[發明專利]一種模擬自旋式飛行器六自由度運動的方法

無效

• 申請號: 200910012751.4
• 申請日: 2009-07-25
• 公開（公告）號: CN101625571A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發明（設計）人: 吳迪;王梅冬;蘇柏華;楊盛堯;侯晨曦
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05D1/00
• 分類號: G05D1/00;G05B17/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于航空航天建模技術領域，涉及到一種模擬自旋式飛行器六自由度運動的方法，并針對此模型給出兩種不同的求解方法以驗證此算法的正確性。

背景技術

自旋式飛行器屬于航空器之一，是重于相同體積空氣的航天器，依靠空氣動力克服自身重力升空。此飛行器呈圓盤形，是一種無尾無舵、翼身完全融合的非常規飛行器。常規飛行器一般通過調整舵面(翼面)的偏轉控制氣動力來實現飛行控制，自旋式飛行器則無法采用類似的方式，但可以將變質量矩控制與推力矢量控制相結合，構成復合控制，進而通過控制復合力矩來實現飛行控制。

以往研究飛行器對象主要有兩種方法：1)將飛行器的運動按縱向和橫向分開建模，采用小擾動方法建運動方程組；2)采用固定的氣動導數，建立五自由度或六自由度全量飛行器對象模型。用以上兩種方法研究飛行器對象，在一定程度上是可以反映飛行器的運動特性，但隨著研究工作的不斷深入，以及對模型準確性要求的不斷提高，這兩種建模方法已遠遠不能滿足要求，必須建立更為準確的飛行器六自由度運動模型。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種模擬自旋式飛行器六自由度運動的方法，實現根據飛行器上固連發動機的推力來計算飛行器的空間飛行姿態，或者根據此飛行器的飛行姿態求解其所需發動機推力，從而實現自旋式飛行器的可控飛行。

本發明的技術方案如下：

將自旋式飛行器的飛行運動分為質心運動和繞質心運動的兩部分，用六自由度微分方程組描述空間中任意時刻的飛行狀態。結合脈沖發動機為飛行器提供脈沖推力，能保證飛行器在可控范圍內靈活運動。根據發動機所提供動力，可運用龍格庫塔方法求解飛行器在三維空間的運動姿態；同時根據飛行器三維空間的運動姿態，可運用差分的方法求解飛行器所需推力。

本發明所用的坐標系如下：

1)地面坐標系的定義S_g------O_gx_gy_gz_g，即慣性坐標系：在地面上選一點Og；使Xg軸在水平面內并指向某一方向；Zg軸垂直于地面并指向地心；Yg軸也在水平面內并垂直于Xg軸，其指向按照右手定則確定。

2)機體坐標軸系的定義S_b------Oxyz，即動坐標系：原點O取在自旋式飛行器質心處，坐標系與飛行器固連；X軸在飛行器對稱平面內并平行于飛行器的設計軸線指向機頭；Y軸垂直于飛行器對稱平面指向機身右方；Z軸在飛行器對稱平面內，與X軸垂直并指向飛行器下方。

3)氣流坐標軸系的定義S_a------Ox_ay_az_a：原點O取在自旋式飛行器的質心處，坐標系與飛行器固連；Xa與飛行速度V重合一致；Za軸在飛行器對稱平面內與Xa軸垂直并指向飛行器下方；Ya軸垂直OXaZa平面并指向飛行器右方。

4)穩定性坐標軸系的定義S_s------Ox_sy_sz_s：原點O取在自旋式飛行器質心處，坐標系與飛行器固連；x_s軸與飛行器飛行速度V在其對稱平面內的投影重合一致；z_s軸在飛行器對稱平面內與x_s軸垂直并指向機腹下方；y_s軸與機體軸y重合一致。

5)航跡坐標系軸系的定義S_k------Ox_ky_kz_k：原點O取在自旋式飛行器質心處，坐標系與飛行器固連；x_k軸與飛行速度V重合一致；z_k軸位于包含飛行速度V在內的鉛垂面內，與x_k軸垂直并指向下方；y_k軸垂直于Ox_kz_k平面，其指向按照右手定則來確定。

本發明所用的運動參數如下：

1)自旋式飛行器的姿態角是由機體坐標系與地軸系之間的關系確定的，是通常所指的歐拉角，其中包括：

俯仰角θ：機體軸X與水平面間夾角，抬頭為正；

偏航角Ψ：機體軸X在水平面上的投影與地軸Xg間夾角，機頭右偏航為正；

滾轉角Φ：機體軸Z與通過機體軸X的鉛垂面間夾角，飛行器向右滾轉時為正。

2)自旋式飛行器的航跡角是由氣流坐標系與地面坐標軸系之間的關系確定的，其中包括：