CN112130469B - 一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，包括以下步骤：通过直升机吊挂物当前的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较，根据比较得到的位置偏差，通过比例因子确定直升机吊挂物从当前位置到达任务科目要求的位置所需要的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，并构建轨迹描述方程，然后利用得到的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数生成直升机达到目标位置所需的操纵量；通过迭代计算得到直升机达到目标位置的轨迹。采用本轨迹描述方法可以得到与任务科目要求相吻合的轨迹，本方法可用于各个不同任务科目的轨迹描述，描述函数大大简化，可达到事半功倍的效果。

Description

一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法

技术领域

本发明涉及飞行动力学领域，具体涉及一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法。

背景技术

传统的飞行动力学仿真分析是给定确定的操纵输入，计算直升机的响应，所谓逆仿真，是指为实现特定的飞行轨迹，逆向推导出所需的操纵输入。逆仿真的实现需要三项关键技术，飞行轨迹数学描述方法、飞行动力学模型和逆仿真算法，飞行轨迹数学描述方法作为实现逆仿真的第一环，有着举足轻重的作用，往往轨迹描述方程的优劣决定了逆仿真效果的好坏。为操纵输入不出现跳跃以减轻驾驶员操纵负荷，轨迹描述函数应连续，即存在一阶导数，对于有些大机动任务科目，有时还需要二阶、甚至更高阶连续，在任务科目初始和结束，直升机处于平衡状态，轨迹描述函数的初始和结束时刻的一阶导数应为零，基于此，多项式和三角函数成为首选。

对于吊挂科目，吊挂物自身具有一定的气动特性，在实际飞行过程中，吊挂物并不是在直升机吊挂点的正下方，往往有一定的偏移，除了对直升机本身的轨迹进行约束，还需控制吊挂物的位置，即针对吊挂物设置一定的位置约束函数，过去研究主要针对直升机本身，没有形成对吊挂物位置约束的处理方法。同时，基于多项式和三角函数的轨迹描述缺点也很明显，对于不同的任务科目需要构造不同的描述函数，对一些轨迹复杂的任务科目描述函数也会变得相当复杂，甚至无法描述，有些任务科目对速度、角速度以及姿态有一定限制，还涉及一阶导数的控制，对轨迹函数的设计要求比较高，再加上吊挂物位置约束，轨迹描述函数变得很冗杂，需要耗费研究者很大的精力去处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用性强、描述简单的吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，以适应逆仿真在吊挂任务科目中的应用。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，包括以下步骤：

通过直升机吊挂物当前的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较，根据比较得到的位置偏差，通过比例因子确定直升机吊挂物从当前位置到达任务科目要求的位置所需要的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，并构建轨迹描述方程，然后利用得到的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数生成直升机达到目标位置所需的操纵量；

直升机按照操纵量进行操纵后状态量发生改变、位置偏差改变，利用改变后所处的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较得到的新的位置偏差，确定新的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，得到新的操纵量；通过迭代计算得到直升机达到目标位置的轨迹。

进一步地，所述的比例因子为直升机姿态转化的横滚比例因子、直升机姿态转化的俯仰比例因子；比例因子的大小根据位置偏差和需要的姿态改变量来确定。

进一步地，所述比例因子与位置偏差呈反比关系。

进一步地，所述确定所述直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数的方法为：

将直升机吊挂物当前的位置参数通过微分环节转化为对速度的控制，直升机吊挂物当前的速度通过比例环节转化为第一姿态参数，第一姿态参数与直升机当前的姿态参数共同作为用于进行偏差计算的总姿态，总姿态与达到目标位置要求的姿态进行比较，得到姿态偏差；

直升机当前的姿态参通过微分环节转化为角速度参数，直升机当前的高度一方面作为用于进行偏差计算的高度参数，另一方面通过微分环节转化为垂向速度参数；

对于有固定飞行轨迹的任务科目，根据任务科目要求通过直升机当前姿态、角速度、高度和垂向速度直接构建轨迹函数，通过吊挂物实际轨迹与该轨迹函数的偏差，转化为直升机姿态参数。

进一步地，所述确定所述直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数的方法，还包括：

对于无固定轨迹的任务科目，通过吊挂物实际位置与边界线或边界点的相对位置关系通过矢量分析得到角度偏差量，进而转化为直升机姿态参数。

进一步地，所述轨迹描述方程如下：

式中，H_nav、

p_nav、q_nav、r_nav、

θ_nav、ψ_nav分别表示直升机的高度、垂向速度、横滚角速度、俯仰角速度、偏航角速度、横滚角、俯仰角和偏航角；这些参数根据直升机吊挂物与任务科目要求的位置的相对位置确定；H_slreq、l、χ为吊挂物投放高度、吊索长度和吊挂物后摆角，投放高度根据精确任务科目要求确定；K_v、K_vdot、K_u、K_udot、K_y、K_x分别为吊挂物横向速度、横向加速度、纵向速度、纵向加速度、直升机姿态转化的横滚比例因子、直升机姿态转化的俯仰比例因子；v_sl、

Y_sl为吊挂物的横向速度、横向加速度和横向实际位置，u_sl、

X_sl为吊挂物的纵向速度、纵向加速度和纵向实际位置，Y_hov、X_hov为任务科目要求的纵向位置和横向位置，ψ_ini表示为达到任务科目要求位置的初始航向角，

θ_trim分别为直升机配平时的横滚角、俯仰角。

一种计算机，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器上的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述吊挂科目逆仿真轨迹描述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述吊挂科目逆仿真轨迹描述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明的吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，采用不同于多项式和三角函数的轨迹描述方法，通过姿态、角速度、高度和垂向速度状态参数实现直升机轨迹数学描述，通过吊挂物与直升机的状态参数对飞行轨迹和吊挂物位置进行精确控制，是一种可以描述固定轨迹、无固定轨迹等各种吊挂任务科目的通用数学描述方法，解决了多项式和三角函数描述复杂轨迹时函数冗杂甚至无法描述的问题，也无需考虑轨迹描述函数的一阶、二阶或多阶导数，大大优化轨迹描述函数设计工作，提高科研工作效率；通过逆仿真计算结果得到，采用本轨迹描述方法可以得到与任务科目要求相吻合的轨迹，验证了本轨迹描述方法的准确性和有效性。可用于各个不同任务科目的轨迹描述，描述函数大大简化，可达到事半功倍的效果。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程示意图。

具体实施方式

对于直升机吊挂，吊挂物的位置可由与直升机的相对位置控制，直升机水平位置可由平飞速度控制，平飞速度的变化通过改变飞行姿态来实现，因此，可将吊挂物的位置指令转化为对直升机位置参数的控制，直升机位置参数可转化为对平飞速度的控制，进而转化为对直升机姿态的控制，从而减少轨迹描述中的参数数量，同时结合角速度、高度和垂向速度实现对直升机空间位置和位置变化率的控制，实现对所有任务科目的轨迹描述。

本发明基于直升机和吊挂物的飞行状态参数建立了适用于吊挂任务科目的轨迹描述方法，通过姿态、角速度、高度和垂向速度8个状态参数实现对直升机轨迹的控制，同时考虑吊挂物与直升机的相对位置实现对吊挂物位置的精确控制。

参见图1，本发明公开了一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，包括以下步骤：

通过直升机吊挂物当前的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较，根据比较得到的位置偏差(包括横向位置偏差和纵向位置偏差)，通过比例因子确定直升机吊挂物从当前位置到达任务科目要求的位置所需要的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，并构建轨迹描述方程，然后利用得到的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数生成直升机达到目标位置所需的操纵量；其中，所述的比例因子为直升机姿态转化的横滚比例因子、直升机姿态转化的俯仰比例因子；比例因子的大小根据位置偏差和目标姿态改变量来确定，即比例因子与位置偏差呈反比关系；例如横向位置偏差为50m，目标姿态改变量为1°，则横滚比例因子可以取值为1/50。

直升机按照操纵量进行操纵后状态量发生改变、位置偏差改变，利用改变后所处的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较得到的新的位置偏差，确定新的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，得到新的操纵量；通过迭代计算得到直升机达到目标位置的轨迹；即，直升机每按照计算得到的操纵量进行操纵并使得状态量发生改变后，均按照上述方法重新计算操纵量，由此迭代计算，从而使得直升机吊挂物从当前位置到达任务科目要求的位置。

其中，确定所述直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数的方法为：

将直升机吊挂物当前的位置参数通过微分环节转化为对速度的控制，直升机吊挂物当前的速度通过比例环节转化为第一姿态参数，第一姿态参数与直升机当前的姿态参数共同作为用于进行偏差计算的总姿态，总姿态与达到目标位置要求的姿态进行比较，得到姿态偏差；

直升机当前的姿态参通过微分环节转化为角速度参数，直升机当前的高度一方面作为用于进行偏差计算的高度参数，另一方面通过微分环节转化为垂向速度参数；

对于有固定飞行轨迹的任务科目，根据任务科目要求通过直升机当前姿态、角速度、高度和垂向速度直接构建轨迹函数，通过吊挂物实际轨迹与该轨迹函数的偏差，转化为直升机姿态参数；

对于无固定轨迹的任务科目，通过吊挂物实际位置与边界线或边界点的相对位置关系通过矢量分析得到位置偏差量，进而转化为直升机姿态参数。

下面以吊挂物精确投放科目为例，说明本发明的吊挂科目逆仿真轨迹描述方法的具体实现过程。

根据精确投放科目定义，在科目描述中需要实时给出高度和垂向速度指令，以便于直升机高度逐渐调整为投放高度；其次为了将吊挂物运输到指定位置，需要将吊挂物位置、纵横向速度约束通过比例因子采用数学变换转化为直升机俯仰角和滚转角状态参数，比例因子通过任务科目要求确定，决定了任务科目实现的快慢；为保持航向不变，将航向角状态参数固定为初始航向角，本例中初始航向定为沿Y方向；由于精确投放科目中直升机姿态角无明显变化，三个角速度参数均设置为0以提供阻尼，可得到精确投放科目的轨迹描述方程如下：

式中，H_nav、

p_nav、q_nav、r_nav、

θ_nav、ψ_nav分别表示直升机的高度、垂向速度、横滚角速度、俯仰角速度、偏航角速度、横滚角、俯仰角和偏航角；这些参数根据直升机吊挂物与任务科目要求的位置的相对位置确定；H_slreq、l、χ为吊挂物投放高度、吊索长度和吊挂物后摆角，投放高度根据精确任务科目要求确定；K_v、K_vdot、K_u、K_udot、K_y、K_x分别为吊挂物横向速度、横向加速度、纵向速度、纵向加速度、直升机姿态转化的横滚比例因子、直升机姿态转化的俯仰比例因子；v_sl、

Y_sl为吊挂物的横向速度、横向加速度和横向实际位置，u_sl、

X_sl为吊挂物的纵向速度、纵向加速度和纵向实际位置，Y_hov、X_hov为任务科目要求的纵向位置和横向位置，ψ_ini表示为达到任务科目要求位置的初始航向角，

θ_trim分别为直升机配平时的横滚角、俯仰角。

本方法的关键点在于，一是通过直升机轨迹控制和吊挂物与直升机的相对位置，实现吊挂物位置的精确控制；二是对于位置、速度参数，通过转化为姿态参数，减少了轨迹描述函数的参数数量；三是对固定轨迹任务科目，通过吊挂物与直升机的相对位置和直升机8个状态参数可直接描述轨迹，对无固定轨迹任务科目，通过吊挂物实际位置与边界线或边界点的相对位置关系，转换为直升机8个状态参数进行描述，提升了本轨迹描述方法的通用性。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过直升机吊挂物当前的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较，根据比较得到的位置偏差，通过比例因子确定直升机吊挂物从当前位置到达任务科目要求的位置所需要的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，并构建轨迹描述方程，然后利用得到的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数生成直升机达到目标位置所需的操纵量；

直升机按照操纵量进行操纵后状态量发生改变、位置偏差改变，利用改变后所处的位置信息与任务科目要求的目标位置进行比较得到的新的位置偏差，确定新的直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数，得到新的操纵量；通过迭代计算得到直升机达到目标位置的轨迹；

所述确定所述直升机姿态参数、角速度参数、高度参数和垂向速度参数的方法为：

将直升机吊挂物当前的位置参数通过微分环节转化为对速度的控制，直升机吊挂物当前的速度通过比例环节转化为第一姿态参数，第一姿态参数与直升机当前的姿态参数共同作为用于进行偏差计算的总姿态，总姿态与达到目标位置要求的姿态进行比较，得到姿态偏差；

直升机当前的姿态参通过微分环节转化为角速度参数，直升机当前的高度一方面作为用于进行偏差计算的高度参数，另一方面通过微分环节转化为垂向速度参数；

对于有固定飞行轨迹的任务科目，根据任务科目要求通过直升机当前姿态、角速度、高度和垂向速度直接构建轨迹函数，通过吊挂物实际轨迹与该轨迹函数的偏差，转化为直升机姿态参数；

对于无固定轨迹的任务科目，通过吊挂物实际位置与边界线或边界点的相对位置关系通过矢量分析得到角度偏差量，进而转化为直升机姿态参数；

所述轨迹描述方程如下：

式中，H_nav、

p_nav、q_nav、r_nav、

θ_nav、ψ_nav分别表示直升机的高度、垂向速度、横滚角速度、俯仰角速度、偏航角速度、横滚角、俯仰角和偏航角；这些参数根据直升机吊挂物与任务科目要求的位置的相对位置确定；H_slreq、l、χ为吊挂物投放高度、吊索长度和吊挂物后摆角，投放高度根据精确任务科目要求确定；K_v、K_vdot、K_u、K_udot、K_y、K_x分别为吊挂物横向速度、横向加速度、纵向速度、纵向加速度、直升机姿态转化的横滚比例因子、直升机姿态转化的俯仰比例因子；v_sl、

Y_sl为吊挂物的横向速度、横向加速度和横向实际位置，u_sl、

X_sl为吊挂物的纵向速度、纵向加速度和纵向实际位置，Y_hov、X_hov为任务科目要求的纵向位置和横向位置，ψ_ini表示为达到任务科目要求位置的初始航向角，

θ_trim分别为直升机配平时的横滚角、俯仰角。

2.根据权利要求1所述的吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，其特征在于，所述的比例因子为直升机姿态转化的横滚比例因子、直升机姿态转化的俯仰比例因子；比例因子的大小根据位置偏差和需要的姿态改变量来确定。

3.根据权利要求1所述的吊挂科目逆仿真轨迹描述方法，其特征在于，所述比例因子与位置偏差呈正比关系。

4.一种计算机，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器上的计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1至3中任一权利要求所述方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1至3中任一权利要求所述方法的步骤。

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