基于四轴转台的大角度飞行运动仿真问题研究

摘要

近年来，随着航空航天技术的发展，大角度机动飞行开始在飞行器的使用中出现，这种飞行方式要求飞行器的姿态角能在整个空间内发生变化，因此实现大角度机动飞行姿态运动仿真具有极为重要的理论意义和实际工程价值。三轴转台是目前普遍应用的飞行器姿态运动仿真设备，但它不能避免运动学奇异，因此也无法实现大角度机动飞行姿态运动仿真。为此，本文研究了一种四轴型姿态运动仿真转台（以下简称四轴转台），利用冗余自由度机构的特点，使得能避免运动学奇异，实现大角度机动飞行姿态运动仿真。本文结合四轴转台在大角度机动飞行运动仿真中应用这一实际背景，对运动仿真系统进行了以下几个方面的研究：
　　首先，基于多体系统运动学理论建立了运动仿真系统的运动学模型，并通过对立式、卧式两种四轴转台的运动学特性进行分析，指出了这两种转台分别适合的应用场合。通过对四轴转台运动学奇异性的分析，指出当系统运行在奇异位置附近时，会给飞行器姿态运动仿真带来诸多不良影响。针对四轴转台的位置正解问题，采用双欧拉法计算系统的姿态角，解决了全姿态欧拉角计算的奇异问题，为后续的研究工作奠定了基础。
　　其次，研究了运动仿真系统的精度指标分配方法。基于多体系统运动学理论建立了系统的误差模型，针对传统姿态误差描述方法的局限性，基于误差方向余弦矩阵提出了一种适合于大角度机动情况下姿态误差的描述方法。利用误差灵敏系数，定量地分析了各误差因素对系统精度的影响。在此基础上，基于对系统误差灵敏性的分析，提出了运动仿真系统精度指标分配方法，通过以满足精度指标要求为约束条件，根据系统精度对各误差因素的敏感程度不同，将各项误差的公差最大限度放宽，进而实现系统精度指标的分配。
　　再次，研究了运动仿真系统的运动学指标分配方法。利用系统具有冗余自由度的特点和奇异位置分布的特殊性，针对系统空间，给出了一种规避奇异的约束条件，使系统能避免发生奇异。对系统角速度和角加速度的运动学传递特性进行了分析，明确了角速度和角加速度的奇异位置相同。在此基础上，为了降低系统对各框驱动电机功率的需求，基于系统的规避奇异约束，提出了角速度和角加速度的指标分配方法，通过以满足指标要求为约束条件，根据系统各框的运动能力的不同，将系统各框的角速度和角加速度最小化，进而实现系统运动学指标的分配。
　　然后，研究了运动仿真系统的指令分配方法。利用飞行器半实物仿真与全数字仿真的姿态运动轨迹具有相近性，提出了一种二次分配策略，并通过分析表明二次分配策略是解决指令分配实时计算问题的一个有效途径。在此基础上，为了充分发挥系统的动态性能，将系统指令初次分配问题转化为带有约束的能量最小化问题，并且基于线性变分不等式提出了用于求解指令初次分配问题的算法，有效地降低了计算量。为了使系统能按照实际的姿态运动指令运行，针对系统指令的第二次分配，在考虑了各框运动能力差异的基础上，利用四轴转台的运动学方程给出了用于在线计算各框指令的解析表达式，从而实现系统指令的分配。
　　最后，将上述研究成果，即系统精度指标分配方法、系统运动学指标分配方法、以及系统指令分配方法，应用到某型垂直发射导弹姿态运动仿真系统的设计与实现中。在对系统技术指标需求进行分析的基础上，应用本文提出的指标分配方法对系统进行了相关指标的分配，并对系统进行了设计与实现。又应用本文提出的指令分配方法对系统的姿态运动指令进行分配，实验结果验证了本文提出方法的有效性。

目录

基于四轴转台的大角度飞行运动仿真问题研究

RESEARCH ON LARGE ANGLE FLIGHT MOTION SIMULATION PROBLEMS BASED ON FOUR-AXIS TURN TABLE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景

1.2 基于四轴转台的大角度机动飞行运动仿真的问题

1.2.1 运动仿真系统的技术指标

1.2.2 基于四轴转台的大角度机动飞行运动仿真的问题

1.3 国内外研究现状及分析

1.3.1 冗余自由度运动系统误差建模

1.3.2 冗余自由度运动系统指标分配

1.3.3 冗余自由度运动系统的运动学反解

1.4 论文的研究内容及章节安排

第 2 章 运动仿真系统的运动学特性分析

2.1 引言

2.2 系统运动学模型建立与分析

2.2.1 基于多体系统运动学方法的系统模型建立

2.2.2 系统运动学性能比较分析

2.3 系统运动学奇异性分析

2.3.1 奇异位置分析

2.3.2 奇异位置速度传递特性分析

2.4 系统的位置正解

2.5 本章小结

第 3 章 基于误差灵敏系数的运动仿真系统精度指标分配方法

3.1 引言

3.2 系统误差模型的建立

3.2.1 系统误差源分析

3.2.2 系统相邻体间变换矩阵

3.2.3 系统误差模型的建立

3.3 系统误差传递特性分析

3.3.1 系统误差的灵敏系数

3.3.2 系统误差的传递特性分析

3.4 基于误差灵敏系数的系统精度指标分配方法

3.5 本章小结

第 4 章 基于规避奇异的运动仿真系统运动学指标分配方法

4.1 引言

4.2 系统规避奇异的约束条件分析

4.2.1 系统规避奇异的约束条件

4.2.2 规避奇异约束条件对姿态空间的影响分析

4.3 基于规避奇异的运动仿真系统角速度指标分配

4.3.1 基于规避奇异的系统角速度指标分配问题描述

4.3.2 角速度指标分配问题求解

4.4 基于规避奇异的运动仿真系统角加速度指标分配

4.4.1 基于规避奇异的系统角加速度指标分配问题描述

4.4.2 角加速度指标分配问题求解

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

第 5 章 基于二次分配策略的运动仿真系统指令分配方法

5.1 引言

5.2 系统指令分配策略

5.2.1 系统指令的二次分配策略

5.2.2 系统指令二次分配策略对运动学指标的影响分析

5.3 基于能量最小化的系统指令初次分配

5.3.1 基于能量最小化的系统指令初次分配问题的描述

5.3.2 基于LVI动态系统的指令初次分配问题求解算法

5.3.3 算法的收敛性分析

5.4 系统指令第二次分配的实时计算

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

第 6 章 某型大角度机动导弹姿态运动仿真系统指标分配与设计

6.1 引言

6.2 运动仿真系统技术指标需求分析与结构方案确定

6.2.1 系统技术指标需求分析

6.2.2 系统结构方案确定

6.3 运动仿真系统指标分配

6.3.1 运动仿真系统精度指标分配

6.3.2 运动仿真系统运动学指标分配

6.4 控制系统的设计

6.4.1 控制系统方案的确定

6.4.2 控制律的设计

6.5 运动仿真系统的实现及调试结果

6.5.1 运动仿真系统的实现

6.5.2 系统调试结果

6.6 典型弹道姿态轨迹跟踪实验

6.6.1 系统指令的分配

6.6.2 姿态轨迹跟踪实验结果

6.6.3 实验结果分析

6.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历