CN113501127A

CN113501127A - 一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法

Info

Publication number: CN113501127A
Application number: CN202110899098.9A
Authority: CN
Inventors: 张裕; 叶晓桐
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2021-10-15

Abstract

一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法，包括步骤：构建飞行器在非空载状态下的总体质心模型，所述非空载状态是指所述飞行器携带向其供油的n个油箱，n为大于等于2的正整数；根据预设约束条件枚举n个油箱向飞行器供油的供油策略；根据飞行任务中规划的耗油速度及目标质心位置筛选供油策略，通过筛选的供油策略控制相关的油箱向飞行器供油。利用空间几何原理对飞行器燃油消耗和俯仰角度变化时质心的变化过程进行近似描述，将实物进行抽象化，建立模型假设，利用MATLAB使用贪心递推算法解决飞行器在质心平衡条件下供油策略的规划问题。本发明针对飞行器剩余油量和俯仰角结合空间几何知识建立了模型，方案具有较强的通用性，不存在场景限制。

Description

一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器质心平衡探索技术领域，具体涉及一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法。

背景技术

近些年来，随着材料及计算机技术的发展，飞行器的速度、平衡、反应等各方面的性能都有了很大程度的提升，对于飞行器的质心平衡供油控制问题也引起了国内外学者的高度重视。由于对于飞行器的要求越来越高，例如精度需求较高、成本预算低、低热烧灼和结构简单等，研究人员对于该类飞行器的燃油控制问题也始终保持热议。该类控制问题中的信息需要综合考虑各种因素，通过合适的数学模型来提取。因此，有必要在现有技术基础之上进行改进。

发明内容

本发明提供一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法，分析在给定的飞行器油箱布局情况下，对不同的俯仰角以及油箱剩余油量(供油策略)对飞行器质心位置的影响，给出关联公式，最终能够在供油速度和理想质心确定时给出最佳供油方案。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法，包括步骤：

构建飞行器在非空载状态下的总体质心模型，所述非空载状态是指所述飞行器携带向其供油的n个油箱，n为大于等于2的正整数；

根据预设约束条件枚举n个油箱向飞行器供油的供油策略；

根据飞行任务中规划的耗油速度及目标质心位置筛选供油策略，通过筛选的供油策略控制相关的油箱向飞行器供油。

进一步优选的，以飞行器的坐标系为参考坐标系，所述总体质心模型的计算公式为：

其中，(X、Y、Z)为飞行器总体质心坐标，M为飞行器空载质量，n为油箱的数量，m_i为第i个油箱的燃油质量，(p_i、q_i、k_i)为第i个油箱初始燃油量的燃油质心坐标。

进一步优选的，还包括步骤：根据油箱的不同剩余燃油量和飞行器的不同俯仰角度对油箱内的剩余燃油形态进行分类；及针对油箱的不同剩余燃油形态分类构建匹配的油箱剩余燃油质心模型。

进一步优选的，还包括步骤：根据油箱供油速度、总体质心模型和不同剩余燃油形态分类的油箱剩余燃油质心模型构建各供油策略的质心模型。

进一步优选的，所述预设约束条件包括：至多2个油箱同时向飞行器供油，至多3个油箱同时工作。

进一步优选的，所述预设约束条件还包括：每个油箱一次供油的持续时间不少于60秒。

进一步优选的，所述根据飞行任务中规划的耗油速度及目标质心位置筛选供油策略，具体包括步骤：

根据当前时刻的目标质心坐标及前一秒时刻的实际质心坐标计算得到目标向量；

根据前一秒时刻的供油策略得到当前时刻所有满足条件的供油策略；

根据油箱供油速度的约束条件及供油策略的质心模型计算各供油策略的质心坐标，根据各供油策略的质心坐标与前一秒时刻的实际质心坐标计算得到测试向量；

根据目标向量和测试向量筛选最佳供油策略及供油速度。

进一步优选的，所述根据目标向量和测试向量筛选出最佳供油策略及供油速度，具体包括步骤：计算目标向量和测试向量之间的差值；根据差值的最小值筛选最佳供油策略及供油速度。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明基于一种飞行器质心平衡的供油控制方法，利用空间几何原理对飞行器燃油消耗和俯仰角度变化时质心的变化过程进行近似描述，将实物进行抽象化，建立模型假设，利用MATLAB使用贪心递推算法解决飞行器在质心平衡条件下供油策略的规划问题。本发明针对飞行器剩余油量和俯仰角结合空间几何知识建立了模型，方案具有较强的通用性，不存在场景限制。

附图说明

图1为基于飞行器质心平衡的供油控制方法流程图；

图2为6个油箱与飞行器之间的布局示意图；

图3为油箱截面示意图；

图4为剩余燃油量形态分类示意图；

图5为剩余燃油量形态类型一截面图；

图6为剩余燃油量形态类型二截面图；

图7为剩余燃油量形态类型三截面图；

图8剩余燃油量形态类型四截面图；

图9剩余燃油量形态类型五截面图；

图10剩余燃油量形态类型六截面图；

图11为剩余燃油量状态类型判断流程图；

图12供油策略筛选流程图；

图13为1号油箱油耗图；

图14为1号油箱耗油速度图；

图15为2号油箱油耗图；

图16为2号油箱耗油速度图；

图17为3号油箱油耗图；

图18为3号油箱耗油速度图；

图19为4号油箱油耗图；

图20为4号油箱耗油速度图；

图21为5号油箱油耗图；

图22为5号油箱耗油速度图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本申请提供一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤。

S100：构建飞行器在非空载状态下的总体质心模型，非空载状态是指飞行器携带向其供油的n个油箱，n为大于等于2的正整数。

S200：根据预设约束条件枚举n个油箱向飞行器供油的供油策略。

S300：根据飞行任务中规划的耗油速度及目标质心位置筛选供油策略，通过筛选的供油策略控制相关的油箱向飞行器供油。

在步骤S100中，构建飞行器在非空载状态下的总体质心模型，非空载状态是指飞行器携带向其供油的n个油箱，n为大于等于2的正整数。以n等于6为例进行说明，6个油箱与飞行器之间的布局情况如图2所示，其中，油箱2、油箱3、油箱4和油箱5可直接向飞行器的发动机供油，油箱1向油箱2供油，油箱6向油箱5供油。

在计算飞行器总体质心时，把图2中的空载飞行器看作一个质点，设飞行器质量为M，坐标为(0，0，0)，把第i个油箱里的燃油量也看作一个质点，质量为m_i，(p_i、q_i、k_i)为第i个油箱初始燃油量的燃油质心坐标，则总体质心模型的计算公式如下公式(1)所示(以6个油箱为例)。

上述公式(1)中，(X、Y、Z)为飞行器总体质心坐标，M为飞行器空载质量，n为油箱的数量，m_i为第i个油箱的燃油质量，(p_i、q_i、k_i)为第i个油箱初始燃油量的燃油质心坐标。

在步骤S200中，根据预设约束条件枚举n个油箱向飞行器供油的供油策略。

首先，以“至多2个油箱可同时向发动机供油，至多3个油箱可同时供油”为第一预设约束条件，通过枚举法列出所有可能出现的油箱供油组合，共计38种，如表1所示。

表1供油策略表

其次，根据飞行器现实中的“每个油箱一次供油的持续时间不少于60秒”为第二预设约束条件，通过枚举法列出所有可能出现的策略改变情况，如表2所示。

表2策略改变情况表

由于针对不同的供油策略，各个油箱向飞行器供油的方式及供油的速度不同，相应的各个油箱的剩余燃油量及剩余燃油形态分布也不同，从而导致不同供油策略下的总体质心坐标不同，基于此，本申请提供的基于飞行器质心平衡的供油控制方法还包括步骤：根据油箱的不同剩余燃油量和飞行器的不同俯仰角度对油箱内的剩余燃油形态进行分类；及针对油箱的不同剩余燃油形态分类构建匹配的油箱剩余燃油质心模型，也即是，对油箱剩余燃油形态进行分类，并构建各分类状态下的油箱剩余燃油质心模型。

具体的，由于不考虑飞行器左右偏转的情况，那么第i个油箱内的燃油必然关于平面y＝p_i对称，于是考虑油箱在平面y＝p_i的截面如图3所示，液面线段AB必然与油箱边界有两个交点。

考虑交点出现的位置，得出燃油状态一共有

种情况，如图4所示。

针对剩余燃油量形态类型一，选取油箱在平面y＝p_i的截面如图5所示。

在图中可以根据第i个油箱的大小以及在飞行器坐标系中的位置得到图中相关点的信息：

根据三角形质心公式可以得到：

三角形ABE质心：

根据平行四边形质心公式可以得到：

平行四边形BCDE质心：

则直角梯形ABCD的质心坐标为：

针对剩余燃油量形态类型二，选取油箱在平面y＝pi的截面如图6所示。

根据三角形质心公式可以得到三角形ABC的质心坐标：

针对剩余燃油量形态类型三，选取油箱在平面y＝p_i的截面如图7所示。

根据三角形质心公式可以得到三角形ABC的质心坐标：

当油箱装满燃油的时候，燃油的质心坐标为：(p_i，q_i，k_i)，实际质心可以理解为在装满燃油的情况下增加了一块质量为-m的燃油，得到现在的质心坐标为：

针对剩余燃油量形态类型四，选取油箱在平面y＝p_i的截面如图8所示。

根据三角形质心公式可以得到三角形ABE的质心坐标：

根据平行四边形质心公式可以得到平行四边形BCDE质心坐标：

则直角梯形ABCD的质心坐标为：

针对剩余燃油量形态类型五，选取油箱在平面y＝p_i的截面如图9所示。

根据三角形质心公式可以得到三角形ABC的质心坐标：

针对剩余燃油量形态类型六，选取油箱在平面y＝p_i的截面如图10所示。

根据三角形质心公式得到三角形EFC质心坐标为：

类比类型三，得到质心坐标为：

基于上述6种类型的剩余燃油量状态的分类情况，剩余燃油量状态类型判断流程图如图11所示，根据图11通过油箱内剩余油量的体积V以及飞行器的俯仰角θ判断t时刻每个油箱内的燃油具体处于哪种状态类型，并代入公式计算t时刻每个油箱内剩余燃油的质心坐标。

进一步，还包括步骤：根据油箱供油速度、总体质心模型和不同剩余燃油形态分类的油箱剩余燃油质心模型构建各供油策略的质心模型。

具体的，先将相似供油策略归为一类，再针对归类的供油策略构建通用的质心模型，例如，将策略1、策略2、策略3和策略5归为一类，策略1、策略策略3和策略5均是采用一个油箱单独供油，其他油箱不同工作，供油策略相故可归为一类，基于相同的思路，将策略5和策略6归为一类，将策略7、策略8、策略9、策略10、策略11、策略12归为一类，将策略13、策略14、策略策略16、策略17、策略18、策略19、策略20归为一类，将策略21、策略22、策略23、策略24、策略25、策略26、策略27、策略28、策略29、策略30、策略31、策略32归为一类，将策略33、策略34、策略35、策略36归为一类，策略37单独归为一类，考虑在t时刻相对于t-1时刻消耗掉一部分燃油，得到的t时刻的飞行器总体质心位置，上述各归类后的不同策略的飞行器总体质心模型如表3所示。

表3飞行器总体质心表

在步骤S300中，根据飞行任务中规划的耗油速度及目标质心位置筛选供油策略，通过筛选的供油策略控制相关的油箱向飞行器供油。其流程图如图12所示，具体包括如下步骤：

S301：根据当前时刻的目标质心坐标及前一秒时刻的实际质心坐标计算得到目标向量。

具体的，将t-1秒的实际质心坐标与t秒的目标质心坐标相减得到目标向量

S302：根据前一秒时刻的供油策略得到当前时刻所有满足条件的供油策略。

具体的，根据t-1秒时刻的供油策略得到t秒所有满足条件的供油策略。

S303：根据油箱供油速度的约束条件及供油策略的质心模型计算各供油策略的质心坐标，根据各供油策略的质心坐标与前一秒时刻的实际质心坐标计算得到测试向量。

具体的，在满足{η₂+η₃+η₄+η₅≥η定，0≤η_i≤U_i}的条件下，求出每个可能的供油策略的质心坐标，并与t-1秒的质心坐标相减得到测试向量

S304：根据目标向量和测试向量筛选最佳供油策略及供油速度。

具体的，计算目标向量和测试向量之间的差值：

根据差值L的最小值筛选最佳供油策略及供油速度。记录供油策略及供油速度，计算并记录新质心坐标，新的每个油箱的燃油剩余量。

上述各计算公式中涉及的基本符号说明如下：

按照现有飞行器数据得到的供油策略通过每个油箱剩余油量和燃油的速度给出如图13-图22所示的油箱油耗图和油箱耗油速度图。在整体供油策略选择中，6号油箱不发生油量变化。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims

1.一种基于飞行器质心平衡的供油控制方法，其特征在于，包括步骤：

根据预设约束条件枚举n个油箱向飞行器供油的供油策略；

2.如权利要求1所述的供油控制方法，其特征在于，以飞行器的坐标系为参考坐标系，所述总体质心模型的计算公式为：

3.如权利要求2所述的供油控制方法，其特征在于，还包括步骤：根据油箱的不同剩余燃油量和飞行器的不同俯仰角度对油箱内的剩余燃油形态进行分类；及针对油箱的不同剩余燃油形态分类构建匹配的油箱剩余燃油质心模型。

4.如权利要求3所述的供油控制方法，其特征在于，还包括步骤：根据油箱供油速度、总体质心模型和不同剩余燃油形态分类的油箱剩余燃油质心模型构建各供油策略的质心模型。

5.如权利要求1所述的供油控制方法，其特征在于，所述预设约束条件包括：至多2个油箱同时向飞行器供油，至多3个油箱同时工作。

6.如权利要求5所述的供油控制方法，其特征在于，所述预设约束条件还包括：每个油箱一次供油的持续时间不少于60秒。

7.如权利要求4所述的供油控制方法，其特征在于，所述根据飞行任务中规划的耗油速度及目标质心位置筛选供油策略，具体包括步骤：

根据目标向量和测试向量筛选最佳供油策略及供油速度。

8.如权利要求7所述的供油控制方法，其特征在于，所述根据目标向量和测试向量筛选出最佳供油策略及供油速度，具体包括步骤：计算目标向量和测试向量之间的差值；根据差值的最小值筛选最佳供油策略及供油速度。