一种飞行器高机动运动控制方法
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202311168783.X | 申请日 | 2023-09-12 |
| 公开(公告)号 | CN116909307B | 公开(公告)日 | 2023-12-19 |
| 申请人 | 中国人民解放军32806部队; | 申请人类型 | 其他 |
| 发明人 | 王军; 任小广; 张啸川; 王旭; | 第一发明人 | 王军 |
| 权利人 | 中国人民解放军32806部队 | 权利人类型 | 其他 |
| 当前权利人 | 中国人民解放军32806部队 | 当前权利人类型 | 其他 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区厢红旗东门外1号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100091 |
| 主IPC国际分类 | G05D1/08 | 所有IPC国际分类 | G05D1/08 ; G05D1/10 |
| 专利引用数量 | 1 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 5 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 北京艾纬铂知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 袁瑞霞; |
| 摘要 | 本 发明 提出了一种 飞行器 高机动运动控制方法,能够在飞行器运行过程中调整的同时,保证其稳定的运动在 指定 的轨道内的控制。本发明具体分析飞行器的运动特征并提出相应的控制方法,通过飞行器动 力 学模型分析获得飞行器高机动运动对应的平衡点,控制飞行器 跟踪 高机动平衡点来实现飞行器高机动动作。该方法结合飞行器自身物理参数和环境工况开发 控制器 ,控制参数的标定具有明确的理论依据,使得飞行器的高机动控制简便可行,也使得控制系统的抗干扰能力增强。 | ||
| 权利要求 | 1.一种飞行器高机动运动控制方法，其特征在于，在平面内上拉运动的飞行器存在低速运动模式和高机动运动模式，在此工况下运行的飞行器建立其飞行运动的两个微分方程；两种运动模式解出两种平衡点，其中，低速运动模式对应的平衡点处于相平面中离原点较近的点，高机动运动模式的平衡点处于远离原点的位置；对于具体的飞行器画出其飞行受力图，进行飞行器的平面内的力平衡和力矩平衡，建立其关于α和γ的一阶微分方程，并画出α‑γ相图，计算出两种模式的运动平衡点；其中，α定义为飞行器体坐标系下飞行器合成速度V与纵向速度Vx的夹角，合成速度V为纵向速度Vx与侧向速度Vy的矢量合成，γ为飞行器的俯仰角速度；设计高机动运动平衡点跟踪控制算法并部署于具体的飞行器，实际运动控制中控制飞行器的推力的大小和方向，通过Fx, Fy的调节来实现飞行器高机动平衡点的跟踪，以实现飞行器的高机动动作并保证系统的稳定性；其中Fx为推力在飞行器体坐标系下的纵向分量，Fy为推力在飞行器体坐标系下的纵向分量。 |
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| 说明书全文 | 一种飞行器高机动运动控制方法技术领域[0001] 本发明涉及飞行器动作控制技术领域，具体涉及种飞行器高机动运动控制方法。 背景技术[0003] 现有开发方法需要进行大量的仿真计算和模拟实验，经过逐步的线性化找出一组PID控制参数表，实现飞行器的高机动运动控制。这种开发方法标定周期长、成本高、抗干扰能力差。 发明内容[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案为： [0006] 一种飞行器高机动运动控制方法，在平面内上拉运动的飞行器存在低速运动模式和高机动运动模式，在此工况下运行的飞行器建立其飞行运动的两个微分方程；两种运动模式解出两种平衡点，其中，低速运动模式对应的平衡点处于相平面中离原点较近的点，高机动运动模式的平衡点处于远离原点的位置；对于具体的飞行器画出其飞行受力图，进行飞行器的平面内的力平衡和力矩平衡，建立其关于α和γ的一阶微分方程，并画出α‑γ相图，计算出两种模式的运动平衡点；其中，α定义为飞行器体坐标系下飞行器合成速度V与纵向速度Vx的夹角，合成速度V为纵向速度Vx与侧向速度Vy的矢量合成，γ为飞行器的俯仰角速度；设计高机动运动平衡点跟踪控制算法并部署于具体的飞行器，实际运动控制中控制飞行器的推力的大小和方向，通过Fx, Fy的调节来实现飞行器高机动平衡点的跟踪，以实现飞行器的高机动动作并保证系统的稳定性；其中Fx为推力在飞行器体坐标系下的纵向分量，Fy为推力在飞行器体坐标系下的纵向分量。 [0007] 其中，飞行器俯冲姿态调整控制中，根据飞行器在初始时刻时飞行器的飞行速度、姿态和质量、惯量，以及环境的风速、空气密度，计算出来飞行器高机动运动平衡点，并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点，使得传感测量的飞行器状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0008] 其中，飞行器发射运动姿态调整控制中，根据飞行器在初始时刻时飞行器的飞行加速度、姿态和质量、惯量，以及环境的风速、空气密度，计算出来飞行器高机动运动平衡点，并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点，使得传感测量的飞行器状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0009] 其中，飞行器俯冲调头姿态调整控制中，根据飞行器在初始时刻时飞行器的飞行加速度、姿态和质量、惯量，以及环境的风速、空气密度，计算出来飞行器高机动运动平衡点，并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点，使得传感测量的飞行器状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0010] 其中，飞行器上拉调头姿态调整控制中，根据飞行器在初始时刻时飞行器的飞行加速度、姿态和质量、惯量，以及环境的风速、空气密度，计算出来飞行器高机动运动平衡点，并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点，使得传感测量的飞行器状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0011] 有益效果 [0012] 1、本发明具体分析飞行器的运动特征并提出相应的控制方法，通过飞行器动力学模型分析获得飞行器高机动运动对应的平衡点，控制飞行器跟踪高机动平衡点来实现飞行器高机动动作。该方法结合飞行器自身物理参数和环境工况开发控制器，控制参数的标定具有明确的理论依据，使得飞行器的高机动控制简便可行，也使得控制系统的抗干扰能力增强。 [0013] 2、本发明通过飞行器动力学模型分析获得飞行器高机动运动对应的平衡点，控制飞行器跟踪高机动平衡点来实现飞行器高机动动作。 [0015] 图1为本发明飞行器空中飞行平衡点分析示意图； [0016] 图2 为本发明飞行器空中飞行受力分析示意图； [0017] 图3为本发明飞行器俯冲姿态调整示意图； [0018] 图4为本发明飞行器发射运动姿态调整示意图； [0019] 图5为本发明飞行器俯冲调头姿态调整示意图； [0020] 图6为本发明飞行器上拉调头姿态调整示意图。 具体实施方式[0021] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。 [0022] 本发明提出一种飞行器高机动运动控制方法，解决飞行器在运行过程中往往需要快速、敏捷的实现方向、姿态的调整，同时要保证其稳定的运动在指定的轨道内的控制需求。 [0023] 本发明飞行器空中飞行平衡点如图1所示，在平面内上拉运动的飞行器存在两种运动模式：1）低速运动模式（如图1左）；2）高机动运动模式（如图1右）。 [0024] 如图1中所示，在低速运动模式下飞行器的航向角矢量与其运动轨迹基本相切，而在高机动运动模式下飞行器的航向角矢量与其运动轨迹曲线的切线有较大的夹角。此外，两种运动模式的另一个显著区别是低速运动模式下飞行器需要较大的运动半径实现调头的操作，而高机动运动模式下飞行器在较小的运动半径即可完成调头操作。在此工况下运行的飞行器可建立其飞行运动的动力学方程如下： [0025] [0026] [0027] 其中，α定义为飞行器体坐标系下飞行器合成速度V与纵向速度Vx的夹角，合成速度V为纵向速度Vx与侧向速度Vy的矢量合成。γ为飞行器的俯仰角速度。上拉运动的飞行器可由这两个微分方程表达其运动。对于这样的两个一阶微分方程动态系统可由其相图观察其动态特征。对应于具体的飞行器物理参数可建立其相应的一阶微分方程组如上公式。对应于图1的两种运动模式可解出两种平衡点，低速运动模式的平衡点（αeq1,γeq1），高机动运动模式的平衡点（αeq2,γeq2）。此两种平衡点即为一阶微分方程组导数为零后的代数方程组对应的解。其中，低速运动模式对应的平衡点处于相平面中离原点较近的点，为稳定的平衡点，其运动控制难度较小，当飞行器处于该平衡点附近区域时其会自动向该平衡点运动，系统处于稳定状态。而高机动运动模式的平衡点处于远离原点的位置，在相图中一般为鞍点，即为不稳定的平衡点，需要加入控制以保证系统在该点附近的稳定。这两种平衡点的表示如图1中所示。对于具体的飞行器可画出其飞行受力图如图2，飞行器在某时刻T1会受到重力Fg的作用，还会受到空气阻力作用，其中Fax为空气阻力在飞行器体坐标中的纵向分量，Fay为空气阻力在飞行器体坐标中的侧向分量，飞行器还会受到推进器的推力作用，其中Fx为推力在飞行器体坐标系下的纵向分量，Fy为推力在飞行器体坐标系下的纵向分量。由此可进行飞行器的平面内的力平衡和力矩平衡，可建立其关于α，γ的一阶微分方程，并画出α‑γ相图，计算出两种模式的运动平衡点。进一步可设计出高机动运动平衡点跟踪控制算法并部署于具体的飞行器。实际运动控制中可以控制飞行器的推力的大小和方向（或者分别控制Fx, Fy的大小），通过Fx, Fy的调节来实现飞行器高机动平衡点（αeq2,γeq2）的跟踪，以实现飞行器的高机动动作并保证系统的稳定性。 [0028] 具体地，本发明提出的飞行器高机动运动控制可用于各种典型机动动作控制，具体实施实例如下： [0029] 1、飞行器俯冲姿态调整控制 [0030] 如图3所示，飞行器在T0时刻处于平飞状态，在其后时刻飞行器需要完成俯冲机动动作，并在俯冲过程的较短时段内完成飞行器姿态由水平朝前调整为竖直朝上，即如图中所示，飞行器从T0到T4时刻需要通过推力控制实现其质心的俯冲运动轨迹，同时实现其姿态的逐步调整由水平变为竖直。此高机动运动其背后也对应着飞行器的某个高机动平衡点组合。可根据飞行器在初始时刻T0时飞行器的飞行速度、姿态等状态和质量、惯量等物理参数，以及环境的风速、空气密度等（来确定飞行器气动阻力），计算出来飞行器高机动运动平衡点（αeq2,γeq2），并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点（期望的飞行器运动状态），使得传感测量的飞行器（αt,γt）状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0031] 2、飞行器发射运动姿态调整控制 [0032] 如图4所示，飞行器在T0时刻处于竖直朝上状态，在其后时刻飞行器需要完成发射动作，并在射出后迅速调整飞行姿态由竖直朝上变为平飞，即如图中所示，飞行器从T0到T5时刻需要通过推力控制实现其质心的发射运动弧线轨迹，同时实现其姿态的迅速调整由竖直变为水平。此高机动运动其背后也对应着飞行器的某个高机动平衡点组合。可根据飞行器在初始时刻T0时飞行器的飞行加速度、姿态等状态和质量、惯量等物理参数，以及环境的风速、空气密度等（来确定飞行器气动阻力），计算出来飞行器高机动运动平衡点（αeq2,γeq2），并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点（期望的飞行器运动状态），使得传感测量的飞行器（αt,γt）状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0033] 3、飞行器俯冲调头姿态调整控制 [0034] 如图5所示，飞行器在T0时刻处于平飞状态，在其后时刻飞行器需要完成调头动作，即如图中所示，飞行器从T0到T7时刻需要通过推力控制实现其质心的俯冲翻滚弧线轨迹，同时实现其姿态的迅速调整由朝前平飞变为朝后平飞。此高机动运动其背后也对应着飞行器的某个高机动平衡点组合。可根据飞行器在初始时刻T0时飞行器的飞行加速度、姿态等状态和质量、惯量等物理参数，以及环境的风速、空气密度等（来确定飞行器气动阻力），计算出来飞行器高机动运动平衡点（αeq2,γeq2），并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点（期望的飞行器运动状态），使得传感测量的飞行器（αt,γt）状态与期望值偏差最小为控制目标。 [0035] 4、飞行器上拉调头姿态调整控制 [0036] 如图6所示，飞行器在T0时刻处于平飞状态，在其后时刻飞行器需要完成调头动作，即如图中所示，飞行器从T0到T7时刻需要通过推力控制实现其质心的上拉翻滚弧线轨迹，同时实现其姿态的迅速调整由朝前平飞变为朝后平飞。此高机动运动其背后也对应着飞行器的某个高机动平衡点组合。可根据飞行器在初始时刻T0时飞行器的飞行加速度、姿态等状态和质量、惯量等物理参数，以及环境的风速、空气密度等（来确定飞行器气动阻力），计算出来飞行器高机动运动平衡点（αeq2,γeq2），并通过飞行器推力的控制来跟踪该平衡点（期望的飞行器运动状态），使得传感测量的飞行器（αt,γt）状态与期望值偏差最小为控制目标。 |
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