一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法技术

本发明专利技术提出一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法，通过将无人机姿态的空间运动分解成无人机纵轴指向的空间转动和绕纵轴的滚转运动，进而通过纵轴指向+滚转控制的控制方法，将三维姿态简化为空间两维控制，从而在工程上能够快速实现控制律解算和控制量输出，进而能够在较小姿态角误差下实现全方位快速转弯，满足5s内实现无人机全方位快速转弯的设计要求。设计要求。设计要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法


[0001]本专利技术属于高海况无人机控制领域，具体涉及一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法。

技术介绍

[0002]高海况漂浮态无人机可广泛用于完成复杂海况条件下目标海域通讯中继、探测、侦察及攻击任务，高海况漂浮态无人机作为一种微型无人飞行器，是典型的侦察作战辅助平台重要组成部分。由于其主要是利用水面长期漂浮的发射平台驻留，采用折叠方式筒式垂直冷发射技术，动力采用电动螺旋桨动力形式，具备长时间滞空飞行，具有提前布控、低可探测、无依托装置、随机选择发射时机、携带和贮存方便等特点。然而针对复杂海况下执行精密任务的需求，需要对无人机实施全方位、指向性精准控制。
[0003]高海况水面垂直发射无人机控制技术是无人机关键技术之一。在执行任务过程中需要针对复杂海况做出全方位机动，同时能够按照既定指向做出准确动作，才能保证任务过程中机体姿态的稳定和转弯轨迹的精确跟踪。因此，研究高海况条件下机体全方位指向控制技术具有非常重要的现实意义。

技术实现思路

[0004]需要解决的技术问题：申请人针对高海况水面垂直发射无人机进行实际工程验证过程中发现，由于高海况环境恶劣，为了确保无人机在水面垂直发射过程中能够避免受海浪等恶劣环境影响，需要无人机在垂直发射初制导段能够全方位快速转弯。试验验证表明，若能够5s内实现无人机全方位快速转弯，即机体坐标系各轴指向与发射坐标系各轴指向对应一致，机体相对于发射坐标系的姿态角均为零，则能够有效避免恶劣环境对无人机的影响。
[0005]由于要求在5s内实现无人机全方位快速转弯，而采用传统的三通道控制方法，则在俯仰、偏航、滚转三个通道上均需实施大姿态控制，从而会加剧通道间的耦合，影响控制特性，难以在较小姿态角误差下实现全方位快速转弯。
[0006]针对上述技术问题，本专利技术提出一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法，通过将无人机姿态的空间运动分解成无人机纵轴指向的空间转动和绕纵轴的滚转运动，进而通过纵轴指向+滚转控制的控制方法，将三维姿态简化为空间两维控制，从而在工程上能够快速实现控制律解算和控制量输出，进而能够在较小姿态角误差下实现全方位快速转弯，满足5s内实现无人机全方位快速转弯的设计要求。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]所述一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法，包括纵轴指向控制和滚转控制；
[0009]所述纵轴指向控制过程为：
[0010]步骤1：无人机在水面发射平台上发射前，机载惯导系统实时获取无人机在大地坐
标系下的三维坐标，同时无人机接收外部系统传入的目标区域在大地坐标系下的坐标，从而建立指向矢量；
[0011]步骤2：根据指向矢量建立发射坐标系O
F
X
F
Y
F
Z
F
；考虑机体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
和发射坐标系O
F
X
F
Y
F
Z
F
，通过机载惯导系统获取无人机三个姿态角初值，所述姿态角定义为：
[0012]为俯仰角，是机体纵轴O
b
X
b
在X
F
O
F
Y
F
平面上的投影与O
F
X
F
轴的夹角，若投影量在O
F
X
F
轴上方，则俯仰角为正，反之为负，取值范围为
[0013]ψ为偏航角，是机体纵轴O
b
X
b
与X
F
O
F
Y
F
平面的夹角，若沿着O
F
X
F
轴正向看过去，若O
b
X
b
在X
F
O
F
Y
F
平面左方，则偏航角为正，反之为负，取值范围为
[0014]γ为滚转角，是O
b
Y
b
轴与包含机体纵轴O
b
X
b
的铅垂平面之间的夹角，从机体尾部沿着机体纵轴往前看，若O
b
Y
b
轴位于铅垂平面的右侧(即无人机绕机体纵轴顺时针滚转)，则滚转角为正，反之为负，取值范围
‑
π＜γ＜π；
[0015]利用姿态角初值得到以姿态角表示的发射系到机体系的初始坐标变换矩阵
[0016][0017]进而根据
[0018][0019]得到以初始四元数表示的坐标变换矩阵L(q
0，0
,q
1,0
,q
2，0
,q
3，0
)，进而求解得到四元数初值：
[0020]sign(q
1，0
)＝sign(L
23
‑
L
32
)
[0021]sign(q
2，0
)＝sign(L
31
‑
L
13
)
[0022]sign(q
3，0
)＝sign(L
12
‑
L
21
)
[0023]sign(q
0，0
)取正
[0024]步骤3：利用四元数初值，以及四元数微分方程，实时解算无人机运动过程中的四元数值(q0,q1,q2,q3)，实时得到以四元数表示的坐标变换矩阵
[0025][0026]步骤4：设指向矢量的单位向量为X
F
，在发射坐标系中分解为X
F
＝[1 0 0]T
，同时设X
F
在无人机机体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
中分解为X
F
＝[X
Fxb X
Fyb X
Fzb
]T
，则得到：
[0027][0028]步骤5：设机体坐标系O
b
X
b
轴、O
b
Y
b
轴、O
b
Z
b
轴的单位矢量分别为X
b
、Y
b
、Z
b
，根据公式e＝K
Yb
Y
b
+K
Zb
Z
b
得到最佳旋转轴E的单位矢量e，其中
[0029][0030]所述最佳旋转轴E定义为：绕此E轴转动，能够使无人机纵轴最快地转至指向矢量上；以K
Yb
和K
Zb
作为纵轴指向控制信号实现纵轴指向控制，控制目标为控制误本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高海况条件下全方位转弯机体指向控制方法，其特征在于：包括纵轴指向控制和滚转控制；所述纵轴指向控制过程为：步骤1：无人机在水面发射平台上发射前，机载惯导系统实时获取无人机在大地坐标系下的三维坐标，同时无人机接收外部系统传入的目标区域在大地坐标系下的坐标，从而建立指向矢量；步骤2：根据指向矢量建立发射坐标系O
F
X
F
Y
F
Z
F
；考虑机体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
和发射坐标系O
F
X
F
Y
F
Z
F
，通过机载惯导系统获取无人机三个姿态角初值(θ0,ψ0,γ0)，其中θ0为俯仰角初值，ψ0为偏航角初值，γ0为滚转角初值；利用姿态角初值(θ0,ψ0,γ0)，得到以姿态角表示的发射系到机体系的初始坐标变换矩阵L(θ0,ψ0,γ0)：进而根据L(q
0，0
,q
1,0
,q
2，0
,q
3，0
)＝L(θ0,ψ0,γ0)得到以初始四元数表示的坐标变换矩阵L(q
0，0
,q
1,0
,q
2，0
,q
3，0
)，进而求解得到四元数初值：值：值：值：取正步骤3：利用四元数初值，以及四元数微分方程，实时解算无人机运动过程中的四元数值(q0,q1,q2,q3)，实时得到以四元数表示的坐标变换矩阵步骤4：设指向矢量的单位向量为X
F
，在发射坐标系中分解为X
F
＝[1 0 0]
T
，同时设X
F
在无人机机体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
中分解为X
F
＝[X
Fxb X
Fyb X
Fzb
]
T
，则得到：
步骤5：设机体坐标系O
b
X
b
轴、O
b
Y
b
轴、O
b
Z
b
轴的单位矢量分别为X
b
、Y
b
、Z
b

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓峰，许涛，陈康，张通，常晓飞，付斌，郭行，杨韬，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：