一种柔性绳索连接的气囊和吊舱动力学校模方法

摘要

本发明的实施例公开一种柔性绳索连接的气囊和吊舱动力学校模方法，根据仿真模型进行气囊吊舱通道试验并执行预先设计的通道较模指令，确定动力学校模初始状态，根据初始状态对试验数据辨识及插值处理根据实验结果进行仿真复现完成基于基于柔性绳索连接的气囊吊舱动力学校模。通过通道较模指令的设计剥离了模型中各个通道之间的耦合作用，同时通过确定动力学校模的初始状态及对实验数据的辨识及插值处理，利用仿真模型对实验结果进行复现，以达到验证模型的准确性和置信度的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及动力学校模领域。更具体地，涉及一种柔性绳索连接的气囊吊和舱动力学校模方法。

背景技术

近二十年，基于柔性绳索的多刚体动力学研究受到广泛关注，典型项目有空间绳索、水下电缆、伞舱回收系统、动力翼伞等。柔性绳索连接的多体系统动力学建模困难，模型复杂度高，导致模型的置信度和可靠度难以评估。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个实施例提供一种柔性绳索连接的气囊和吊舱动力学校模方法，气囊和吊舱的操纵机构包括俯仰缆绳和滚动缆绳以及吊舱上的螺旋桨，所述方法包括：

S1、将气囊和吊舱按照仿真模型中的吊点连接方式用俯仰缆绳和滚动缆绳连接起来，由遥控手遥控起飞，达到预定高度之后，在飞行状态平稳的条件下切换到自主控制模式，执行预先写入的各个通道动力学较模指令，并记录下飞行过程中气囊吊舱的姿态变化；

S3、根据气囊和吊舱从遥控切换到自主控制时刻的姿态以及初始时的俯仰缆绳和滚动缆绳长度数据，计算得到切换时刻的气囊和吊舱之间的质心的相对前移量以及高度差；

S5、根据所述前移量以及高度差，选取一定的平滑方式对缆绳动作进行平滑处理，并根据螺旋桨转速数据，辨识得到对应的桨推力；进一步把推力数据和缆绳动作数据按照所述仿真模型的仿真步长进行插值处理；

S7、将切换时刻的姿态角和角速度以及计算得到气囊和吊舱的质心的初始高度差及前移量作为仿真模型初值，进行S5中的操作得到的缆绳动作数据以及螺旋桨推力数据，通过仿真得到仿真模型的动力学响应。

在一个具体实施例中，所述各个通道动力学较模指令包括：俯仰缆绳动作变化动力学校模指令、滚动缆绳动作变化动力学校模指令、螺旋桨推力动作变化动力学校模指令。

在一个具体实施例中，所述S3包括：根据切换时刻气囊的姿态变化，得到发射系到气囊体坐标系的姿态转换矩阵和发射系到吊舱体坐标系的姿态转换矩阵；进一步根据初始时俯仰缆绳及滚转缆绳长度，得到气囊质心相对吊舱质心的初始前移量和高度差。

在一个具体实施例中，所述发射系到气囊体坐标系的姿态转换矩阵表示为：

式中，A

在一个具体实施例中，所述发射系到吊舱体坐标系的姿态转换矩阵表示为：

A

在一个具体实施例中，所述气囊质心相对吊舱质心的初始前移量和高度差计算式为：

l

在一个具体实施例中，所述俯仰缆绳动作变化动力学校模指令为气囊吊舱从遥控切换自主控制状态后，俯仰缆绳长度在切换时刻的初始值基础上叠加下列增量：0cm、-10cm、-20cm,-30cm、0cm、10cm、20cm、30cm、0cm,时间间隔5s；之后增量为5个正弦信号变化，幅值20cm，频率0.2Hz；滚动缆绳长度和螺旋桨转速保持初值不变。

在一个具体实施例中，所述滚动缆绳动作变化动力学校模指令为：气囊吊舱从遥控切换自主控制状态后，滚动缆绳长度在切换时刻的初始值基础上叠加下列增量：0cm、-10cm、-20cm,-30cm、0cm、10cm、20cm、30cm、0cm,时间间隔5s；之后增量为5个正弦信号变化，幅值20cm，频率0.2Hz；俯仰缆绳长度和螺旋桨转速保持初值不变。

在一个具体实施例中，所述螺旋桨推力动作变化动力学校模指令为：气囊吊舱从遥控切换自主控制状态后，螺旋桨转速在切换时刻的初始值基础上叠加下列增量：0r/min、500r/min、1000r/min、500r/min、0r/min、-500r/min、0r/min，时间间隔5s；之后增量为5个正弦信号变化，幅值500r/min，频率0.2Hz，俯仰缆绳和滚动缆绳长度保持初值不变。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的一种柔性绳索连接的气囊和吊舱动力学校模方法，通过各个通道动力学较模指令的设计剥离了模型中各通道之间的耦合作用，同时通过确定动力学校模的初始状态及对实验数据的辨识及插值处理，利用仿真模型对实验结果进行复现，以达到验证模型的准确性和置信度的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出根据本发明一个实施例的一种柔性绳索连接的气囊吊舱动力学校模方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

为了验证模型的置信度和准确性，需要设计具体的实验，利用试验结果来对模型的置信度进行评判，同时对模型进行相应的修正以提高模型的准确性。

图1示出本发明的第一个实施例提供一种柔性绳索连接的气囊和吊舱动力学校模方法，包括：

S1、将气囊和吊舱按照仿真模型中的吊点连接方式用俯仰缆绳和滚动缆绳连接起来，由遥控手遥控起飞，达到预定高度之后，在飞行状态平稳的条件下切换到自主控制模式，执行预先写入的各个通道动力学较模指令，并记录下飞行过程中气囊吊舱的姿态变化；

气囊和吊舱通过四根绳索连接，两根控制俯仰，两根控制滚转，具体的操纵机构包括俯仰缆绳和滚动缆绳以及吊舱上的螺旋桨，通过拉动俯仰缆绳和滚动缆绳和调节螺旋桨推力来实现对两体系统的控制。

通道按照执行机构划分为俯仰通道，滚转通道，以及桨推力通道。

所述各个通道动力学较模指令包括：俯仰缆绳动作变化动力学校模指令、滚动缆绳动作变化动力学校模指令、螺旋桨推力动作变化动力学校模指令。

在一个具体实施例中，俯仰缆绳动作变化动力学校模指令为气囊吊舱从遥控切换自主控制状态后，俯仰缆绳长度在初值基础上叠加下列增量：0cm、-10cm、-20cm,-30cm、0cm、10cm、20cm、30cm、0cm,时间间隔5s；之后增量变化为5个正弦信号，幅值20cm，频率0.2Hz；滚动缆绳长度和螺旋桨转速保持初值不变。

dz表示俯仰缆绳长度的变化量，以切换时刻的俯仰缆绳长度为初始值，从切换时刻开始叠加在俯仰缆绳长度初始值上，之后绳长按照dz所给出的指令进行收放，每个指令间隔5秒，吊舱上装有电机，可控制缆绳收放。

在一个示例中，滚动缆绳动作变化动力学校模指令为：气囊吊舱从遥控切换自主控制状态后，滚动缆绳长度在初值基础上叠加下列增量：0cm、-10cm、-20cm,-30cm、0cm、10cm、20cm、30cm、0cm,时间间隔5s；之后增量变化为5个正弦信号，幅值20cm，频率0.2Hz；俯仰缆绳长度和螺旋桨转速保持初值不变。

dx是滚动缆绳的收放变化量，以切换时刻的滚动缆绳长度为初始值，从切换时刻开始叠加在滚动缆绳长度初始值上，之后绳长按照dx所给出的指令进行收放，每个指令间隔5秒，利用吊舱上的电机控制缆绳收放。

在一个示例中，螺旋桨推力动作变化动力学校模指令为：气囊吊舱从遥控切换自主控制状态后，螺旋桨转速在初值基础上叠加下列增量：0r/min、500r/min、1000r/min、500r/min、0r/min、-500r/min、0r/min，时间间隔5s；之后增量变化为5个正弦信号，幅值500r/min，频率0.2Hz，俯仰缆绳和滚动缆绳长度保持初值不变。

dpt转速的变化量，以切换时刻的转速为初始值，切换时刻开始叠加在转速初始值上，气囊和吊舱在空中飞行时靠螺旋桨旋转提供推力，通过控制器发出转速指令来调节推力。通过执行预先写入程序中的转速指令，来达到改变推力的目的。

S3、根据气囊和吊舱从遥控切换到自主控制时刻的姿态以及初始时的俯仰缆绳和滚动缆绳长度数据，计算得到切换时刻的气囊和吊舱之间的质心的相对前移量以及高度差；

根据切换时刻气囊的姿态变化，得到发射系到气囊体坐标系的姿态转换矩阵和发射系到吊舱体坐标系的姿态转换矩阵；进一步根据初始时俯仰缆绳及滚转缆绳长度，得到气囊质心相对吊舱质心的初始前移量和高度差；

发射系到气囊体坐标系的姿态转换矩阵表示为：

式中，A

发射系到吊舱体坐标系的姿态转换矩阵表示为：

A

气囊质心相对吊舱质心的初始前移量和高度差计算式为：

初始时俯仰缆绳及滚转缆绳长度l

S5、根据所述前移量以及高度差，选取一定的平滑方式对缆绳动作进行平滑处理，并根据螺旋桨转速数据，辨识得到对应的桨推力；进一步把推力数据和缆绳动作数据按照所述仿真模型的仿真步长进行插值处理；

仿真步长是指利用两体系统动力学模型进行仿真时取的计算步长。

S7、将切换时刻的姿态角和角速度以及计算得到气囊和吊舱的质心的初始高度差及前移量作为仿真模型初值，进行S5中的操作得到的缆绳动作数据以及螺旋桨推力数据，通过仿真得到仿真模型的动力学响应。

姿态角包括气囊和吊舱的俯仰角，滚动角以及偏航角。

通过各个通道动力学较模指令的设计剥离了模型中各通道之间的耦合作用，同时通过确定动力学校模的初始状态及对实验数据的辨识及插值处理，利用仿真模型对实验结果进行复现，以达到验证模型的准确性和置信度的目的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。