一种动力飞艇混合升力分配与空载返航的控制方法与流程

本发明涉及飞艇重载运输，具体涉及一种动力飞艇混合升力分配与空载返航的控制方法。

背景技术：

1、山区电力线路施工通常分布在高山、峡谷、丘陵等复杂地形区域，施工现场道路条件差、临时道路修建成本高，塔材、钢筋、施工器具等物资运输困难。传统方式多依赖人力、畜力、索道、临时便道或小型机械运输，效率低、周期长，且存在较大的施工安全风险。近年来，重载无人机开始应用于山区电力施工物资运输，但受旋翼升力效率、电池能量密度和续航时间限制，其在大质量构件、长距离运输和连续作业场景下存在明显不足，难以满足山区电力施工中大载重、长航时、低成本和高安全性的工程需求。

2、飞艇由于具有静浮力支撑、滞空时间长、对起降场地要求相对较低等特点，被认为是一种适用于复杂地形物资运输的新型空中平台。与完全依靠旋翼产生升力的无人机不同，飞艇可利用氦气等轻于空气的气体提供基础浮升力，从而降低动力系统持续承担的重量负担。现有技术中，已有多种飞艇或浮空平台方案被提出。例如，专利cn214397181u涉及一种无人机物流运输飞艇，专利cn203612191u涉及一种以太阳能发电为供电源的智能运输飞艇，专利cn112078775a涉及一种以载运飞艇为中心的无人机物流系统，专利cn109050866b涉及一种飞艇，专利cn102730179a涉及一种复合升力变形飞艇。此外，现有技术中还公开了升力体式浮升混合飞艇的设计方案，其升力由静浮力和气动力共同提供，适用于复杂地形下的大载重运输。也有方案提出了软硬混合式飞艇及其控制方法，通过可控连通阀调节内外气囊气体以实现升力调节。还有方案涉及飞艇浮升力控制系统，通过载荷信息解算浮升力调整量。

3、然而，现有飞艇或浮空平台在面向山区电力施工重载吊运时，仍存在以下不足：

4、第一，缺少基于静浮力基线的工作升力动态分配方法。 传统飞艇多依赖静浮力或固定动力升力，重点多在于提高平台载重能力或实现基本飞行控制，缺乏将“静浮力基线”和“可调工作升力”进行明确分离并动态分配的控制方法。现有混合飞艇方案虽然涉及静浮力和气动升力的共同作用，但未针对吊载作业中载荷实时变化的情况，建立静浮力承担固定自重、动力升力承担可变载荷的分离控制架构，难以在载荷快速变化时实现升力的平稳调节。

5、第二，缺少吊载状态快速识别与工况切换机制。 现有方案多忽略载荷卸载后飞艇的控制需求，缺乏基于多源传感信息的载荷状态快速检测与工况自动匹配机制。当卸载或空载返航阶段未及时降低动力升力输出时，会引起飞艇快速上浮、姿态突变或出现额外摆振。现有飞艇吊运控制通常依赖预设任务阶段或人工确认，响应滞后，难以适应“挂载—运输—卸载—返航”过程中载荷的快速变化。

6、第三，缺少卸载后的工作升力重构方法。 现有飞艇或复合升力运输平台在吊载作业中，通常重点关注货物运输阶段的升力维持和飞行稳定，对货物卸载瞬间的载荷突变考虑不足，缺少在卸载确认后自动剔除载荷重量、重新计算空载升力需求并平滑降低螺旋桨工作升力的控制方法，难以保证卸载后飞行状态的连续稳定。

7、第四，缺少面向空载返航的低功率控制策略。 现有动力飞艇运输方案在吊载、卸载、返航过程中，往往没有根据载荷状态动态调整升力输出，沿用有载运输阶段的工作升力输出，导致动力系统长期处于不必要的高功率工作状态，冗余能耗较高，严重限制了飞艇的续航能力和作业效率。

8、综上所述，现有技术尚未针对山区电力施工飞艇在吊载作业中的载荷突变、工作升力重构以及卸载后的空载返航控制提出完整、有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种动力飞艇混合升力分配与空载返航的控制方法，以解决上述背景技术所提到的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、提供一种动力飞艇混合升力分配与空载返航的控制方法，其包括以下步骤：

4、s1：以飞艇吊载的绳索张力和螺旋桨的电机电流为判据，实时识别飞艇当前所处状态；若处于挂载状态，则执行步骤s2，若处于空载状态，则执行步骤s5；

5、s2：以飞艇平台的氦气静浮力作为平衡飞艇平台自重的基线升力，以螺旋桨产生的动力升力作为可调工作升力，建立基线升力与工作升力分离的控制架构；

6、s3：计算飞艇平台当前的总升力需求，并在扣除基线升力后，得到工作升力需求；

7、s4：将工作升力需求分配至多个动力单元，各动力单元的输出包括基础分配分量、姿态修正分量和扰动补偿分量；

8、s5：飞艇自动由有载运输模式切换至空载返航模式，将载荷重量从总升力需求中剔除，重新计算空载工作升力需求，并对各动力单元的输出进行平滑重构；

9、s6：在空载返航模式下，根据返航航线的地形高度和电池剩余电量设定返航高度和返航速度，以低功率状态完成返航。

10、进一步地，步骤s2中静浮力基线的计算公式为：

11、f静= ks× m艇体× g

12、其中，m艇体为飞艇平台质量，g为重力加速度，ks为静浮力系数；

13、步骤s3中总升力需求的计算公式为：

14、f总= (m艇体+ m载荷) × g + f垂向+ f安全

15、其中，m载荷为飞艇平台吊载载荷质量，f垂向为垂向附加升力， f安全为升力安全裕度；

16、工作升力需求的计算公式为：

17、f工= f总- f静。

18、进一步地，步骤s4中第i个动力单元的工作升力输出的计算公式为：

19、fi= αi× f工+ δfi姿态+ δfi扰动

20、其中，δfi姿态为姿态修正量；δfi扰动为外界扰动补偿量；i=1,2,…,n，n为动力单元数量； αi为第i个动力单元的基础分配系数，当载荷位置、吊载绳索长度或飞艇姿态发生变化时，根据载荷重心估计值，并通过预设查表、控制分配矩阵或在线归一化计算方式动态更新 αi。

21、进一步地，姿态修正量δfi姿态根据飞艇当前姿态误差确定，其计算公式为：

22、δfi姿态= kφi× eφ + kθi× eθ + kψi× eψ + kdi× de/dt

23、其中，eφ、eθ、eψ分别为滚转角、俯仰角和偏航角误差，de/dt为姿态误差变化率，kφi、kθi、kψi、kdi为与第i个动力单元安装位置和控制方向相关的控制增益；

24、扰动补偿量δfi扰动根据外界风扰、高度偏差和垂向加速度变化确定，其计算公式为：

25、δfi扰动= kwi× vw + khi× eh + kai× az

26、其中，vw为风扰等效量，eh为当前高度与目标高度之间的偏差，az为垂向加速度变化量，kwi、khi、kai为第i个动力单元对应的扰动补偿增益。

27、进一步地，步骤s1中所述载荷状态识别具体包括：

28、s11：采集吊载的绳索张力和螺旋桨的电机电流，并对绳索张力和电机电流进行低通滤波或滑动平均处理；

29、s12：若绳索张力不小于预设挂载阈值，且电机电流不小于预设电流阈值，则判定为有载状态；若绳索张力在预设时间段内保持在预设挂载阈值以下，且电机电流呈下降趋势，则判定为卸载状态。

30、进一步地，步骤s5中对各动力单元的输出进行平滑重构包括：

31、各动力单元的工作升力输出满足如下变化率约束：

32、|fi(t) - fi(t-δt)| / δt ≤ rmax；

33、rmax ≤ min(rmotor, δfi / τ)

34、其中，fi(t)为第i个动力单元在当前控制周期的工作升力输出，fi(t-δt)为上一控制周期的工作升力输出，δt为控制周期，rmax为允许的最大升力变化率，rmotor为动力单元允许的最大推力变化率，δfi为卸载前后第i个动力单元所需工作升力差值，τ为卸载后的动力平滑过渡时间。

35、进一步地，步骤s6中返航高度hr的表达式为：

36、hr= max(hy, hz+ δh)

37、其中，hy为预设返航航线高度，hz为返航路径上地形或障碍物的最大高度，δh为安全越障裕度；

38、返航速度vr根据电池剩余电量soc确定：当soc高于高电量阈值时，飞艇按照标称返航速度返回；当soc低于高电量阈值且高于中电量阈值时，飞艇切换至经济返航速度；当soc低于中电量阈值时，飞控计算机优先选择最近安全停靠区域或应急降落区域。

39、进一步地，本方案还包括容错与冗余策略：

40、采用多电机冗余架构，当单个电机或传感器故障时，通过其他电机增力或备用传感器维持飞行；

41、采用双重数据源交叉验证，当张力传感器失效时，依靠电机电流和加速度变化辅助研判载荷状态；

42、采用主备冗余通信链路，并设置指令确认回执、超时重发和通信中断保护策略；当通信中断超过预设时间时，飞控计算机按照预设失联保护策略执行悬停、返航或就近安全降落策略；

43、当在空载返航过程中检测到绳索张力异常或瞬时升高，且绳索张力大于预设的异常张力阈值时，判定吊具误挂、绳索挂碰障碍物、卸载误判，系统立即恢复有载工作升力并暂停空载返航，进入悬停或应急处置模式。

44、进一步地，还包括执行如权利要求1至8中任一项所述的控制方法的控制系统，其包括：

45、飞艇平台，其内腔充有氦气以提供静浮力；

46、动力推进模块，其由电池组、电机、电调和螺旋桨组成，用于产生可控的工作升力和推力；

47、吊载系统，包括吊钩、绳索收放机构和张力传感器，用于吊挂运输载荷并感知绳索张力变化；

48、传感器系统，包括载荷重量传感器、张力传感器、惯性测量单元、加速度计、气压高度计和风速风向仪，用于为飞行控制单元提供感知数据；

49、飞行控制系统，集成惯导imu、gnss、气压计、风速风向传感器和飞控计算机。

50、本发明的有益效果为：

51、1. 本发明将飞艇自重对应的升力需求与载荷对应的升力需求分离处理，利用氦气静浮力平衡平台自重，利用螺旋桨工作升力承担可变载荷和动态补偿；该方法区别于传统通过水箱或热气调节浮力的做法，无需携带额外配重或改变气体压力，工作升力可根据载荷变化实时、连续调节，响应速度快、调节精度高；与传统混合飞艇方案相比，本方案建立了明确的“静浮力基线+可调工作升力”分离控制架构，使飞艇在不同载荷工况下均能保持最优的升力匹配状态，显著提高了升力调节的灵活性和能量利用效率。

52、2. 本方案通过绳索张力、电机电流融合研判挂载和卸载状态，并以识别结果自动触发升力分配策略切换；区别于传统飞艇或无人机吊运控制依赖预设任务阶段或人工确认的方式，本发明能够根据实时载荷状态自动、快速地完成工况切换，显著减少了响应滞后和升力输出与实际载荷不匹配的问题，提高了飞艇在载荷突变工况下的安全性和稳定性。

53、3. 本方案在吊挂物卸载后，自动剔除载荷重量并重新计算空载升力需求，同时对动力单元的工作升力输出设置最大变化率限制，采用斜坡过渡或分段递减方式平滑降低动力输出；该机制有效避免了有载阶段动力参数延续至空载返航阶段所导致的非期望上浮、姿态突变或摆振问题，保证了卸载后飞行状态的连续稳定。

54、4.本方案在空载返航阶段根据返航航线的地形高度设定飞行高度，根据电池剩余电量soc动态调整返航速度，以更低的升力输出完成返航；与现有依赖满载参数返航的方案相比，本方法适时切换控制模式，大幅降低了返航阶段的动力消耗，可显著延长飞艇的续航时间和作业半径。

55、5.本方案采用多电机冗余架构、双重传感器交叉验证、主备冗余通信链路以及失联保护策略，即使单个电机或传感器故障，仍可通过其他电机增力或备用传感器维持飞行；当检测到张力传感器失效、信号不一致或通信中断时，系统可自动切换至备用方案或执行预设的安全策略，显著提高了系统的可靠性和安全性。

56、6.本方案可在现有动力飞艇平台基础上进行控制系统适配，无需对飞艇平台本身进行大规模改造，工程实施成本相对可控；与现有混合动力空中平台相比，本发明面向“山区吊载—运输—卸载—返航”的完整作业场景，技术方案更集中、更完整，具有较强的工程适用性和推广价值。