[發明專利]一種對時變調姿目標的程序四元數在線規劃方法

有效

• 申請號: 201610695140.4
• 申請日: 2016-08-19
• 公開（公告）號: CN106066648B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 潘豪;李學鋒;王曉東;王輝;胡煜榮;馮昊;李新明;李超兵
• 申請（專利權）人: 北京航天自動控制研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京君恒知識產權代理事務所(普通合伙)11466
• 代理人: 張璐,黃啟行

技術領域

本發明涉及一種具有連續時變調姿目標的程序四元數在線規劃方法，屬于飛行器控制系統設計領域。

背景技術

飛行器由于飛行任務需求，往往需要調整自身姿態到期望的目標姿態，并且經常遇到期望的目標姿態是隨時間不斷變化的，即在姿態調整過程中目標姿態仍在時時刻刻發生變化。這就需要在當前姿態和時變目標姿態之間實時規劃出光滑的姿態曲線，實現飛行器的平穩調姿。現在常見的姿態調姿主要是利用三通道程序角分別進行在線規劃，所使用方法包括角速度線性調姿、角速度梯形調姿等等。三通道程序角在線規劃方法在飛行器飛行過程中姿態角變化范圍大時，會出現約定轉序下姿態角解算奇異問題，為了克服這一問題，一些飛行器姿態控制系統設計采用基于四元數直接控制方法，以回避姿態解算過程。在此情況下，跟蹤程序姿態角就變為跟蹤程序四元數，相應程序姿態角在線規劃調姿就變為程序四元數在線規劃計算。

目前，針對程序四元數在線規劃調姿已有的方法是在目標姿態非時變情形下設計的，具有時變調姿目標姿態的在線規劃調姿還沒有相關方法。對于時變調姿目標的調姿規劃，所面臨的主要問題：(1)如何設計調姿目標姿態時變情形下的平滑連續變化調姿軌跡，以滿足工程應用需求；(2)整個調姿需要保證四元數調姿空間角度為小角度，以節省調姿控制所需燃料和減少調姿所需時間；(3)保證大范圍時變調姿情形下的適應性，需要滿足調姿目標姿態時變并在180度左右變化的情況。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種對時變調姿目標的程序四元數在線規劃方法，能夠保證調姿空間角度為最小，且調姿過程平滑連續。

本發明的技術解決方案是：一種對時變調姿目標的程序四元數在線規劃方法，包括如下步驟：

設調姿起始時刻為t₀，調姿總時間為T，在調姿過程的任意時刻t∈[t₀,t₀+T]，按如下步驟計算在線規劃的程序四元數：

(1)根據飛行器調姿時的初始姿態四元數描述Q_cx(t₀)和t時刻的時變目標姿態利用公式計算t時刻的轉動四元數P(t)，其中，為Q_cx(t₀)的共軛，ο表示四元數乘，

(2)根據轉動四元數P(t)計算t時刻的轉角參數α(t)及轉軸參數E₁(t)、E₂(t)、E₃(t)，計算公式為：α(t)＝2cos^-1(p₀(t))，

(3)對轉角參數α(t)進行轉化，使其位于[-π,+π]之間，得到同時對E₁(t)、E₂(t)、E₃(t)進行更新，得到

(4)對進行連續化處理，同時更新

(5)利用如下公式計算t時刻的參數

當t₀≤t≤(t₀+T/2))時，有：

當(t₀+T/2)≤t≤t₀+T)時，有：

(6)利用公式得到t時刻在線規劃的程序四元數Q_cx(t)，其中，

所述步驟(3)的實現方式為：

如果步驟(2)得到的α(t)>π，則對轉角參數α(t)進行如下轉化：同時對E₁(t)、E₂(t)、E₃(t)進行更新，得到否則，

所述步驟(4)的實現方式為：

如果步驟(3)得到的且則利用公式對進行連續化處理，同時利用更新否則及不變；

其中，t_{_}表示t時刻的上一時刻，且在t₀時刻有t₀＝t_-。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

本發明采用四元數描述飛行器姿態變化，提出了一種調姿目標姿態隨時間連續變化情形下的姿態軌跡在線規劃方法，通過對轉角參數α(t)進行轉化，保證在實時規劃過程中調姿空間角度連續且最小，以節省調姿所需燃料；通過對進行連續化處理，可適應目標姿態時變過程中調姿范圍由小于180度變為大于180度的情形。該方法實現原理清楚，且簡單可靠，算法復雜度低、易于軟件實現。

附圖說明

圖1為本發明流程圖；