專利名稱：運(yùn)動(dòng)體btt轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法及其實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，特別適用于航行在水下環(huán)境中的高速運(yùn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)彎控制，屬于運(yùn)動(dòng)體動(dòng)力學(xué)及控制、導(dǎo)航領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，針對(duì)航行在水下環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)體控制問題的研究主要是針對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)的，學(xué)者們提出了各種控制器的設(shè)計(jì)方法，取得了ー些成果。對(duì)于該類型運(yùn)動(dòng)體的側(cè)向運(yùn)動(dòng)的控制問題，參考飛機(jī)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制及轉(zhuǎn)彎控制，主要有兩種策略，分別是傳統(tǒng)的側(cè)滑轉(zhuǎn)彎(STT)控制技術(shù)和傾斜轉(zhuǎn)彎(BTT)控制技術(shù)。世界上大多數(shù)飛行器都采用STT轉(zhuǎn)彎控制技木，這種控制技術(shù)在飛行器的飛行過程中，保持運(yùn)動(dòng)體縱軸相對(duì)穩(wěn)定，控制飛行器在俯仰和偏航兩個(gè)平面內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)法向力，其 合成的法向力指向?qū)б仕蟮姆较?。STT飛行器的加速度大小與方向的變化是通過迎角和側(cè)滑角的協(xié)調(diào)變化來(lái)完成的，側(cè)滑角的存在使飛行器產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)，而側(cè)向運(yùn)動(dòng)對(duì)于有氣幕包裹的運(yùn)動(dòng)體來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是導(dǎo)致氣幕不穩(wěn)定的ー個(gè)因素，在其穩(wěn)定航行中，如果產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)，必須保證氣幕的穩(wěn)定性，這無(wú)疑増加了控制難度。BTT轉(zhuǎn)彎控制技術(shù)在轉(zhuǎn)彎的過程中，首先操縱滾動(dòng)通道使飛行器高速旋轉(zhuǎn)，盡快將飛行器的主升力面對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)；同時(shí)俯仰通道飛行器旋轉(zhuǎn)，在主升力面迅速實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引指令，追蹤攻擊目標(biāo)；并且在滾動(dòng)和俯仰通道運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，控制偏航通道的運(yùn)動(dòng)，使飛行器的側(cè)滑角和側(cè)向過載盡可能小，理想的BTT飛行器是沒有側(cè)滑的。沒有側(cè)滑這一點(diǎn)，對(duì)氣幕的穩(wěn)定性是有意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明介紹了ー種運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，該方法為運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)提供了前提保障。本發(fā)明中所述的運(yùn)動(dòng)體航行在水下環(huán)境，航行速度大于100m/S，因此是ー種新型的運(yùn)動(dòng)體，航行時(shí)，運(yùn)動(dòng)體表面被ー層氣幕包裹，運(yùn)動(dòng)體相當(dāng)于是在氣體中航行。由于運(yùn)動(dòng)體在空氣中航行的摩擦阻カ遠(yuǎn)小于運(yùn)動(dòng)體在水中的摩擦阻力，從而使運(yùn)動(dòng)體的航行速度大幅度提高。然而，由于氣幕的包裹使運(yùn)動(dòng)體的受カ方式及動(dòng)力學(xué)特性與常規(guī)水下運(yùn)動(dòng)體有顯著的區(qū)別，給該運(yùn)動(dòng)體動(dòng)力學(xué)特性的研究及控制問題的研究提出了很大的挑戰(zhàn)。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，具體步驟如下第一歩，運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的提??；所述的運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)信息包括運(yùn)動(dòng)體位移、速度、角度姿態(tài)、角速度信息。第二步，獲取運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息，包括攻角、側(cè)滑角、縱向過載、法向過載、角速度、角加速度信息。具體內(nèi)容為對(duì)運(yùn)動(dòng)體的BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息進(jìn)行解耦，分類，最終將BTT控制信息分解為滾動(dòng)通道姿態(tài)信息及俯仰-偏航通道姿態(tài)信息；分別對(duì)滾動(dòng)通道姿態(tài)信息及俯仰-偏航通道姿態(tài)信息中的水動(dòng)カ系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到完整的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信
o所述的水動(dòng)カ系數(shù)包括位置導(dǎo)數(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)、鰭舵導(dǎo)數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)本發(fā)明提供的獲取方法得到的完整的運(yùn)動(dòng)體的BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息對(duì)運(yùn)動(dòng)體進(jìn)行控制，能夠保證水下運(yùn)行環(huán)境中，航行速度大于100m/S的運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎，使得包裹運(yùn)動(dòng)體的氣幕保持穩(wěn)定。


圖I是本發(fā)明提供的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法流程圖；圖2是本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)體體坐標(biāo)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法在具體實(shí)施時(shí)，先根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系及牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立運(yùn)動(dòng)體六自由度動(dòng)力學(xué)模型，從所述的動(dòng)力學(xué)模型中提取運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息；而后針對(duì)BTT轉(zhuǎn)彎的實(shí)施策略，結(jié)合運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及攻角與側(cè)滑角的求解方法，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲??；對(duì)所獲得的BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息進(jìn)行分類，解耦，將BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息分為滾動(dòng)通道姿態(tài)信息和俯仰-偏航通道姿態(tài)信息兩類；采用經(jīng)驗(yàn)公式估算法對(duì)滾動(dòng)通道姿態(tài)信息和俯仰-偏航通道姿態(tài)信息中的位置導(dǎo)數(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)及舵鰭導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)得到的完整的雙通道運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息進(jìn)行開環(huán)控制仿真，分析研究雙通道BTT控制信息的狀態(tài)穩(wěn)定性及可操作性，為運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。本發(fā)明的實(shí)施過程中由于公式及運(yùn)算符號(hào)較多，采用數(shù)值計(jì)算軟件Mathematic和Matlab編程運(yùn)算完成，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)體BTT控制信息的穩(wěn)定性分析部分可利用Simulink軟件包完成。如圖I所示，為本發(fā)明提供的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法流程圖，所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)第一歩，運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的提取根據(jù)牛頓第二定律及流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)，從運(yùn)動(dòng)體繞重心移動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程及運(yùn)動(dòng)體繞重心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程中，即運(yùn)動(dòng)體六自由度運(yùn)動(dòng)方程中，提取運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)信息包括運(yùn)動(dòng)體位移、速度、角度姿態(tài)、角速度信息等。姿態(tài)信息提取的原始模型如下
m(u — vr + wq) = R. ni{ v - wp + urj = / ",\^7；iq+；lhFM⑴
J}4 + {1x-h)rP = My Ij + {ly~Ix)pq = Mz式(I)中m為運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量；u、V、w分別為運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)的速度矢量在運(yùn)動(dòng)體動(dòng)坐標(biāo)系各軸上的分量W、1)、#分別為坐標(biāo)原點(diǎn)的加速度(速度的ー階導(dǎo)數(shù))在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系各軸上的分量；p、q、r分別為運(yùn)動(dòng)體繞自身縱軸、橫軸、立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;P 4、盧分別為運(yùn)動(dòng)體繞自身縱軸、橫軸、立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度(角速度的ー階導(dǎo)數(shù));IX> Iy、Iz分別為運(yùn)動(dòng)體關(guān)于自身縱軸、橫軸、立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；FX、Fy、Fz分別為運(yùn)動(dòng)體受到的合力在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系各軸下的分量;MX、My、Mz分別為運(yùn)動(dòng)體受到的合力矩在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系各軸下的分量，如圖2所示，所述的縱軸、橫軸、立軸分別對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系的y軸、X軸和z軸。第二步獲取運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息；所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息包括攻角、側(cè)滑角、縱向過載、法向過載、角速度和角加速度信息。具體獲取過程如下(I)根據(jù)第一歩中已提取的運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)信息，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)體航行過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，獲得運(yùn)動(dòng)體攻角及側(cè)滑角航行姿態(tài)位置信息；另外，結(jié)合運(yùn)動(dòng)體法向過載方程，得到運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息。令u = vx, V = vy, w = vz, p = wx, q = wy, r = Wz,并且，由于攻角 a 和側(cè)滑角 3
較小，有
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，其特征在于運(yùn)動(dòng)體航行在水下環(huán)境，航行速度大于lOOm/s，運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法的步驟如下 第一步，運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的提??；所述的運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)信息包括運(yùn)動(dòng)體位移、速度、角度姿態(tài)、角速度信息； 第二步，獲取運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息；對(duì)運(yùn)動(dòng)體的BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息進(jìn)行解耦，分類，將BTT控制信息分解為滾動(dòng)通道姿態(tài)信息及俯仰-偏航通道姿態(tài)信息；分別對(duì)滾動(dòng)通道姿態(tài)信息及俯仰-偏航通道姿態(tài)信息中的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到完整的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息；所述的水動(dòng)力系數(shù)包括位置導(dǎo)數(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)、鰭舵導(dǎo)數(shù)；所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息包括攻角、側(cè)滑角、縱向過載、法向過載、角速度、角加速度信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的提取，具體為 根據(jù)牛頓第二定律及流體動(dòng)力學(xué)，從運(yùn)動(dòng)體繞重心移動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程及運(yùn)動(dòng)體繞重心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程中，提取運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)信息，姿態(tài)信息提取的原始模型如下 式(I)中m為運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量；u、V、w分別為運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系原點(diǎn)的速度矢量在運(yùn)動(dòng)體動(dòng)坐標(biāo)系各軸上的分量H、命分別為坐標(biāo)原點(diǎn)的加速度在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系各軸上的分量；P、q、r分別為運(yùn)動(dòng)體繞自身縱軸、橫軸、立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度t> u +分別為運(yùn)動(dòng)體繞自身縱軸、橫軸、立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；IX、Iy、Iz分別為運(yùn)動(dòng)體關(guān)于目封縱軸、橫軸、立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Fx、Fy、Fz分別為運(yùn)動(dòng)體受到的合力在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系各軸下的分量;MX、My、Mz分別為運(yùn)動(dòng)體受到的合力矩在運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系各軸下的分量，所述的縱軸、橫軸、立軸分別對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系的y軸、X軸和z軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息獲取過程如下 根據(jù)第一步中已提取的運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)信息，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)體航行過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，獲得運(yùn)動(dòng)體攻角及側(cè)滑角航行姿態(tài)位置信息；另外，結(jié)合運(yùn)動(dòng)體法向過載方程，得到運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息； 令u = vx, V = vy, w = vz, p = wx, q = wy, r = Wz,并且，由于攻角a和側(cè)滑角3較小，有 則運(yùn)動(dòng)體航行過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為式(2)中(t為橫滾角，0為俯仰角4為偏航角； 所述的法向過載方程為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法，其特征在于所述的滾動(dòng)通道姿態(tài)信息為
5.一種運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述的實(shí)現(xiàn)裝置包括運(yùn)動(dòng)體位移速度、角度姿態(tài)及相應(yīng)速度信息模塊、BTT控制信息提取模塊、動(dòng)力學(xué)系數(shù)估算模塊和BTT控制信息動(dòng)力學(xué)特性分析模塊； 所述的角度姿態(tài)及相應(yīng)速度信息模塊用于提取運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，其提取過程同運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法的第一步；所述的BTT控制信息提取模塊接收角度姿態(tài)及相應(yīng)速度信息模塊的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，并對(duì)接收到的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息進(jìn)行解耦，分類，輸出俯仰偏航通道信息和滾動(dòng)通道姿態(tài)信息；動(dòng)力學(xué)系數(shù)估算模塊對(duì)BTT控制信息提取模塊的輸出結(jié)果中的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行估算，得到完整的雙通道運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息輸出；動(dòng)力學(xué)系數(shù)估算模塊將輸出結(jié)果輸入BTT控制信息動(dòng)力學(xué)特性分析模塊進(jìn)行處理，得到運(yùn)動(dòng)體在不同時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)所述的運(yùn)行狀態(tài)的仿真，用于判斷運(yùn)動(dòng)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可操縱性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息的獲取方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，屬于運(yùn)動(dòng)體動(dòng)力學(xué)及控制、導(dǎo)航領(lǐng)域。本發(fā)明中所述的運(yùn)動(dòng)體航行在水下環(huán)境，航行速度大于100m/s，所述的獲取方法首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的提?。蝗缓螳@取運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)體的BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息進(jìn)行解耦，分類，將BTT控制信息分解為滾動(dòng)通道姿態(tài)信息及俯仰-偏航通道姿態(tài)信息；分別對(duì)滾動(dòng)通道姿態(tài)信息及俯仰-偏航通道姿態(tài)信息中的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到完整的運(yùn)動(dòng)體BTT轉(zhuǎn)彎控制姿態(tài)信息。本發(fā)明能夠保證水下運(yùn)行環(huán)境中，航行速度大于100m/s的運(yùn)動(dòng)體的穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎，使得包裹運(yùn)動(dòng)體的氣幕保持穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G05D1/08GK102768538SQ20121022287
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者孫堯, 安偉光, 白濤, 趙國(guó)良, 趙新華, 韓云濤 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)