飞艇是人类发明的第一种可以自由控制的航空飞行器。如今飞艇作为一种重要的飞行平台在多个领域发挥着重要作用。为了发挥飞艇的优势，要求飞艇能够长时间稳定的滞空，但由于高空作业环境常常会出现风向和风速不定期的改变，加上由于飞艇体积大、惯量大、操控性较差，易受外界扰动，所以要求飞艇的工作环境相对空旷，须在较大空间内实现飞艇的控制。

飞艇从机械结构上来说，一般由艇体、尾面、吊舱和推进装置等部分构成，如图1所示。

图1. 推进系统结构图

艇体在飞艇中是最大且最重要的部分，内装有储存工作气体，一般呈流线型，以减小前行阻力，降低迎面来凤影响。飞艇一般分为硬式和软式和半硬式三种主要区别在于艇体的外壳材料 [ 1 ] 。硬式飞艇代表为德国齐柏林飞艇，半硬式飞艇代表有俄罗斯的“MD-900”飞艇，软式飞艇代表有美国的sentinel 1000飞艇。

飞艇的尾面分为水平尾面和垂直尾面，各尾面又分为安定面和控制舵面，用来控制飞艇姿态和改变飞行状态 [ 2 ] 。

吊舱为载人、载物平台，载人飞艇中为人类提供舒适的乘坐环境，货运飞艇或无人飞艇中主要提供载物仓。

推进装置为飞艇的动力来源，一般载人飞艇使用燃油动力引擎，小型无人飞艇一般使用“锂电池 +电机”的形式。

近些年随着大疆、零度、极飞等一批无人机公司的出现，影视航拍、监控、农药喷洒、航磁探矿等诸多领域引入了无人机元素。但市面上的无人机大部分都是螺旋桨外露设计，高速旋转的螺旋桨在遇到人或其他物体时会造成严重的伤害，所以现有无人机的作业环境限于空旷无人的环境。但随着对技术要求的逐渐提高，已有在室内环境、人群上方飞行的需求，但现有无人机不能够满足此场景的应用。若能够设计出来一种安全、静音、长时间稳定续航的飞行器，就能够填补市场空白。在这样的前提下，提出了将飞艇引入这样的环境中，代替现有的多旋翼飞行器，来安全、高效的完成航拍、转播、监控的功能。

材料选择：艇囊材料选择pvc，结构强度大，气密性好，韧性好，不易破损，密度小，耐高温。机身结构支撑件材料为碳纤维和铝合金。碳纤维管强度高，重量轻。铝合金易加工，成本较低。

气动布局：三个安定面，安定面上无舵面。为避免推进系统的推力产生力矩改变飞艇姿态，推进系统安装在飞艇靠近重心的位置(由于无人飞艇吊舱重量较轻，所以中心位置靠近艇囊中心位置)。艇囊成流线型，安定面为对称翼形(图3)。

吊舱内装有载荷，种类包含云台相机、图传发射机、灯光设备、条幅等。

由于这种飞艇要实现前飞、退飞、左右转弯、侧飞等动作，要求飞艇的结构有高度的对称性。所以我设计的飞艇的尾面并不在尾部，而是将尾面前移至飞艇中部。尾面为对称翼形，并无向某方向偏向 [ 7 ] 。

室内环境与室外环境有着很大的不同处，尤其像国家体育馆等带有屋顶的密闭空间。一般这种环境中，气温的变化范围较小，一般在0℃~30℃。气流一般为固定方向气流，不会有很大变化。但由于一般屋顶有空调出风口，人为的造成了室内流向固定的气流。而且有着较多的风切变。这种空调出风口造成的现象是每个出风口向下垂直方向会有5 m左右的向下气流。

图3. 无舵面飞艇结构示意图

对于任意两个原点重合的三维笛卡尔坐标系，两者关系可以用三个欧拉角 确定，即按顺序通过三次旋转就可以重合(图4)。

由此坐标系 中的坐标可通过如下关系转换至坐标系 下

其中：

图4. 机体坐标系示意图

质心运动学方程可以对飞机的空间运动轨迹进行求解，从而对飞机的运动状态进行分析，因而需要将动力学方程求解出来的飞行速度投影到地轴系上 [ 9 ] ，得到质心运动学方程如下：

其中 为体轴系下的飞艇速度分量， 为体轴系向地轴系转换的转换矩阵，与 互为转置。

考虑风的影响 [ 10 ] ，飞艇对地速度失量 、空速失量 以及当时当地(飞行器质心处)的风速失量 构成下面的三角形关系式：

于是有风的情况下就变成了如下形式：

变形后即得到如下形式：

式中 为风速在地轴系下的三个分量。得到了飞艇的机体轴下的速度 ，就可以由下式得到飞艇的空速 ，迎角 和侧滑角 [ 11 ] 。

飞机的姿态角是通过机体轴系相对于地面坐标系的三个欧拉角 来表示的。其变化规律与飞机的旋转角速度 密切相关(图5)。有两种方法可以建立他们之间的相互关系，分别为欧拉角表示法和四元数表示法。由于欧拉角表示法没法表示出俯仰角 超过90度的运动，因此本文在进行仿真计算时选用了四元数表示的办法。

首先定义四元数，考虑的是空间两个同原点的坐标系 和 ， 和 总有一个固定的轴OR存在，可以使坐标轴 绕其转动一个角度 与 重合，该转轴OR与空间坐标形成三个角度 ，于是四元数可以被表示成为：

对于四元数有如下约束：

可以证明，四元数与欧拉角速率之间存在如下微分方程式(证明过程从略) [ 12 ] ：

图5. 旋转示意图

通过对上式求积分，就可以得到四元数的时间响应，再由下面的公式反算三个欧拉角为：

其中 函数的含义是：当自变量为正时，函数值取+1；当自变量为负值时，函数值取−1。利用四元数求三个欧拉角在时 不会出现奇异情况，这样就能避免优化过程中出现极端情况的时候优化程序

的报错，减小了优化出错的可能性。