【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及降落伞控制，具体涉及一种变构型柔性控制机构的动力学建模方法。
技术介绍
1、降落伞由于其包装体积小、质量轻、可大尺度展开、提供超量级气动力，广泛用于航空航天领域中的再入减速、空投系统、空降系统和回收系统等，而在其中，考虑到十字形伞具有可大程度变构型的特征，研究其作为一种新型控制执行机构具有重要意义，其作为执行机构能够提供超量级的气动力和气动力矩，同时，其变构型特征为应用于产生可变化可控的气动力提供了应用基础；在航空领域中，末敏弹与降落伞组成的伞-弹系统动力学建模技术已经相当成熟，以及航天器的回收系统和精准空投系统的建模技术也十分成熟，这些都对进一步考虑柔性伞可变构型的建模有很大参考意义，能够为引入变构型参数提供基础动力学模型。
2、现有的降落伞应用领域方面，主要利用其减速及稳定作用；而将其作为一种控制执行机构来提高飞行器的机动性方面的研究，暂无较大进展；同时，在现有的降落伞系统动力学建模方法中，大多将降落伞整体视为一个刚体，忽略了其局部的变构型特征，但这个特征对于十字形伞的研究来说是不可忽略的。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种变构型柔性控制机构的动力学建模方法，克服了现有技术中忽略降落伞局部的变构型特征的问题。
2、一种变构型柔性控制机构的动力学建模方法，包括如下步骤：
3、步骤一，将十字形伞设定为多刚体模型，其中，十字形伞的顶点作为中心，以设定边长划分一个刚体作为中心面，以中心面的边分别划分刚体作为伞肌面；>
4、步骤二，根据多刚体模型中各刚体的边长以及各刚体的变构型折弯角度设定多刚体模型的物理节点约束；所述各刚体的变构型折弯角度为十字形伞伞肌面张角；
5、步骤三，将每根伞绳分别设定为一个弹簧阻尼模型，计算每个弹簧阻尼模型的拉力；
6、步骤四，根据建立的多刚体模型和弹簧阻尼模型，结合每个弹簧阻尼模型的拉力以及变构型柔性控制机构的绳长矢量进行动力学建模，获取变构型柔性控制机构的动力学模型。
7、进一步地，所述方法在建模过程中会建立如下三个坐标系：
8、地面惯性坐标系oxyz；变构型柔性控制机构质心坐标系obx2y2z2，柔性控制机构质心ob为坐标系原点，obx2轴与十字形伞质心和伺服机构圆盘面中心的连线重合，指向伺服机构方向为正，obz2轴位于柔性控制机构纵向对称面内，与obx2垂直，向下为正，oby2轴由右手定则确定；十字形伞伞体坐标系opx3y3z3，伞面顶点op为坐标系原点，opx3轴与伞面顶点和伺服机构圆盘面中心的连线重合，指向伺服机构方向为正，opz3轴位于十字形伞纵向对称面内，与opx3垂直，向下为正，opy3轴由右手定则确定；
9、其中，所述步骤二中，设定多刚体模型在十字形伞伞体坐标系下的物理节点约束；所述步骤三中，基于伞绳变构型过程中的绳长矢量，计算每个弹簧阻尼模型的拉力，所述伞绳变构型过程中的绳长矢量在地面惯性坐标系下计算获得；所述步骤四中，变构型柔性控制机构的绳长矢量为变构型柔性控制机构质心坐标系下变构型柔性控制机构质心到物理节点的绳长矢量。
10、进一步地，所述将十字形伞设定为多刚体模型，包括如下内容：
11、选定十字形伞的顶点作为中心，以设定边长w划分一个正方形刚体作为中心面，以中心面的四个边分别划分四个正方形刚体作为伞肌面。
12、进一步地，所述设定多刚体模型的物理节点约束，具体如下：
13、
14、其中，η1～η4为第m个十字形伞伞肌面张角，ti为伞肌面边缘与第i个伞绳的物理节点。
15、进一步地，所述设定各刚体的变构型折弯角度，具体内容如下：
16、η1～η4∈[0°～60°]，当各伞肌面与中心面垂直时，变构型折弯角度为0°。
17、进一步地，所述计算每个弹簧阻尼模型的拉力，具体内容如下：
18、
19、
20、其中，fi为第i根伞绳的拉力，tni为第i根绳的张力，li为第i根伞绳变构型过程中的绳长矢量，ks为伞绳的弹性系数，kd为伞绳的弹簧阻尼系数，l0为伞绳原长，vti为节点ti处的速度矢量。
21、进一步地，所述li为第i根伞绳变构型过程中的绳长矢量，具体计算方式如下：
22、
23、其中，为地面惯性坐标系下从伞绳与伺服机构第j个连接点sj到第i根伞绳ti的绳长矢量，j＝1,2,3,4。
24、进一步地，所述获取变构型柔性控制机构的动力学模型，具体内容如下：
25、
26、其中，m为十字形伞质量，分别为u、v、w、p、q、r的一阶导数，u、v、w分别是质心b的速度在变构型柔性控制机构质心坐标系下各轴的投影，p、q、r则是质心b的角速度在变构型柔性控制机构质心坐标系各轴的投影，为变构型柔性控制机构质心b到ti的绳长矢量；
27、fa为十字形伞所产生的气动力，计算公式如下：
28、
29、其中，fax、fay、faz分别为阻力、侧向力和升力，ρ为大气密度，v为质心速度矢量，cd、cx、cy分别为阻力系数、侧向力系数、升力系数；
30、lbn为地面惯性坐标系到变构型柔性控制机构质心坐标系的转换矩阵，g为十字形伞的重力，s(·)为叉乘矩阵，s(ω)计算公式如下：
31、
32、
33、有益效果：
34、第一、本专利技术提出一种变构型柔性控制机构的动力学建模方法，通过将十字形伞设定为一个多刚体模型，极大的简化了建模的难度，同时避免了现有的降落伞系统动力学建模方法中将降落伞整体视为一个刚体，忽略了其局部的变构型特征的问题；
35、第二、本专利技术中会建立三个坐标系，分别为地面惯性坐标系、变构型柔性控制机构质心坐标系和十字形伞伞体坐标系，在处理数据的时候，根据应用需求选用对应的坐标系，如在伞体坐标系下约束伞体的物理节点，在质心坐标系下计算每个弹簧阻尼模型在变构型柔性控制机构质心的力矩，降低计算难度；
36、第三、本专利技术通过节点的形式，表示出伞体中的点和伞绳与伺服机构底座连接的点，极大地简化了计算伞绳绳长变化的过程，有效缩短了模型的计算时间；
37、第四、本专利技术在计算每个弹簧阻尼模型的拉力的时候，将弹性系数与绳子的张力考虑到计算中，考虑到了伞绳的可拉伸性，使模型更贴合实际情况，可靠性更高；
38、第五、本专利技术中提出的方法运行简单，容易实现，方便推广。
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1.一种变构型柔性控制机构的动力学建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在建模过程中会建立如下三个坐标系：
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将十字形伞设定为多刚体模型，包括如下内容：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设定多刚体模型的物理节点约束，具体如下：
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述设定各刚体的变构型折弯角度，具体内容如下：
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算每个弹簧阻尼模型的拉力，具体内容如下：
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述Li为第i根伞绳变构型过程中的绳长矢量，具体计算方式如下：
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取变构型柔性控制机构的动力学模型，具体内容如下：
【技术特征摘要】
1.一种变构型柔性控制机构的动力学建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在建模过程中会建立如下三个坐标系：
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将十字形伞设定为多刚体模型，包括如下内容：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设定多刚体模型的物理节点约束，具体如下：
5.如权利要求3或...
【专利技术属性】
技术研发人员：于剑桥，王春辉，周宏淼，李政，李佳讯，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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