[發明專利]一種垂直起降火箭在線軌跡規劃的等效姿態控制處理方法

有效

• 申請號: 201811528445.1
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109484676B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 駱無意;施健鋒;王聰;李新明;宋征宇;鞏慶海;郭少波;王會霞;柳嘉潤
• 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: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 徐輝

本發明涉及一種垂直起降火箭在線軌跡規劃的等效姿態控制處理方法，依靠發動機擺角調整箭體姿態也需要一個響應過程，因此將此調節過程引入在線軌跡規劃x,z方向的動力學等式約束中，可以將姿態控制回路間接體現在在線軌跡規劃算法中，可以解決姿態控制響應延遲而導致x,z方向推力矢量分量不準確的難題，使得整體控制運動規劃效果更佳，有助于提高火箭落地時的位置精度。通過對u_x和u_z的變化率進行約束，進而能夠對姿態角的變化率進行約束，保證了火箭的姿態控制能夠被及時響應。當接近飛行結束時，對u_x和u_z進行終端等式約束，能夠使得火箭垂直平穩著陸回收。

技術領域

本發明涉及一種垂直起降火箭在線軌跡規劃的等效姿態控制處理方法，屬于運載器的軌跡在線規劃技術領域。

背景技術

在線軌跡規劃技術是一項火箭飛行過程中實時規劃一條火箭運動軌跡滿足各種等式及不等式約束條件的技術。在垂直起降重復使用火箭下落段中的飛行控制中，在線軌跡規劃技術的引入可以解決火箭開始下落位置的不確定性難題。現有軌跡規劃問題描述中動力學等式約束在建立過程中一般只是選擇將推力矢量T做為狀態量，然后將矢量在坐標系下x,y,z三個方向的分力矢量T_x,T_y,T_z分別作為狀態量分別構建微分方程。但是這種構建方式會產生形如T_x²+T_y²+T_z²＝T²的非線性等式，使得計算更復雜，而且這種構建方式不利于X,Y,Z三方向分通道加速度微分方程描述，也不利于X,Y,Z三方向分通道加速度相關等式與不等式約束描述。

而對于垂直起降重復使用火箭垂直著陸段飛行時，橫縱x,z方向的位置調整主要依靠發動機擺角調整箭體姿態使得推力矢量在x,z方向有一定的推力分量。而依靠發動機擺角調整箭體姿態也需要一個響應過程，因此將此調節過程引入在線軌跡規劃x,z方向的動力學等式約束中，可以將姿態控制回路間接體現在在線軌跡規劃算法中，可以解決姿態控制響應延遲而導致x,z方向推力矢量分量不準確的難題，使得整體控制運動規劃效果更佳，有助于提高火箭落地時的位置精度。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種垂直起降火箭在線軌跡規劃的等效姿態控制處理方法，在垂直起降重復使用火箭在線軌跡規劃的添加等效姿態控制回路環節，使得姿態控制回路間接體現在在線軌跡規劃算法中，解決姿態控制響應延遲的工程難題，使得整體控制運動規劃效果更佳，提高垂直起降重復使用火箭橫縱x,z方向的位置控制精度。

本發明目的通過如下技術方案予以實現：

提供一種用于垂直起降重復使用火箭在線軌跡規劃的等效姿態控制處理方法，包括如下步驟：

1)構建火箭水平面內橫縱x,z方向動力學模型；

2)構建姿態控制回路等效二階模型；

3)將姿態控制回路等效二階模型轉換為動力學微分方程形式，補入動力學模型中；

4)在動力學模型中補加橫縱方向產生的加速度a_x,a_z的微分方程；

5)構建包含等效姿控回路等效二階模型的在線軌跡規劃動力學等式約束方程；

6)實時獲取狀態量，通過在線軌跡規劃動力學等式約束方程實時求解控制量U；

7)獲取豎直方向所產生的推力加速度指令u_y，計算俯仰、偏航、滾動方向的程序角指令，按照程序角指令控制火箭姿態。

優選的，火箭橫縱方向動力學模型如下：