[發明專利]一種角速度輸入條件下的姿態解耦方法

在審

• 申請號: 201710608769.5
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN109297487A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 蘇中;費程羽;李擎;劉福朝;李超;劉寧;付國棟
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種角速度輸入條件下的姿態解耦方法，能夠把目前主要通過改變自旋剛體自身結構來降低轉速以削弱姿態耦合的方法轉換為通過建立中間坐標系進行數學解旋從而克服姿態耦合的方法。該方法包含：(1)構建一個能夠實時跟蹤載體旋轉角速度的動坐標系，將其作為中間坐標系；(2)將姿態解算過程由載體坐標系轉換到中間坐標系；(3)待解算完成后再轉換到導航坐標系，實現導航坐標系下的姿態解耦。本發明能夠解決制導彈藥姿態穩定、油氣藏鉆井的鉆桿姿態控制等自旋剛體姿態的實時精確測量，對航空航天、武器彈藥、油氣勘探等領域的發展具有現實的應用價值。

技術領域

本發明屬于導航制導與控制領域，具體是一種一種角速度輸入條件下的姿態解耦方法。

背景技術

剛體是指在外力作用下，其形狀、大小及內部各點相對位置不變的物體。在導航、制導與控制領域，剛體姿態的精確測量對其自身的姿態穩定、運動控制具有重要意義。剛體在旋轉時，常表現出俯仰和偏航通道之間的耦合效應(如馬格努斯效應、陀螺效應等)，使其具有特殊的運動學和動力學特性，具體表現為錐運動及其它附加運動。這些復雜運動導致剛體姿態角相互耦合，出現誘導誤差，將加劇導航系統的姿態誤差發散，從而嚴重影響自旋剛體后續的導航、制導與控制。

例如制導彈藥飛行過程中姿態參數的測量對彈藥的氣動參數辨識、外彈道特性研究、制導系統設計等都有重要的意義，而自旋彈丸的姿態測量一直存在很多困難。身管發射彈藥的轉速通常在30～100轉/秒，以現有的導航手段難以得到滿足制導控制要求的姿態參數。又比如在油氣田勘探開發中，鉆井的鉆桿姿態控制問題一直是深層油氣藏鉆井施工中面臨的主要難題和急需解決的技術，這一問題在我國塔里木、準噶爾和南方海相地區這尤為明顯。對于高陡構造、大傾角底層等復合底層，常規的滿眼鉆具、偏心鉆具等姿態防斜糾斜技術可以在一定程度上抑制井斜增加，但只能采用輕壓吊打來控制井斜，導致機械鉆速極低，直接影響著該地區油氣藏的勘探開發速度，而造成這種情況的主要原因在于無法實現對井斜角的實時動態測量。

總之，目前缺少能夠解決角速度輸入條件下的自旋剛體姿態解耦問題的有效方法。

發明內容

本發明公開了一種角速度輸入條件下的姿態解耦方法，其主要目的在于利用數學的方法建立中間坐標系，并使其作為媒介，克服剛體自轉的姿態耦合影響，提高姿態測量精度。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種自旋剛體的姿態解耦方法，包括以下步驟：

步驟1，構建一個能夠實時跟蹤載體旋轉角速度的動坐標系，將其作為中間坐標系；

步驟2，將姿態解算過程由載體坐標系轉換到中間坐標系；

步驟3，待解算完成后再轉換到導航坐標系，實現導航坐標系下的姿態解耦。

進一步的，所述步驟1中的中間坐標系能夠使得下式中：

中Φ和ω的方向一致，其中Φ是t_k時刻至t_k+1時刻角位置變化所對應的等效旋轉矢量，是Φ的導數，Φ是Φ的絕對值Φ＝|Φ|，ω是t_k時刻至t_k+1時刻的載體角速度。即Φ×ω＝0。

進一步的，所述步驟2中，由載體坐標系B系到中間坐標系S系的轉換可表示為：

R_S＝T^-1(Ω·Δt)＝T(-Ω·Δt)R_B

其中R_S表示中間坐標系下的矢量，R_B表示載體坐標系下的矢量，T為方向余弦矩陣，T¹為T的逆矩陣，Ω為圓錐運動角速度，Δt為時刻差Δt＝t_k+1-t_k。