CN104655115B - 一种角速率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空器飞行控制设计领域，具体涉及一种角速率信号的获取方法。该方法通过在硬式空中加油装置杆体上安装角速率敏感元件，来获得万向节处的滚转和俯仰角速率信号。通过该方法的应用，能够克服传统万向节处角速率测量方法的精度差、信号噪声大等缺点和不足。该方法不仅能够在航空器硬式空中加油技术领域应用，同时还能够在类似运动形式的机构控制（例如火炮控制）中应用，以提供准确的转轴处的角速率信号。
Description
技术领域
本发明属于航空器飞行控制设计领域，具体涉及一种角速率信号的获取方法。
背景技术
万向节为飞机后体与硬式空中加油装置之间的连接装置，图1万向节为硬式空中加油装置提供俯仰和滚转二个自由度的运动，保证硬式空中加油装置在加油过程中灵活运动以到达所需要的对接包线。
在硬式空中加油技术中，硬式空中加油装置控制系统是决定硬式加油技术整体水平的关键技术，而万向节处角速率信号品质是硬式空中加油装置控制系统性能发挥的关键制约因素之一。国内目前尚未有该领域技术的应用，国外只有KC10A加油机有此技术应用，其万向节处角速率信号是通过对万向节处的俯仰角和滚转角信号进行微分获得的（以下简称传统方式），如图2示。其角速率信号通过式获得，其中，p为万向节处的俯仰角速率，q为万向节处的滚转角速率，为万向节处的俯仰角的微分，为万向节处滚转角的微分。
这种测量方法主要存在以下两个问题：
硬式空中加油装置的主要气动力来源为控制翼面，也就是说万向节处的运动是从控制翼面处传递过来的，硬式空中加油装置是一个细长悬臂梁结构，控制翼面距离万向节有大概8米的距离，这样的结构特性决定了其自身的柔性特征非常突出，因此采用传统方式获得的角速率信号会有时延，并且信号会受弹性震动干扰。
传统方式通过微分运算获得角速率信号，因此从信号源头上讲该方法对俯仰角和滚转角位置信号的品质依赖较大，同时微分方法本身会将信号的噪声放大，甚至得到的信号会完全失真。
发明内容
本发明的目的是：本发明解决传统方式存在时延并且信号受弹性干扰较大的缺陷。同时，解决传统方式微分运算所导致的信号噪声大的问题。
本发明的技术方案是：
一种角速率测量方法，本方法通过在硬式空中加油装置杆体上安装角速率敏感元件，直接测得硬式空中加油装置在杆体坐标系下的三轴角速率信号[pb qb rb]。
再经过下式计算得到万向节体坐标系的俯仰轴和滚转轴的角速率：
其中：
θ为万向节处的俯仰角，φ为万向节处的滚转角；
pb为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的obxb方向的角速率；
qb为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的obyb方向的角速率；
rb为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的obzb方向的角速率；
pg为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的ogxg方向的角速率；
qg为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的ogyg方向的角速率；
L为硬式空中加油装置杆体上安装的角速率敏感元件的安装位置与万向节直接的距离。
本发明的有益效果是：
1）克服了传统测量方法因为结构弹性所存在的滞后性不足，保证能快速敏感到硬式空中加油装置在空中的角速率变化，提供快速可靠的角速率信号；
2）克服了原有的通过对角位置信号进行微分来获得角速率信号的固有的信号噪声大的缺陷和不足，保证了对角速率的直接敏感。
附图说明
图1是万向节的安装位置和运动机理图；
图2是新型角速率测量方法原理图；
图3是坐标系定义；
图4是各物理量之间的位置关系；
图5是新型角速率测量方法原理及安装图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
本方法通过在硬式空中加油装置杆体上安装角速率敏感元件，来获得万向节处的滚转和俯仰角速率信号。其中杆体上的敏感元件直接测得的是硬式空中加油装置杆体坐标系三轴角速率信号，而硬式空中加油装置控制系统直接需要的是万向节体坐标系的俯仰轴和滚转轴的角速率，因此将角速率信号从杆体坐标系转化到万向节体坐标系是又一个需要解决的问题。
定义万向节体坐标系和硬式空中加油装置杆体坐标系如图3示：
其中φ为xbobzb平面与ogxg轴的夹角。
θ为obxb轴与ogxg轴的夹角。
万向节坐标系和硬式空中加油装置杆体坐标系有如下几何位置关系：
根据几何关系可以推导得出：
根据坐标转换关系可知：
其中
从而获得万向节处的滚转角和俯仰角速率。
角速率敏感元件是感测旋转的一种装置。可以是以经典力学为基础的陀螺仪，例如刚体转子陀螺仪、流体陀螺仪和振动陀螺仪；或者是以非经典力学为基础的陀螺仪，例如激光陀螺仪、光纤陀螺仪、压晶陀螺仪等。
Claims (2)
1.一种角速率测量方法，其特征是，本方法通过在硬式空中加油装置杆体上安装角速率敏感元件，直接测得硬式空中加油装置在杆体坐标系下的三轴角速率信号[pb qb rb]；
再经过下式计算得到万向节体坐标系的俯仰轴和滚转轴的角速率：
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其中：
θ为万向节处的俯仰角，φ为万向节处的滚转角；
pb为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的obxb方向的角速率；
qb为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的obyb方向的角速率；
rb为杆体坐标系下角速率敏感元件测得的obzb方向的角速率；
pg为万向节体坐标系下ogxg方向的角速率，即：俯仰角速率；
qg为万向节体坐标系下ogyg方向的角速率，即：滚转角速率；
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L为硬式空中加油装置杆体上安装的角速率敏感元件的安装位置与万向节直接的距离。
2.权利要求1所述的一种角速率测量方法，其特征是，角速率敏感元件是以经典力学为基础的陀螺仪，或者是以非经典力学为基础的陀螺仪。
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