐標系下的表示;F pA表示 翼傘運動時受到的氣動力;Fpc為翼傘的重力在翼傘坐標系下的表示;Fpt表示油門推進力； MbA表示負載運動時受到的氣動力矩;f( Wb)表示負載轉動時的阻尼項量;MpA表示翼傘運動 時受到的氣動力矩;若V表示一個向量，Vx表示向量V的反對稱陣。
[0009] 可選地，所述第一能量參數為所述動力傘的高度，所述第二能量參數為所述動力 傘的前向速度;或者，所述第一能量參數為所述動力傘的前向速度，所述第二能量參數為所 述動力傘的高度。
[0010] 可選地，所述耦合關系體現為如下能量函數：
[0011] E = al*Vx2+a2*h
[0012I其中，al*Vx2表示動力傘的動能，a2*h表示動力傘的勢能，V x表示動力傘的前向速 度，h表示動力傘的高度，al和a2表示比例系數。
[0013] 可選地，所述方法還包括:基于所述線性模型確定出偏航角控制器的控制器參數， 所述偏航角控制器用于控制所述動力傘的轉向。
[0014] 本發明實施例還提供了一種動力傘控制方法，利用上述方法構建動力傘控制器， 所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動，所述方法包括：當所述動力傘的第一 能量參數與第一預設值不符時，調整所述動力傘控制器的單通道控制器的控制參數，使調 整后第一能量參數與所述第一預設值相符;當所述動力傘的第二能量參數與第二預設值不 符時，基于所述調整后第一能量參數，調整所述動力傘控制器的耦合通道控制器的控制參 數，使調整后第二能量參數與所述第二預設值相符。
[0015] 可選地，所述調整所述動力傘控制器的耦合通道控制器的控制參數，使調整后第 二能量參數與所述第二預設值相符，包括:調整所述耦合通道控制器的控制參數，獲得調整 后第二能量參數;判斷所述調整后第二能量參數是否與所述第二預設值相符，如果不符，則 調整能量函數中的比例系數al和/或a2,再返回執行所述調整所述耦合通道控制器的控制 參數的步驟，直至所述調整后的第二能量參數與所述第二預設值相符為止。
[0016]可選地，所述第一能量參數為高度，所述第一預設值為預設高度;所述第二能量參 數為前向速度，所述第二預設值為預設速度;或者，所述第一能量參數為前向速度，所述第 一預設值為預設速度;所述第二能量參數為高度，所述第二預設值為預設高度。
[0017] 本發明實施例提供了一種動力傘控制器的構建裝置，所述裝置包括:模型獲取模 塊，用于獲取所述動力傘的非線性模型，所述非線性模型包括所述動力傘的相對運動變量； 控制參數確定模塊，用于將所述非線性模型轉換為線性模型，并基于所述線性模型確定出 單通道控制器的控制器參數以及耦合通道控制器的控制參數，所述單通道控制器用于控制 所述動力傘的第一能量參數，所述耦合通道控制器基于所述第一能量參數控制所述動力傘 的第二能量參數，所述第一能量參數與所述第二能量參數具有耦合關系;控制器構建模塊， 用于利用所述單通道控制器、所述耦合通道控制器和所述非線性模型，構建所述動力傘控 制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動。
[0018] 可選地，所述控制參數確定模塊，還用于基于所述線性模型確定出偏航角控制器 的控制器參數，所述偏航角控制器用于控制所述動力傘的轉向。
[0019] 本發明實施例還提供了一種動力傘控制裝置，用于利用動力傘控制器控制所述動 力傘的飛行運動，所述裝置包括:單通道調整模塊，用于在所述動力傘的第一能量參數與第 一預設值不符時，調整所述動力傘控制器的單通道控制器的控制參數，使調整后第一能量 參數與所述第一預設值相符;耦合通道調整模塊，用于在所述動力傘的第二能量參數與第 二預設值不符時，基于所述調整后第一能量參數，調整所述動力傘控制器的耦合通道控制 器的控制參數，使調整后第二能量參數與所述第二預設值相符。
[0020] 可選地，所述耦合通道調整模塊包括:參數調整模塊，用于調整所述耦合通道控制 器的控制參數，獲得調整后第二能量參數;判斷模塊，用于判斷所述參數調整模塊獲得的調 整后第二能量參數是否與所述第二預設值相符；比例系數調整模塊，用于在所述判斷模塊 判定不符時，調整能量函數中的比例系數al和/或a2,并通知所述參數調整模塊繼續調整所 述耦合通道控制器的控制參數，直至所述調整后的第二能量參數與所述第二預設值相符為 止。
[0021] 本發明技術方案中，首先，可以獲取能夠精確描述動力傘動態特性的非線性模型， 該非線性模型充分考慮了動力傘自身存在的相對運動，如此，使得本發明的非線性模型更 貼合于動力傘的實際情況。其中，動力傘自身存在的相對運動至少可以體現為:翼傘的相對 運動變量以及負載的相對運動變量。其次，為了簡化動力傘控制器的構建過程，可以將復雜 的非線性模型轉換為簡單的線性模型，進而基于線性模型構建動力傘控制器。需要說明的 是，本發明還充分考慮了動力傘自身具有的耦合關系，即動力傘的高度和前向速度之間的 耦合關系，所構建的動力傘控制器至少包括:單通道控制器和耦合通道控制器。其中，單通 道控制器可以實現對第一能量參數的單獨控制;耦合通道控制器可以結合能量函數、高度 和前向速度之間的關系，實現對第二能量參數的被動控制。基于如此方案獲得的動力傘控 制器，便可實現對動力傘飛行運動的有效控制。
[0022]本發明的其他特征和優點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【附圖說明】
[0023]附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具 體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：
[0024]圖1是本發明動力傘控制器的構建方法的流程圖；
[0025]圖2是本發明中動力傘對應的坐標系的示意圖；
[0026]圖3是本發明中動力傘控制器的示意圖；
[0027]圖4a是本發明中油門驗證時的動力傘輸入示意圖；
[0028]圖4b是本發明中油門驗證時的動力傘輸出示意圖；
[0029]圖5a是本發明中雙側拉驗證時的動力傘輸入示意圖；
[0030]圖5b是本發明中雙側拉驗證時的動力傘輸出示意圖；
[0031]圖6a是本發明中單側拉驗證時的動力傘輸入示意圖；
[0032]圖6b是本發明中單側拉驗證時的動力傘輸出示意圖；
[0033] 圖7是本發明中基于線性模型的動力傘控制器的控制效果示意圖；
[0034] 圖8a是本發明中動力傘的輸入示意圖；
[0035]圖8b是本發明中動力傘的輸出示意圖；
[0036]圖9是本發明動力傘控制方法的流程圖；
[0037]圖10是本發明動力傘控制器的構建裝置的結構示意圖；
[0038]圖11是本發明動力傘控制裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描 述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0040] 參見圖1，示出了本發明動力傘控制器的構建方法的流程圖，可以包括：
[0041] SlOl，獲取所述動力傘的非線性模型，所述非線性模型包括所述動力傘的相對運 動變量。
[0042] 目前，為了控制無人動力傘的飛行運動，大多是基于簡化的不精確的線性模型構 建動力傘控制器，實現對動力傘的高度和航向角的控制。需要說明的是，上述簡化的不精確 的線性模型指的是，未考慮動力傘自身存在的相對運動，也未考慮動力傘自身具有的耦合 關系。針對于此，本發明可以先獲取能夠精確描述動力傘動態特性的非線性模型，再將非線 性模型轉換為線性模型，如此，便可提高本發明線性模型的準確性，進而提高基于本發明線 性模型構建的動力傘控制器的準確性。
[0043] 在一種可能的實施方式中，本發明中動力傘的相對運動可以體現為如下變量:翼 傘的滾轉、俯仰和偏航運動中的至少一個，以及負載的滾轉、俯仰和偏航運動中的至少一 個，本發明對此可不做具體限定。可以理解地，當非線性模型中不考慮某個相對運動變量 時，可視為該變量的取值為零。
[0044]首先，為了精確的描述動力傘的動態特性，可以在建立動力傘非線性模型時做如 下假設：
[0045] (1)動力傘整體視為剛體，動力傘整體包括翼傘、懸繩和負載；
[0046] (2)翼傘的附加質量和附加慣量的質心與翼傘的質心重合；
[0047] (3)翼傘本體的3軸轉動速度視為翼傘相對于空氣的速度，負載本體的3軸轉動速 度視為負載相對于空氣的速度。
[0048] 其次，建立動力傘對應的坐標系，可以包括:大地慣性坐標系、負載坐標系和翼傘 坐標系，具體可參見圖2所示示意圖。
[0049] 大地慣性坐標系，可以記為Σ:(X1，Y1，Z1 )，O1Z1軸垂直于大地平面向下，O1X1軸垂直 于OiZi軸并指向動力傘的初始運動方向，OiXiYi平面平行于大地平面。
[0050] 負載坐標系，可以記為Σ b (Xb，Yb，Zb )，以負載的質心Ob為原點，ObXb軸指向負載前 方，ObYb軸指向負載的右側，ObZ b軸與其余兩個坐標軸成右手系。其中，負載前方可以根據實 際應用而定，作為一種示例，可以將動力傘的運動方向定義為負載前方。
[0051] 翼傘坐標系，可以記為2[)0[)，￥[)，2[))，以翼傘的質心0 [)為原點，03[)軸指向翼傘縱 軸線前方，OpZp軸指向翼傘下方，O pXpZp為沖壓式翼傘的縱向對稱面，OpYp軸與其余兩個坐標 軸成右手系。
[0052]最后，基于牛頓-歐拉方程獲得動力傘的非線性模型。
[0053] 作為一種示例，本發明可以建立動力傘的9D0F(英文：degree of freedom，中文： 自由度)非線性模型，包括:負載的3個自由度，可體現為公式（1)中的cob;以及翼傘的6個自
[0055] 由度，可體現為公式（I)中的ω JPVc。具體可參見下文所做介紹，此處暫不詳述。[0054] 目JtIcWi _7kr勞昍由對!士 非能刑π?Ι)Ι 太/Afm .
[0057] 公式（1)中各變量的含義可解釋如下：
[0056]
[0058] Mb表示負載的質量矩陣，
Tib表示負載的質量。
[0059] Rb表示動力傘質心C到負載質心Ob的距離。
[0060] Mp表示翼傘的質量，
Ip表示翼傘的質量。
[0061 ] Tb表示大地慣性坐標系到負載坐標系的坐標變換矩陣。
[0062] Tp表示大地慣性坐標系到翼傘坐標系的坐標變換矩陣。
[0063] Rcb表示動力傘質心C到負載質心Ob這一向量的單位向量。
[0064] Rcp表示動力傘質心C到翼傘質心Op這一向量的單位向量。
[0067] If表示翼傘的附加轉動慣量，
=0 · 63pJic2b3/48，Ib =
[0065] Ib表示負載的轉動慣量 bb、cb、db表示 負載的尺寸，即負載的長、寬、高
[0066] Ip表示翼傘的轉動慣量
0.872*4pc4b/48Ji，Ic=l .〇44p3Tt2b3/48.t = n 1 券示傘布密度。
[0068] Mf表示翼傘的附加質量： A = O .91303^13/4 4 = 0.33903^(:/ 4，C = 0.771pJic2b/4。
[0069] Mf、Ip和If中的b、c、d分別表不翼傘的展長、弦長、厚度。
[0070] Qb表示負載的3軸轉動速g Pb表示負載的滾轉角速度，qb表示負載 的俯仰角速度，η表示負載的航向角3
[0071] ωρ表示翼傘的3軸轉動速g p P表示翼傘的滾轉角速度，9[)表示翼傘
的俯仰角速度，rP表示翼傘的航向角速度。
[0072] Vc表示動力傘質心C在大地慣性坐標系下的速度， ，uc表示北向速度，Vc 表示東向速度，w。表示地向速度。
[0073] Fc表示翼傘和負載之間的懸繩的受力，Fc= [Fxc Fyc FZC]T，FXC表示延X1^分力，F yc 表示延Yp軸分力，Fz。表示延Zp軸分力。
[0074] FbA表示負載運動時受到的氣動力，：
，ub表示負載本體坐標系下前向速度，V b表示負載本體坐標系下側向速度，Wb 表示負載本體坐標系下垂向速度，Sb表示負載迎風面積，CDb表示升力系數。
[0075] FbG為負載的重力在負載坐標系下的表示

[0084] 若v表示一個向量，Vx表示向量v的反對稱陣。
[0085] S102,將所述非線性模型轉換為線性模型，并基于所述線性模型確定出單通道控 制器的控制器參數以及耦合通道控制器的控制參數，所述單通道控制器用于控制所述動力 傘的第一能量參數，所述耦合通道控制器基于所述第一能量參數控制所述動力傘的第二能 量參數，所述第一能量參數與所述第二能量參數具有耦合關系。
[0086] S103,利用所述單通道控制器、所述耦合通道控制器和所述非線性模型，構建所述 動力傘控制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動。
[0087]獲得動力傘的非線性模型后，可以按照如下方式構建本發明的動力傘控制器。 [0088] (1)線性模型
[0089] 為了簡化動力傘控制器的構建過程，可以將上述復雜的非線性模型轉換為簡單的 線性模型，再基于線性模型構建動力傘控制器。具體地，在進行模型轉換時，可以在非線性 模型上查找平衡點，在平衡點處進行線性化處理，得到動力傘的線性模型。
[0090] 作為一種示例，可以在動力傘經常工作的點上選取平衡點，例如，平衡點可以選取 為:翼傘的歐拉角角度[Φ，θ，Φ] = [0°，0°，5°]，動力傘質心的速度
[0091] 作為一種示例，可以選取平飛模態進行線性化轉換。例如，非線性模型X= F〇G U，Γ) 可轉換為如下線性模型：Sf = Α(：Γ：)δΧ + Β〇〇δυ，其中
Γ表示模型參數，X表示動力傘狀態向量，U表示動力傘控制輸入向量。
[0092] (2)單通道控制器和耦合通道控制器
[0093]按照上文所做介紹，獲得動力傘的線性模型后，便可基于線性模型構建動力傘控 制器。作為一種示例，本發明中通過動力傘控制器控制動力傘的飛行運動，可以理解為控制 動力傘的高度以及前向速度。
[0094]但是，動力傘的高度與前向速度之間的耦合關系，又給動力傘控制器的構建帶來 很大困難。高度與前向速度之間的耦合關系也即上文所提動力傘自身具有的耦合關系，主 要體現為:在調節動力傘的油門輸入時，動力傘的高度和前向速度均會隨之發生變化;在調 節動力傘的雙側拉輸入時，動力傘的高度和前向速度也會隨之發生變化，也就是說，一個輸 入可以控制兩個輸出。
[0095]為了解決上述耦合關系對高度控制、前向速度控制帶來的不便，本發明的動力傘 控制器至少可以包括:單通道控制器和耦合通道控制器。其中，單通道控制器可用于控制第 一能量參數，耦合通道控制器可用于控制第二能量參數，且耦合通道控制器是基于第一能 量參數和第二能量參數之間的耦合關系構建的。
[0096]作為一種示例，第一能量參數可以為動力傘的高度，第二能量參數可以為動力傘 的前向速度;或者，第一能量參數可以為動力傘的前向速度，對應的第二能量參數則可以為 動力傘的高度。本發明對此可不做具體限定。
[0097]需要說明的是，第一能量參數和第二能量參數之間的耦合關系可以體現為如下能 量函數：
[0098] E = al*Vx2+a2*h (2)
[0099] 其中，al*Vx2表示動力傘的動能，a2*h表示動力傘的勢能，Vx表示動力傘的前向速 度，h表示動力傘的高度，al和a2表示比例系數。
[0100] 需要說明的是，通過調整比例系數，可以調整動力傘對動能、勢能的控制偏向，例 如，將al適當調大或將a2適當調小，則說明更偏向于控制動力傘的動能，即前向速度;反之 將al適當調小或將a2適當調大，則說明更偏向于控制動力傘的勢能，即高度。具體地，可以 結合實際應用設定al和a2的取值，本發明對此可不做具體限定。
[0101] (3)控制器參數
[0102] 可以基于線性模型確定單通道控制器的控制參數，以及耦合通道控制器的控制參 數。作為一種示例，單通道控制器和耦合通道控制器可以為PID控制器。具體地，在整定PID 控制器參數時，可以根據控制器的參數與動力傘動態性能和穩態性能之間的定性關系，用 實驗的方法調節獲得控制器參數。
[0103] 作為一種示例，為了減少需要整定的參數，可以先采用PI控制器。為了保證系統的 安全，在調試開始時應設置比較保守的參數，例如，比例系數不要太大，積分時間不要太小， 以避免出現系統不穩定或超調量過大的異常情況。給出一個階躍給定信號，根據被控量的 輸出波形可以獲得動力傘性能的信息，例如超調量和調節時間。如此，便可根據PID參數與 動力傘性能的關系，反復調節獲得PID的參數。舉例來說，如果階躍響應的超調量太大，經過 多次振蕩才能穩定或者根本不穩定，應減小比例系數、增大積分時間。如果階躍響應沒有超 調量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調整參數。如果消除 誤差的速度較慢，可以適當減小積分時間，增強積分作用。如果反復調節比例系數和積分時 間，超調量仍然較大，則可以加入微分控制，微分時間可以從〇逐漸增大，反復調節獲得控制 器的比例、積分和微分部分的參數。
[0104] 綜上可知，本發明的控制器參數至少可以包括P項和I項，且根據實際需求還可以 進一步包括D項，本發明對此可不做具體限定。
[0105] 需要說明的是，基于線性模型確定出的控制器參數，可以作為動力傘控制器的初 始參數，在實際應用過程中，可以根據使用需求適當調整控制器參數，實現本發明控制動力 傘飛行運動的目的，對此，可參見下文圖9處所做介紹，此處暫不詳述。
[0106] (4)動力傘控制器
[0107] 可以利用上述單通道控制器、耦合通道控制器和非線性模型，構建本發明的動力 傘控制器，具體可參見圖3所示示意圖，可包括:包含單通道控制器201的通道、包含耦合通 道控制器202的通道、運行非線性模型的動力傘模型模塊203。
[0108] 以第一能量參數為高度、第二能量參數為前向速度為例，通過單通道控制器可以 實現對動力傘高度的單獨控制;此外，根據能量函數、高度和前向速度之間的關系，還可以 在高度快速調節的情況下，通過耦合通道控制器實現前向速度的被動穩定。在一定程度上 解決了耦合關系給高度控制、前向速度控制帶來的不便。
[0109] 也就是說，基于本發明的動力傘控制器，可以在第一能量參數精確控制的情況下， 延緩對第二能量參數的控制，從而實現近似的單通道控制，減緩動力傘控制時的耦合震蕩， 增強動力傘的穩定性。需要說明的是，還可以調節能量函數中的比例系數al、a2,實現對第 二能量參數的延緩控制。另外，需要說明的是，結合上文所做介紹，本發明的耦合通道控制 器的控制過程可視為是一種被動反饋控制的過程。
[0110] 在一種可能的實施方式中，本發明的動力傘控制器還可以包括:包含偏航角控制 器204的通道，可用于控制動力傘的轉向。作為一種示例，偏航角控制器可以為PID控制器， 可以參照上文介紹的方式，基于線性模型確定出偏航角控制器的控制器參數，此處不再贅 述。
[0111] 需要說明的是，為了驗證本發明方案的有效性，本發明還進行了如下仿真實驗。
[0112] (1)非線性模型的仿真實驗
[0113] 參見下表所示非線性模型相關的參數，可包含:翼傘的尺寸信息、與氣動力相關的 參數、與氣動力矩相關的參數。

[0116] 若選取油門控制動力傘的整體能力，即控制動力傘的前向速度，雙側拉控制動力 傘的高度，在matlab環境下進行的仿真驗證如下：
[0117] (a)油門輸入
[0118] 當油門輸入增加時，動力傘的前向速度會增加，垂向速度（取指向大地方向為正 向）會減小，動力傘呈現前向加速和向上運動的趨勢，同時會導致翼傘的俯仰角增大，具體 可參見圖4a、4b所示，其中，圖4a表示動力傘的輸入示意圖，圖4b表示動力傘的輸出示意圖。
[0119] (b)雙側拉輸入
[0120]當進行雙側輸入時，動力傘質心的前向速度會減小，垂向速度會減小，動力傘呈現 前向減速和向上運動的趨勢，同時會導致俯仰角增大，具體可參見圖5a、5b所示，其中，圖5a 表示動力傘的輸入示意圖，圖5b表示動力傘的輸出示意圖。
[0121] (c)單側拉輸入
[0122] 當進行單側右拉輸入時，翼傘出現右轉，同時動力傘質心的北向速度減小，東向速 度增大，具體可參見圖6a、6b所示，其中，圖6a表示動力傘的輸入示意圖，圖6b表示動力傘的 輸出示意圖。
[0123] (2)基于線性模型的動力傘控制器的仿真實驗
[0124] 將本發明構建的動力傘控制器應用到線性模型上（即圖3所示動力傘模型模塊中 運行線性模型），控制動力傘的前向速度和高度。由仿真結果可知，能夠實現高度的控制和 基于能量函數的前向速度的控制，且通道間的耦合影響被減弱，未出現通道間震蕩現象，如 此，就驗證了本發明基于線性模型確定的控制器參數的有效性以及本發明控制方法的有效 性，具體控制效果可參見圖7所示示意圖。其中，虛線表示期望值，實線表示實際值。
[0125] (3)基于非線性模型的動力傘控制器的仿真實驗
[0126] 將本發明構建的動力傘控制器應用到非線性模型上（即圖3所示動力傘模型模塊 中運行非線性模型），控制動力傘的前向速度和高度。由仿真結果可知，能夠實現高度的控 制和基于能量函數的前向速度的控制，也就是說，基于線型模型確定的控制器參數、構建的 動力傘控制器，同樣適用于非線性模型，如此，就驗證了本發明控制方法的有效性以及魯棒 性。具體可參見圖8a、8b所示，其中，圖8a表示動力傘的輸入示意圖，圖8b表示動力傘的輸出 示意圖，虛線表示期望值，實線表示實際值。
[0127] 參見圖9,示出了本發明動力傘控制方法的流程圖，可以利用圖1所示方法構建的 動力傘控制器，控制動力傘的飛行運動。該方法可以包括：
[0128] S301，當所述動力傘的第一能量參數與第一預設值不符時，調整所述動力傘控制 器的單通道控制器的控制參數，使調整后第一能量參數與所述第一預設值相符。
[0129] 由上文所做介紹可知，單通道控制器可以實現對第一能量參數的單獨控制。具體 地，可以先判斷單通道控制器的原始控制參數，能否使第一能量參數與第一預設值相符，如 果相符，則可維持原始控制參數不變;如果不相符，則說明需要調整單通道控制器的原始控 制參數，使調整后控制參數對應的調整后第一能量參數，與第一預設值相符為止。
[0130] 作為一種示例，單通道控制器的原始控制參數可以是基于線性模型確定出的控制 參數。
[0131] 以第一能量參數為高度為例，可以預先給定一個高度的爬升曲線，即高度隨時間 變化的曲線，通過監測動力傘的實際爬升曲線的方式，判斷第一能量參數是否與第一預設 值相符，如果實際爬升曲線與給定爬升曲線擬合度較好，則無需進行控制參數調整;反之， 則需要調整單通道控制器的控制參數，直至實際爬升曲線與給定爬升曲線擬合度達到最 好，可維持此時的控制參數不變。
[0132] 同樣地，若第一能量參數為前向速度，則可以預先給定一個速度的爬升曲線，即前 向速度隨時間變化的曲線，并參照上文所述方式調整單通道控制器的控制參數，本發明對 此不再詳述。
[0133] 以第一能量參數為高度為例，則第一預設值指的是預設高度，通過上述步驟即可 實現對動力傘高度的單獨控制。當設定高度期望值時，可以通過調整單通道控制器的控制 參數的方式，實現對動力傘飛行高度的控制。
[0134] 以第一能量參數為前向速度為例，則第一預設值指的是預設速度，通過上述步驟 即可實現對動力傘前向速度的單獨控制。當設定前向速度期望值時，可以通過調整單通道 控制器的控制參數的方式，實現對動力傘飛行速度(此處指前向速度)的控制。
[0135] S302,當所述動力傘的第二能量參數與第二預設值不符時，基于所述調整后第一 能量參數，調整所述動力傘控制器的耦合通道控制器的控制參數，使調整后第二能量參數 與所述第二預設值相符。
[0136] 由上文所做介紹可知，耦合通道控制器可以基于第一能量參數和能量函數，實現 對第二能量參數的被動控制。同樣地，在單通道控制器完成調整后，可以判斷耦合通道控制 器的原始控制參數，能否使第二能量參數與第二預設值相符，如果相符，則維持原始控制參 數不變;如果不相符，則說明需要調整耦合通道控制器的原始控制參數，使調整后控制參數 對應的調整后第二能量參數，與第二預設值相符為止。
[0137] 作為一種示例，耦合通道控制器的原始控制參數可以是基于線性模型確定出的控 制參數。
[0138] 需要說明的是，若第一能量參數為高度，第一預設值為預設高度，則第二能量參數 為前向速度，第二預設值為預設速度。反之，若第一能量參數為前向速度，第一預設值為預 設速度，則第二能量參數為高度，第二預設值為預設高度。另外，關于判斷第二能量參數是 否與第二預設值相符的方式，可以參照上文判斷第一能量參數是否與第一預設值相符時所 作介紹，此處不再贅述。
[0139] 在一種可能的實施方式中，如果調整耦合通道控制器的控制參數，無法使第二能 量參數與第二預設值相符，還可以適當調整能量函數中的比例系數al和/或a2,即適當改變 對第二能量參數的延緩控制程度，再返回繼續調整耦合通道控制器的控制參數，直至調整 后的第二能量參數與第二預設值相符為止。
[0140] 綜上可知，若單通道控制器和耦合通道控制器為PI控制器，那么，對于第一能量參 數來說，至少對應有如下兩個調節量:P項和I項;對于第二能量參數來說，至少對應有如下 四個調節量:P項、I項、al和a2,本發明對使用的調節量可不做具體限定。
[0141] 與圖1所示方法相對應，本發明實施例還提供一種動力傘控制器的構建裝置400， 參見圖10所示示意圖，所述裝置可包括：
[0142] 模型獲取模塊401，用于獲取所述動力傘的非線性模型，所述非線性模型包括所述 動力傘的相對運動變量；
[0143] 控制參數確定模塊402,用于將所述非線性模型轉換為線性模型，并基于所述線性 模型確定出單通道控制器的控制器參數以及耦合通道控制器的控制參數，所述單通道控制 器用于控制所述動力傘的第一能量參數，所述耦合通道控制器基于所述第一能量參數控制 所述動力傘的第二能量參數，所述第一能量參數與所述第二能量參數具有耦合關系；
[0144] 控制器構建模塊403,用于利用所述單通道控制器、所述耦合通道控制器和所述非 線性模型，構建所述動力傘控制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動。
[0145] 可選地，所述控制參數確定模塊，還用于基于所述線性模型確定出偏航角控制器 的控制器參數，所述偏航角控制器用于控制所述動力傘的轉向。
[0146] 與圖9所示方法相對應，本發明實施例還提供一種動力傘控制裝置500,用于利用 動力傘控制器控制所述動力傘的飛行運動。參見圖11所示示意圖，所述裝置可包括：
[0147] 單通道調整模塊501，用于在所述動力傘的第一能量參數與第一預設值不符時，調 整所述動力傘控制器的單通道控制器的控制參數，使調整后第一能量參數與所述第一預設 值相符；
[0148] 耦合通道調整模塊502,用于在所述動力傘的第二能量參數與第二預設值不符時， 基于所述調整后第一能量參數，調整所述動力傘控制器的耦合通道控制器的控制參數，使 調整后第二能量參數與所述第二預設值相符。
[0149] 可選地，所述耦合通道調整模塊包括：
[0150] 參數調整模塊，用于調整所述耦合通道控制器的控制參數，獲得調整后第二能量 參數；
[0151] 判斷模塊，用于判斷所述參數調整模塊獲得的調整后第二能量參數是否與所述第 二預設值相符；
[0152] 比例系數調整模塊，用于在所述判斷模塊判定不符時，調整能量函數中的比例系 數al和/或a2,并通知所述參數調整模塊繼續調整所述耦合通道控制器的控制參數，直至所 述調整后的第二能量參數與所述第二預設值相符為止。
[0153] 關于上述實施例中的裝置，其中各個模塊執行操作的具體方式已經在有關該方法 的實施例中進行了詳細描述，此處將不做詳細闡述說明。
[0154]以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實 施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡 單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。
[0155] 另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛 盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發明對各種可 能的組合方式不再另行說明。
[0156] 此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本 發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
【主權項】
1. 一種動力傘控制器的構建方法，其特征在于，所述方法包括： 獲取所述動力傘的非線性模型，所述非線性模型包括所述動力傘的相對運動變量； 將所述非線性模型轉換為線性模型，并基于所述線性模型確定出單通道控制器的控制 器參數W及禪合通道控制器的控制參數，所述單通道控制器用于控制所述動力傘的第一能 量參數，所述禪合通道控制器基于所述第一能量參數控制所述動力傘的第二能量參數，所 述第一能量參數與所述第二能量參數具有禪合關系； 利用所述單通道控制器、所述禪合通道控制器和所述非線性模型，構建所述動力傘控 制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述動力傘包括翼傘、懸繩和負載，所述動 力傘的非線性模型為：其中，Mb表示負載的質量矩陣;Rb表示動力傘質屯、到負載質屯、的距離;Mp表示翼傘的質 量;Mf表示附加質量;Tb表示大地慣性坐標系到負載坐標系的坐標變換矩陣;Τρ表示大地慣 性坐標系到翼傘坐標系的坐標變換矩陣;Rep表示動力傘質屯、到翼傘質屯、運一向量的單位向 量;IU表示動力傘質屯、到負載質屯、運一向量的單位向量;I讀示負載的轉動慣量;Ip表示翼 傘的轉動慣量；If表示附加轉動慣量；Wb表示負載的3軸轉動速度；ωρ表示翼傘的3軸轉動 速度;V。表示動力傘質屯、在大地慣性坐標系下的速度;F。表示翼傘和負載之間的懸繩的受 力;FbA表示負載運動時受到的氣動力;Fbc為負載的重力在負載坐標系下的表示;FpA表示翼 傘運動時受到的氣動力;FpG為翼傘的重力在翼傘坐標系下的表示;Fp康示油口推進力;MbA 表示負載運動時受到的氣動力矩;f( Wb)表示負載轉動時的阻尼項量;MpA表示翼傘運動時 受到的氣動力矩;若V表示一個向量，yX表示向量V的反對稱陣。3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于， 所述第一能量參數為所述動力傘的高度，所述第二能量參數為所述動力傘的前向速 度;或者， 所述第一能量參數為所述動力傘的前向速度，所述第二能量參數為所述動力傘的高 度。4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述禪合關系體現為如下能量函數： E = al*Vx2+曰巧 h 其中，al*Vx2表示動力傘的動能，a巧h表示動力傘的勢能，Vx表示動力傘的前向速度，h 表示動力傘的高度，al和曰2表示比例系數。5. 根據權利要求1至4任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括： 基于所述線性模型確定出偏航角控制器的控制器參數，所述偏航角控制器用于控制所 述動力傘的轉向。6. -種動力傘控制方法，其特征在于，利用權利要求1至5任一項所述方法構建動力傘 控制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動，所述方法包括： 當所述動力傘的第一能量參數與第一預設值不符時，調整所述動力傘控制器的單通道 控制器的控制參數，使調整后第一能量參數與所述第一預設值相符； 當所述動力傘的第二能量參數與第二預設值不符時，基于所述調整后第一能量參數， 調整所述動力傘控制器的禪合通道控制器的控制參數，使調整后第二能量參數與所述第二 預設值相符。7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述調整所述動力傘控制器的禪合通道控 制器的控制參數，使調整后第二能量參數與所述第二預設值相符，包括： 調整所述禪合通道控制器的控制參數，獲得調整后第二能量參數； 判斷所述調整后第二能量參數是否與所述第二預設值相符，如果不符，則調整能量函 數中的比例系數al和/或a2,再返回執行所述調整所述禪合通道控制器的控制參數的步驟， 直至所述調整后的第二能量參數與所述第二預設值相符為止。8. 根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于， 所述第一能量參數為高度，所述第一預設值為預設高度;所述第二能量參數為前向速 度，所述第二預設值為預設速度； 或者， 所述第一能量參數為前向速度，所述第一預設值為預設速度;所述第二能量參數為高 度，所述第二預設值為預設高度。9. 一種動力傘控制器的構建裝置，其特征在于，所述裝置包括： 模型獲取模塊，用于獲取所述動力傘的非線性模型，所述非線性模型包括所述動力傘 的相對運動變量； 控制參數確定模塊，用于將所述非線性模型轉換為線性模型，并基于所述線性模型確 定出單通道控制器的控制器參數W及禪合通道控制器的控制參數，所述單通道控制器用于 控制所述動力傘的第一能量參數，所述禪合通道控制器基于所述第一能量參數控制所述動 力傘的第二能量參數，所述第一能量參數與所述第二能量參數具有禪合關系； 控制器構建模塊，用于利用所述單通道控制器、所述禪合通道控制器和所述非線性模 型，構建所述動力傘控制器，所述動力傘控制器用于控制所述動力傘的飛行運動。10. 根據權利要求9所述的裝置，其特征在于， 所述控制參數確定模塊，還用于基于所述線性模型確定出偏航角控制器的控制器參 數，所述偏航角控制器用于控制所述動力傘的轉向。11. 一種動力傘控制裝置，其特征在于，用于利用動力傘控制器控制所述動力傘的飛行 運動，所述裝置包括： 單通道調整模塊，用于在所述動力傘的第一能量參數與第一預設值不符時，調整所述 動力傘控制器的單通道控制器的控制參數，使調整后第一能量參數與所述第一預設值相 符； 禪合通道調整模塊，用于在所述動力傘的第二能量參數與第二預設值不符時，基于所 述調整后第一能量參數，調整所述動力傘控制器的禪合通道控制器的控制參數，使調整后 第二能量參數與所述第二預設值相符。12.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述禪合通道調整模塊包括： 參數調整模塊，用于調整所述禪合通道控制器的控制參數，獲得調整后第二能量參數； 判斷模塊，用于判斷所述參數調整模塊獲得的調整后第二能量參數是否與所述第二預 設值相符； 比例系數調整模塊，用于在所述判斷模塊判定不符時，調整能量函數中的比例系數al 和/或a2,并通知所述參數調整模塊繼續調整所述禪合通道控制器的控制參數，直至所述調 整后的第二能量參數與所述第二預設值相符為止。
【文檔編號】G05D17/02GK105843269SQ201610161413
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發明人】王國輝, 白勍, 沙俊汀
【申請人】沈陽上博智拓科技有限公司