CN103345157A - 一种无人飞行器三自由度模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人飞行器三自由度模型构建方法。所述无人飞行器三自由度模型由无人飞行器数据模块和飞行器质点运动动力学模块组成，所述的飞行器质点动力学模块可重复应用于所有无人飞行器的三自由度建模过程，从而减少无人飞行器三自由度建模的工作量；进一步通过封装无人飞行器三自由度模型软件，将气动力计算、模型解算、辅助物理量计算等复杂功能交给计算机，用户只需设置模型输入，便可获得完备的飞行器三自由度运动物理量，使用简单方便。

Description

一种无人飞行器三自由度模型构建方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其是涉及一种无人飞行器三自由度模型构建方法。

背景技术

通常，飞行器的建模是基于飞行器刚体运动建立六自由度模型，以实现对飞行器制导与控制的非线性仿真。但是，飞行器的轨迹与制导设计是针对飞行器的质点运动，飞行器的质点运动三自由度模型忽略了飞行器的角运动与力矩作用，并且假设飞行器不受侧力和侧滑角的作用，所以建立无人飞行器的三自由度质点运动非线性数学模型，不仅简化了对飞行器运动的研究，同时对于独立验证飞行器的轨迹和制导技术有着重要的意义。传统飞行器三自由度数学模型建立过程中，首先选择适当的坐标系；其次根据飞行器当前状态从吹风数据中求取气动导数，并进一步在发动机模型、大气模型和重力场模型的基础上求解飞行器合力；然后在质点运动方程的基础上解算更新飞行器状态量；最终利用新的状态量计算其它物理量。针对不同飞行器建模时，这种方法有以下几个不足之处：

1.由于飞行器气动数据库以及气动力的计算都有差异，建模需重复上述过程，过程复杂，建模效率低。

2.飞行器质点运动方程、大气密度模型、重力场模型等是不变，传统建模没有模块化这些部分，不仅加大了重复建模的工作量，且使用不够简单方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提出了一种无人飞行器三自由度模型构建方法。所述方法将无人飞行器三自由度模型分为两个模块：无人飞行器数据模块和飞行器质点运动动力学模块，并通过合理规范和简化每个模块的架构，从而形成使用简单、修改方便的无人飞行器三自由度模型构建方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种无人飞行器三自由度模型构建方法，包括无人飞行器数据模块和飞行器质点运动动力学模块，所述无人飞行器数据模块包括无人飞行器数据、升力函数和阻力函数，所述飞行器质点运动动力学模块包括质点运动动力学状态方程、相对气流运动函数以及重力加速度函数；具体步骤如下：

步骤1：获取无人飞行器数据，包括飞行器几何面积、质量及吹风数据；

步骤2：根据步骤1获得的无人飞行器数据，建立飞行器升力函数和阻力函数；

步骤3：对步骤1获得的无人飞行器数据、步骤2建立的升力函数与阻力函数进行组合并封装，得到无人飞行器数据模块；

步骤4：建立质点运动动力学状态方程，所述方程状态量包括飞行器惯性速度、轨迹倾斜角、航向角与飞行器相对惯性系位置；

步骤5：针对风对飞行器速度的影响，建立飞行器空速函数；进一步根据标准大气模型，建立飞行器相对气流运动函数，计算飞行器相对气流运动物理量；飞行器相对气流运动物理量包括空速、马赫数和动压；

步骤6：根据地球重力场模型，计算无人飞行器重力加速度函数；

步骤7：对步骤4获得的质点运动状态方程、步骤5获得的相对气流运动函数、步骤6获得的重力加速度函数进行组合并封装，得到飞行器质点运动动力学模块；

步骤8：对步骤3获得的无人飞行器数据模块、步骤7获得的飞行器质点运动动力学模块组合并封装，得到无人飞行器三自由度模型。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种无人飞行器三自由度模型构建方法。所述无人飞行器三自由度模型由无人飞行器数据模块和飞行器质点运动动力学模块组成，所述的飞行器质点动力学模块可重复应用于所有无人飞行器的三自由度建模过程，从而减少无人飞行器三自由度建模的工作量；进一步通过封装无人飞行器三自由度模型软件，将气动力计算、模型解算、辅助物理量计算等复杂功能交给计算机，用户只需设置模型输入，便可获得完备的飞行器三自由度运动物理量，使用简单方便。

附图说明

图1是无人飞行器数据模块构建示意图。

图2是无人飞行器数据模块封装示意图。

图3是飞行器质点运动动力学模块封装示意图。

图4是模型加风与空速计算示意图。

图5是无人飞行器三自由度模型封装示意图。

图6是无人飞行器三自由度模型应用流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种无人飞行器三自由度模型构建方法进行详细说明：

本实施例构建的无人飞行器三自由度模型由无人飞行器数据模块和飞行器质点运动动力学模块组成，所述无人飞行器数据模块包括无人飞行器数据、升力函数和阻力函数，所述飞行器质点运动动力学模块包括质点运动动力学状态方程、相对气流运动函数以及重力加速度函数。

1、无人飞行器数据模块构建

无人飞行器数据模块构建如图1所示，包括步骤如下：

步骤1：获取无人飞行器数据，包括飞行器几何面积、质量及吹风数据；

步骤2：根据步骤1获得的无人飞行器数据，建立飞行器升力函数和阻力函数；

步骤3：如图2所示，对步骤1获得的无人飞行器数据、步骤2建立的升力函数与阻力函数进行组合并封装，得到无人飞行器数据模块。

所述无人飞行器数据模块输入为飞行器迎角、飞行器质点运动相对气流物理量，模块输出为飞行器升力、阻力、质量等参数。

2、飞行器质点运动动力学模块

飞行器质点运动动力学模块如图2所示，其构建步骤包括：

步骤1：建立质点运动动力学状态方程，所述方程状态量包括飞行器惯性速度、轨迹倾斜角、航向角与飞行器相对惯性系位置；针对质点运动状态方程建立相应的数值解算方法，本实施例选取Adams4阶数值积分算法计算微分方程，根据方程状态量导数求解方程状态量；

质点运动动力学状态方程描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{V}=\frac{-D}{m}-g\sin \mathrm{\θ}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{L\cos \mathrm{\φ}}{\mathrm{mV}}-\frac{g\cos \mathrm{\θ}}{V}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=-\frac{L\sin \mathrm{\φ}}{\mathrm{mV}\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{H}=V\sin \\ {\stackrel{\·}{P}}_N=V\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\\ {\stackrel{\·}{P}}_E=-V\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：

L、D、φ分别为飞行器气动升力、阻力和飞行器滚转角；

V、θ、ψ分别为飞行器惯性速度、轨迹倾斜角和轨迹偏航角；

m为无人飞行器质量，g为重力加速度；

H、P_N、P_E分别为飞行器在东北天大地平面坐标系下的高度、北向距离和东向距离；

Adams4阶数值积分算法描述如下：

$y_{n+4}=y_{n+3}+\frac{h}{24}(55{\stackrel{\·}{y}}_{n+3}-59{\stackrel{\·}{y}}_{n+2}+37{\stackrel{\·}{y}}_{n+1}-9{\stackrel{\·}{y}}_n)---\left(3\right)$

截断误差为

其中：

h表示仿真步长；

分别表示第n+3、n+2、n+1、n时刻y的导数；y⁽⁵⁾表示y的5次导数；

y_n+4、y_n+3分别表示n+4、n+3时刻y的值；

步骤2：针对风对飞行器速度的影响，建立飞行器空速函数如图4所示；进一步根据标准大气模型，建立飞行器相对气流运动函数，计算飞行器空速、马赫数、动压等相对气流运动物理量；本实施例引用1962美国标准大气模型，建立大气参数函数，所述大气参数包括大气密度、当地音速、当地大气静温与当地大气静压；

空速函数描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{e2\mathrm{wind}}=V_e-V_{\mathrm{wind}\_e}\\ V_{n2\mathrm{wind}}=V_n-V_{\mathrm{wind}\_n}\\ V_{u2\mathrm{wind}}=V_u-V_{\mathrm{wind}\_n}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：

V_e、V_n、V_u分别是飞行器惯性速度在东向、北向、天向的分量；

V_{wind_e}、V_{wind_n}、V_{wind_u}分别是气流在东向、北向、天向的速度分量；

V_e2wind、V_e2wind、V_u2wind分别是空速在东向、北向、天向的分量；

大气参数函数描述如下：

ρ查1962年标准大气表     (5)

V_sonic查1962年标准大气表     (6)

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sea}\_\mathrm{level}}}---\left(7\right)$

H_e=3.2808×H     (8)

$T_s=0.55556\&times;\left\{\begin{array}{cc}518.7\&times;(1.0-6.875\&times;{10}^{-6}\&times;H);& 0<H_e\&le;36089\\ 518.7\&times;0.751985;& 36089<H_e<240000\end{array}\right.---\left(9\right)$

$P_s=47.88018\&times;\left\{\begin{array}{cc}2113.8\&times;{(1.0-6.875\&times;{10}^{-6}\&times;H)}^{5.256};& 0<H_e\&le;36089\\ 2113.8\&times;0.2234\&times;e^{-4.806\&times;{10}^{-5}\&times;(H-36089)};& 36089<H_e<240000\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中：

H、H_e分别是海拔高度的公制和英制表示；

ρ为当前高度处的大气密度；

V_sonic为当前高度处的音速；

σ为当前高度和海平面的大气密度比值；

T_s为当前高度处大气的静温；

P_s为当前高度处的大气的静压；

步骤3：根据地球重力场模型，计算无人飞行器重力加速度；

重力加速度函数描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_R=0.00108263{\left(\frac{H+R_e}{R_e}\right)}^2\\ K_g=\sqrt{2.25\&times;(5{\sin }^4\left(D\right)-2{\sin }^2\left(D\right)+1)K_R^2+3\&times;(-3{\sin }^2\left(D\right)+1)K_R+1}\\ g=K_g\frac{\mathrm{GM}}{{(H+R_e)}^2}\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中：

R_e为地球半径；

D为纬度；

G为引力常数；

M为地球质量；

步骤4：对步骤1获得的质点运动状态方程、步骤2获得的相对气流运动函数、步骤3获得的重力加速度函数进行组合并封装，得到飞行器质点运动动力学模块如图3所示；重力加速度函数根据质点运动状态方程位置信息计算得到重力加速度，质点运动状态方程获取重力加速度并迭代计算的方程状态量，相对气流运动函数根据质点运动方程状态量完成飞行器相对气流物理量的计算。

所述飞行器质点运动动力学模块输入为升力、阻力、飞行器质量与飞行器滚转角，模块输出包括飞行器质点运动方程状态量、状态量导数及飞行器相对气流运动物理量，该模块不依赖于飞行器数据，可重复应用于不同飞行器的三自由度建模过程。

3、无人飞行器三自由度模型构建

如图5所示，对无人飞行器数据模块、飞行器质点运动动力学模块进行组合并封装，得到无人飞行器三自由度模型。

所述无人飞行器数据模块与飞行器质点运动动力学模块输入输出关系为：无人飞行器数据模块从飞行器质点运动动力学模块获取飞行器相对气流物理量（如马赫数、动压等），并完成气动升力、阻力的计算，从而输出升力、阻力与飞行器质量到质点运动动力学模块，飞行器质点运动动力学模块可完成运动方程状态量与相对气流物理量的迭代计算。

针对无人飞行器三自由度模型封装需求，建立无人飞行器三自由度模型输入输出操作函数，所述模型输入输出操作函数包括：

1)基本操作函数：设置三自由度模型输入（飞行器迎角、滚转角、控制舵面），触发模型更新、重置模型状态；

2)设置三自由度模型基本状态量函数：初始化飞行器质点运动基本状态；3)获取模型基本状态量、状态量导数函数：输出模型基本状态量与状态量导数；

4)相对气流功能函数：设置模型加风、获取飞行器相对气流物理量；

本实施例构建的飞行器三自由度模型软件的仿真应用如图6所示，其流程为：1.用户设置模型基本状态量，初始飞行器质点运动基本状态；2.用户设置模型输入，飞行器迎角、滚转角和操纵舵面；3.用户可进一步选择性设置模型加风；4.触发模型更新（模型内部自动完成升力阻力计算，并采用Adams4阶数值积分算法更新模型基本状态量）；5.模型自动计算飞行器相对气流物理量；6.模型输出飞行器基本状态量、状态量导数、相对气流物理量；7.重复步骤2至步骤7，即可实现飞行器质点运动非线性仿真。

Claims (1)

1.一种无人飞行器三自由度模型构建方法，其特征在于，包括无人飞行器数据模块和飞行器质点运动动力学模块，所述无人飞行器数据模块包括无人飞行器数据、升力函数和阻力函数，所述飞行器质点运动动力学模块包括质点运动动力学状态方程、相对气流运动函数以及重力加速度函数；具体步骤如下：

步骤1：获取无人飞行器数据，包括飞行器几何面积、质量及吹风数据；

步骤2：根据步骤1获得的无人飞行器数据，建立飞行器升力函数和阻力函数；

步骤3：对步骤1获得的无人飞行器数据、步骤2建立的升力函数与阻力函数进行组合并封装，得到无人飞行器数据模块；

步骤4：建立质点运动动力学状态方程，所述方程状态量包括飞行器惯性速度、轨迹倾斜角、航向角与飞行器相对惯性系位置；

步骤5：针对风对飞行器速度的影响，建立飞行器空速函数；进一步根据标准大气模型，建立飞行器相对气流运动函数，计算飞行器相对气流运动物理量；飞行器相对气流运动物理量包括空速、马赫数和动压；

步骤6：根据地球重力场模型，计算无人飞行器重力加速度函数；

步骤7：对步骤4获得的质点运动状态方程、步骤5获得的相对气流运动函数、步骤6获得的重力加速度函数进行组合并封装，得到飞行器质点运动动力学模块；

步骤8：对步骤3获得的无人飞行器数据模块、步骤7获得的飞行器质点运动动力学模块组合并封装，得到无人飞行器三自由度模型。

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