一种轴对称飞行器大机动控制方法及相关设备

1.本发明涉及轴对称飞行器控制技术领域，特别涉及一种轴对称飞行器大机动控制方法及相关设备。


背景技术：

2.轴对称飞行器一般采用侧滑转弯（stt）策略，当轴对称飞行器飞行距离较远与侧向机动时，飞行攻角、侧滑角一般较大。当飞行攻角与侧滑角同时比较大时，纵向与侧向的舵面效率急剧降低，从而需要较大的俯仰舵面与偏航舵面平衡飞行攻角与侧滑角，而舵面偏转值有限，实际情况是舵面往往难以达到需求值。
3.目前，为了使舵面需求与飞行攻角与侧滑角相匹配，一般采用限制飞行攻角、飞行侧滑角的方法，但是这种方法不能充分发挥轴对称飞行器的机动能力。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种轴对称飞行器大机动控制方法及相关设备，其目的是为了充分发挥轴对称飞行器的机动能力，保证对轴对称飞行器飞行弹道的平稳与精确控制能力。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种轴对称飞行器大机动控制方法，包括：步骤1，根据轴对称飞行器的技术指标确定轴对称飞行器飞行全程所需的飞行攻角、侧滑角与马赫数；步骤2，根据飞行攻角需求、侧滑角需求与马赫数需求，计算轴对称飞行器在所有工况点下飞行时的舵面需求；步骤3，获取舵面满偏值，判断在所有工况点下舵面需求与舵面满偏值的大小；当在所有工况点下舵面需求均小于舵面满偏值时，轴对称飞行器的飞行弹道全程采用侧滑转弯控制策略；当在所有工况点中的一工况点下舵面需求大于或等于舵面满偏值时，轴对称飞行器根据舵面需求与舵面满偏值的大小将飞行弹道分为大机动段和正常飞行段，在大机动段采用倾斜转弯控制策略，在正常飞行段采用侧滑转弯控制策略。
6.进一步来说，步骤1包括：建立纵向平面内的轴对称飞行器运动模型；通过对所述轴对称飞行器运动模型进行仿真，得到所述轴对称飞行器技术指标要求的升力需求；通过公式和，求取所述轴对称飞行器全程所需的飞行攻角和侧滑角；其中，为轴对称飞行器技术指标要求的升力需求，为作用在轴对称飞行器上的动压，为轴对称飞行器的特征面积，为升力系数对飞行攻角的导数，为升力系
数对侧滑角的导数。
7.进一步来说，步骤2包括:轴对称飞行器在所有工况下飞行时的舵面需求包括：在飞行攻角需求、侧滑角需求、马赫数需求下的俯仰通道所需的俯仰舵面与偏航通道所需的偏航舵面；俯仰通道所需的俯仰舵面，计算公式如下：偏航通道所需的偏航舵面，计算公式如下：其中，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的俯仰力矩系数，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的偏航力矩系数，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的俯仰力矩系数对俯仰舵面的偏导数，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的偏航力矩系数对偏航舵面的偏导数。
8.进一步来说，舵面满偏值包括俯仰通道的舵面满偏值和偏航通道的舵面满偏值；俯仰舵面满偏值为俯仰舵面的最大值；偏航舵面满偏值为偏航舵面的最大值。
9.进一步来说，在步骤3之前，还包括：计算所述轴对称飞行器x轴恒定不变的弹体系下的指令加速度，公式如下：其中，为轴对称飞行器的视线系指令加速度三分量，为重力加速度，为地面系到弹体系的转换矩阵，为视线系到地面系的转换矩阵。
10.进一步来说，步骤3还包括：
当在所有工况点下舵面需求且时，轴对称飞行器的飞行弹道全程采用侧滑转弯控制策略如下：当在所有工况点中的一工况点下舵面需求或时，将舵面需求大于舵面满偏值的飞行弹道视为大机动段，将舵面需求小于舵面满偏值的飞行弹道视为正常飞行段，轴对称飞行器采用倾斜转弯和侧滑转弯配合控制策略；轴对称飞行器在大机动段采用倾斜转弯控制策略，倾斜转弯控制策略如下：轴对称飞行器在正常飞行段采用侧滑转弯控制策略，侧滑转弯控制策略如下：其中，为弹上传感器测得的弹体实时的滚转角，为弹体滚转角指令，为弹体轴向加速度指令，弹体轴向加速度指令。
11.进一步来说，轴对称飞行器采用倾斜转弯和侧滑转弯配合控制策略时，通过指令平滑的方式将倾斜转弯控制策略切换为侧滑转弯控制策略，指令平滑方式如下：其中，为轴对称飞行器开始切换控制策略的时刻，为轴对称飞行器实时飞行的时间，为轴对称飞行器切换控制策略的过渡时间间隔，，，为控制策略切换前一刻的控制指令，，，为控制策略切换后的第一帧控制指令。
12.本发明还提供了一种轴对称飞行器大机动控制装置，包括：飞行攻角与侧滑角确定模块，用于根据轴对称飞行器的技术指标确定轴对称飞行器飞行全程所需的飞行攻角、侧滑角与马赫数；
舵面需求计算模块，用于根据飞行攻角需求、侧滑角需求与马赫数需求，计算轴对称飞行器在所有工况点下飞行时的舵面需求；控制策略选择模块，用于获取舵面满偏值，判断在所有工况点下舵面需求与舵面满偏值的大小；当在所有工况点下舵面需求均小于舵面满偏值时，轴对称飞行器的飞行弹道全程采用侧滑转弯控制策略；当在所有工况点中的一工况点下舵面需求大于或等于舵面满偏值时，轴对称飞行器根据舵面需求与舵面满偏值的大小将飞行弹道分为大机动段和正常飞行段，在大机动段采用倾斜转弯控制策略，在正常飞行段采用侧滑转弯控制策略。
13.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，通过执行计算机程序，用于实现上述的轴对称飞行器大机动控制方法。
14.本发明还提供了一种轴对称飞行器大机动控制设备，用于实现上述的轴对称飞行器大机动控制方法，包括：存储器和处理器；存储器用于储存计算机程序；处理器用于执行存储器存储的计算机程序。
15.本发明的上述方案有如下的有益效果：本发明首先确定轴对称飞行器飞行全程的飞行攻角和侧滑角，根据飞行攻角、侧滑角、马赫数与舵面需求的匹配性，以确定采用倾斜转弯控制策略与侧滑转弯控制策略的时机，充分发挥了轴对称飞行器在有限舵面情况下的机动能力，同时保证了对轴对称飞行器飞行弹道的平稳与精确控制能力；原理简单，工程应用性强。
16.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
17.图1为本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
18.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
22.本发明针对现有的问题，提供了一种轴对称飞行器大机动控制方法及相关设备，基于轴对称飞行器在机动能力要求较高的飞行弹道大机动段飞行攻角、侧滑角较大；在飞行弹道正常飞行段飞行攻角、侧滑角较小的特点，采用倾斜转弯btt和侧滑转弯stt相互切换的控制策略，充分发挥轴对称飞行器的机动能力，同时保证对轴对称飞行器飞行弹道的平稳与精确控制能力。
23.如图1所示，本发明的实施例提供了一种轴对称飞行器大机动控制方法，包括：步骤1，根据轴对称飞行器的技术指标确定轴对称飞行器飞行全程所需的飞行攻角、侧滑角与马赫数；步骤2，根据飞行攻角需求、侧滑角需求与马赫数需求，计算轴对称飞行器在所有工况点下飞行时的舵面需求；步骤3，获取舵面满偏值，判断在所有工况点下舵面需求与舵面满偏值的大小；当在所有工况点下舵面需求均小于舵面满偏值时，轴对称飞行器的飞行弹道全程采用侧滑转弯控制策略；当在所有工况点中的一工况点下舵面需求大于或等于舵面满偏值时，轴对称飞行器根据舵面需求与舵面满偏值的大小将飞行弹道分为大机动段和正常飞行段，在大机动段采用机动能力较强的倾斜转弯控制策略，在正常飞行段采用控制精度较高的侧滑转弯控制策略。
24.具体来说，步骤1包括：根据轴对称飞行器的飞行距离、侧向机动等技术指标，建立纵向平面内的轴对称飞行器运动模型为：
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（1）其中，为轴对称飞行器的质量， 为轴对称飞行器的转动惯量，、、分别为作用在轴对称飞行器上的阻力、升力和转动力矩，为轴对称飞行器的飞行速度，为轴对称飞行器的机体轴的转动角速度，，为轴对称飞行器在发射系纵向平面的坐标位置，为轴对称飞行器飞行全程的飞行攻角，为轴对称飞行器的俯仰角， 为轴对称飞行器的弹道倾角；通过对上述轴对称飞行器运动模型进行仿真，得轴对称飞行器技术指标要求的升力需求；
通过公式和，求取所述轴对称飞行器全程的飞行攻角和侧滑角；其中，为轴对称飞行器技术指标要求的升力需求，为作用在轴对称飞行器上的动压，为轴对称飞行器的特征面积， 为升力系数对飞行攻角的导数， 为升力系数对侧滑角的导数。
25.具体来说，步骤2包括：轴对称飞行器在所有工况下飞行时的舵面需求包括：在飞行攻角需求、侧滑角需求、马赫数需求下的俯仰通道所需的俯仰舵面与偏航通道所需的偏航舵面；俯仰通道所需的俯仰舵面，计算公式如下：
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（2）偏航通道所需的偏航舵面，计算公式如下：
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（3）其中，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的俯仰力矩系数，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的偏航力矩系数，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的俯仰力矩系数对俯仰舵面的偏导数，为任一飞行攻角、侧滑角、马赫数时的偏航力矩系数对偏航舵面的偏导数。
26.具体来说，舵面满偏值包括俯仰通道的舵面满偏值和偏航通道的舵面满偏值；俯仰舵面满偏值为俯仰舵面的最大值；偏航舵面满偏值为偏航舵面的最大值。
27.具体来说，步骤3包括：计算所述轴对称飞行器x轴恒定不变的弹体系下的指令加速度，公式如下：
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（4）
其中，为轴对称飞行器的视线系指令加速度三分量，为重力加速度， 为地面系到弹体系的转换矩阵，表达式如下：
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（5） 为视线系到地面系的转换矩阵，表达式如下：
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（6）其中，表示轴对称飞行器的俯仰角，表示轴对称飞行器的偏航角，表示轴对称飞行器相对目标的视线高低角，表示轴对称飞行器相对目标的视线方位角。
28.弹体系是一般用以研究飞行器受力矩情况与转动动力学特性的坐标系地面系与地球固联，当飞行距离较小时，可以近似忽略地球曲率与旋转的影响，因此认为地面系是一种惯性坐标系。
29.视线系的原点取飞行器的重心，x轴与飞行器至目标的视线重合，并指向目标，z轴在铅锤平面内并垂直与x轴指向下，y轴由右手定则确定。
30.具体来说，步骤3还包括：当在所有工况点下舵面需求均满足且时，轴对称飞行器的飞行弹道全程采用侧滑转弯控制策略如下：
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（7）当在所有工况点中的一工况点下舵面需求满足或时，将舵面需求大于舵面满偏值或时的飞行弹道视为大机动段，将舵面需求小于舵面满偏值或的飞行弹道视为正常飞行段，轴对称飞行器采用倾斜转弯和侧滑转弯配合控制策略；在大机动段采用机动能力较强的倾斜转弯控制策略，大机动段结束后采用控制精度更高的侧滑转弯控制策略；在大机动段，轴对称飞行器采用倾斜转弯控制策略如下：
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（8）
其中，为弹上传感器测得的弹体实时的滚转角，为弹体滚转角指令，为弹体轴向加速度指令，弹体轴向加速度指令。
31.此时飞行攻角较大，而侧滑角在零度附近，舵面效率不会降低，从而使舵面需求较小，但是倾斜转弯控制btt的轴对称飞行器系统是一个具有运动学耦合、惯性耦合、气动耦合和控制作用耦合的多变量系统，而且倾斜转弯控制btt也会影响一些传感器的测量精度；因此，当轴对称飞行器对机动性能要求降低时，即或时，在飞行弹道的正常飞行段采用控制精度较高的侧滑转弯控制策略如公式（7）所示。
32.具体来说，轴对称飞行器采用倾斜转弯和侧滑转弯配合控制策略时，通过指令平滑的方式将倾斜转弯控制策略切换为侧滑转弯控制策略，指令平滑方式如下：
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（9）其中，为轴对称飞行器开始切换控制策略的时刻， 为轴对称飞行器实时飞行的时间，为轴对称飞行器切换控制策略的过渡时间间隔，，，为控制策略切换前一刻的控制指令，，，为控制策略切换后的目标控制指令。
33.本发明实施例还提供了一种轴对称飞行器大机动控制装置，包括：飞行攻角与侧滑角确定模块，用于根据轴对称飞行器的技术指标确定轴对称飞行器飞行全程所需的飞行攻角、侧滑角与马赫数；舵面需求计算模块，用于根据飞行攻角需求、侧滑角需求与马赫数需求，计算轴对称飞行器在所有工况点下飞行时的舵面需求；控制策略选择模块，用于获取舵面满偏值，判断在所有工况点下舵面需求与舵面满偏值的大小；当在所有工况点下舵面需求均小于舵面满偏值时，轴对称飞行器的飞行弹道全程采用侧滑转弯控制策略；当在所有工况点中的一工况点下舵面需求大于或等于舵面满偏值时，轴对称飞行器根据舵面需求与舵面满偏值的大小将飞行弹道分为大机动段和正常飞行段，在大机动段采用倾斜转弯控制策略，在正常飞行段采用侧滑转弯控制策略。
34.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，通过执行计算机程序，用于实现上述的轴对称飞行器大机动控制方法。
35.本发明实施例还提供了一种轴对称飞行器大机动控制设备，用于实现上述的轴对称飞行器大机动控制方法，包括：存储器和处理器；存储器用于储存计算机程序；处理器用于执行存储器存储的计算机程序。
36.本发明实施例首先确定轴对称飞行器飞行全程的飞行攻角和侧滑角，根据飞行攻角、侧滑角与舵面的匹配性，以确定采用倾斜转弯控制策略与侧滑转弯控制策略的时机，充分发挥了轴对称飞行器的机动能力，同时保证了对轴对称飞行器飞行弹道的平稳与精确控
制能力；原理简单，工程应用性强。
37.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。