基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制方法和装置，所述装置包括：角度控制器、飞行器的伺服系统，其还包括：滚转角速率补偿支路，用于检测到飞行器的滚转角速率后乘以tanα，得到偏航角速率补偿值；角速率补偿器，用于分别接收偏航角速率补偿值、角度控制器输出的偏航角速率指令值，并使用偏航角速率补偿值对偏航角速率指令值进行补偿后，输出补偿后的偏航角速率指令值；角速度控制器，用于根据补偿后的偏航角速率指令值，输出相应的舵面偏转角度指令到伺服系统，由伺服系统控制飞行器的姿态。本发明的技术方案中，根据数值上与量化的交联影响相等的补偿值对飞行器进行补偿控制，有助于对飞行器的控制更为准确、可靠。
【专利说明】基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空航天领域，尤其涉及一种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控 制方法和装置。
【背景技术】
[0002] 飞行器在飞行过程中，其飞行姿态通常可以划分为滚动、偏航和俯仰三个姿态运 动通道的运动。对于轴对称飞行器，其三个通道之间的耦合很弱，因而可以将耦合对于轴对 称飞行器的飞行姿态的影响作为随机小扰动，构建轴对称飞行器的小扰动气动力模型。目 前，通常根据小扰动气动力模型，在轴对称飞行器内设置三个独立的姿态控制器，分别用于 控制该飞行器俯仰通道、偏航通道和滚动通道的角速度。
[0003] 然而，轴对称飞行器只是面对称飞行器的一个特例。飞行速度较高（例如超过5马 赫）的飞行器通常采用面对称的气动布局，即为面对称飞行器，在其飞行过程中，其滚动、 偏航和俯仰三个通道之间的耦合较强。通常通道间的耦合特性可以包括惯性耦合特性、运 动耦合特性和气动耦合特性；目前，对于面对称飞行器的三个通道之间的运动耦合特性往 往只进行定性分析，缺乏对通道间的运动耦合特性的交联影响的较为准确的量化分析；自 然无法根据量化的运动耦合特性的交联影响对飞行器进行补偿控制。而根据量化的运动耦 合特性的交联影响对飞行器进行补偿控制，有助于对飞行器的控制更为准确、可靠。
[0004] 因此，有必要提供一种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制方法和装置，以 更为准确、可靠地控制飞行器。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供了一种基于运动耦合特性的飞 行器姿态补偿控制方法和装置，以更为准确、可靠地控制飞行器。
[0006] 本发明的技术方案根据一个方面，提供了一种基于运动耦合特性的飞行器姿态补 偿控制装置，包括：角度控制器、所述飞行器的伺服系统，其还包括：
[0007] 滚转角速率补偿支路，用于检测到所述飞行器的滚转角速率后，将所述滚转角速 率乘以tana，得到偏航角速率补偿值；其中，α为所述飞行器的攻角；
[0008] 角速率补偿器，用于分别接收所述角度控制器输出的偏航角速率指令值，以及所 述滚转角速率补偿支路的偏航角速率补偿值；并使用偏航角速率补偿值对所述偏航角速率 指令值进行补偿后，输出补偿后的偏航角速率指令值；
[0009] 角速度控制器，用于根据所述角速率补偿器输出的补偿后的偏航角速率指令值， 输出相应的舵面偏转角度指令到所述伺服系统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度 指令控制所述飞行器的姿态。
[0010] 进一步，所述基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制装置，还包括：
[0011] 偏航角速率补偿支路，用于将检测到的所述飞行器的偏航角速率0反馈至所述角 速率补偿器；以及
[0012] 所述角速率补偿器还用于还使用偏航角速率《/>对所述偏航角速率指令值进行补 偿。
[0013] 进一步，所述基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制装置，还包括：偏航角补偿 支路、角度补偿器；其中，
[0014] 所述偏航角补偿支路用于将检测到的所述飞行器的侧滑角β反馈至所述角度补 偿器；
[0015] 角度补偿器，用于分别接收侧滑角指令值，以及所述偏航角补偿支路输出的侧滑 角β;并使用侧滑角β对接收的侧滑角指令值进行补偿后，输出补偿后的侧滑角指令值至 所述角度控制器。
[0016] 本发明的技术方案根据另一个方面，还提供了 一种基于运动耦合特性的飞行器姿 态补偿控制装置，包括：角度控制器、所述飞行器的伺服系统，其还包括：
[0017] 滚转角速率补偿支路，用于检测到所述飞行器的滚转角速率后，将所述滚转角速 率乘以tana，得到偏航角速率补偿值输出；其中，α为所述飞行器的攻角；
[0018] 偏航角速率补偿支路，用于将检测到的所述飞行器的偏航角速率W输出；
[0019] 偏航角补偿支路用于将检测到的所述飞行器的偏航角β输出；
[0020] 角度补偿器，用于分别接收侧滑角指令值，以及所述偏航角补偿支路输出的偏航 角β ;并使用偏航角β对接收的侧滑角指令值进行补偿后，输出补偿后的侧滑角指令值至 所述角度控制器，由所述角度控制器根据接收的补偿后的侧滑角指令值输出相应的偏航角 速率指令值；
[0021] 角速率补偿器，用于分别接收所述角度控制器输出的偏航角速率指令值、所述滚 转角速率补偿支路的偏航角速率补偿值、所述偏航角速率补偿支路输出的偏航角速率f; 并使用偏航角速率补偿值、偏航角速率W对所述偏航角速率指令值进行补偿后，输出补偿 后的偏航角速率指令值；
[0022] 角速度控制器，用于根据所述角速率补偿器输出的补偿后的偏航角速率指令值， 输出相应的舵面偏转角度指令到所述伺服系统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度 指令控制所述飞行器的姿态。
[0023] 本发明的技术方案根据另一个方面，还提供了一种基于运动耦合特性的飞行器姿 态补偿控制方法，包括：
[0024] 将所述飞行器的滚转角速率乘以tan a，得到偏航角速率补偿值；其中，a为所述 飞行器的攻角；
[0025] 使用所述偏航角速率补偿值对偏航角速率指令值进行补偿后，得到补偿后的偏航 角速率指令值；其中，所述偏航角速率指令值是由输入的偏航角指令值进行相应转换后得 到的；
[0026] 将补偿后的偏航角速率指令值转换为相应的舵面偏转角度指令后输出到所述伺 服系统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度指令控制所述飞行器的姿态。
[0027] 进一步，在所述使用所述偏航角速率补偿值对偏航角速率指令值进行补偿时，还 包括：
[0028] 还使用所述飞行器的偏航角速率</>对所述偏航角速率指令值进行补偿。
[0029] 进一步，在所述使用所述偏航角速率补偿值对偏航角速率指令值进行补偿前，还 包括：
[0030] 使用所述飞行器的侧滑角β对所述侧滑角指令值进行补偿，得到补偿后的侧滑 角指令值；以及
[0031] 所述偏航角速率指令值具体是由补偿后的侧滑角指令值进行相应转换后得到的。
[0032] 本发明的技术方案根据另一个方面，还提供了一种基于运动耦合特性的飞行器姿 态补偿控制方法，包括：
[0033] 将所述飞行器的滚转角速率乘以tana，得到偏航角速率补偿值；其中，α为所述 飞行器的攻角；并
[0034] 使用所述飞行器的侧滑角β对输入的侧滑角指令值进行补偿，得到补偿后的侧 滑角指令值，将补偿后的侧滑角指令值转换为相应的偏航角速率指令值；
[0035] 使用所述偏航角速率补偿值，以及所述飞行器的偏航角速率#对所述偏航角速率 指令值进行补偿后，得到补偿后的偏航角速率指令值；
[0036] 将补偿后的偏航角速率指令值转换为相应的舵面偏转角度指令后输出到所述伺 服系统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度指令控制所述飞行器的姿态。
[0037] 本发明的技术方案中，对飞行器的滚动角速率对偏航通道的运动耦合特性的交联 影响进行量化；并生成数值上与量化的交联影响相等的补偿值；根据补偿值对飞行器进行 补偿控制，有助于对飞行器的控制更为准确、可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1为本发明实施例的基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制装置的结构框 架示意图；
[0039] 图2、图3分别为本发明实施例的两种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制 方法的流程示意图；
[0040] 图4、图5都为本发明实施例的对比实验的示意图。
【具体实施方式】
[0041] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实 施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为 了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以 实现本发明的这些方面。
[0042] 本申请使用的"模块"、"系统"等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限 于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理 器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。举例来说，计 算设备上运行的应用程序和此计算设备都可以是模块。一个或多个模块可以位于执行中的 一个进程和/或线程内。
[0043] 本发明的发明人考虑到，当飞行器以较大的滚动角速率进行运动时，滚动通道与 俯仰、偏航通道之间存在较为显著的运动耦合特性的交联影响。此时，飞行器的运动方程可 以由如下公式1-2所示：
[0044] .....................(公式 1)
【权利要求】
1. 一种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制装置，包括：角度控制器、所述飞行 器的伺服系统，其特征在于，还包括： 滚转角速率补偿支路，用于检测到所述飞行器的滚转角速率后，将所述滚转角速率乘 以tana，得到偏航角速率补偿值；其中，α为所述飞行器的攻角； 角速率补偿器，用于分别接收所述角度控制器输出的偏航角速率指令值，以及所述滚 转角速率补偿支路的偏航角速率补偿值；并使用偏航角速率补偿值对所述偏航角速率指令 值进行补偿后，输出补偿后的偏航角速率指令值； 角速度控制器，用于根据所述角速率补偿器输出的补偿后的偏航角速率指令值，输出 相应的舵面偏转角度指令到所述伺服系统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度指令 控制所述飞行器的姿态。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括： 偏航角速率补偿支路，用于将检测到的所述飞行器的偏航角速率</>反馈至所述角速率 补偿器；以及 所述角速率补偿器还用于还使用偏航角速率W对所述偏航角速率指令值进行补偿。
3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：偏航角补偿支路、角度补偿器；其 中， 所述偏航角补偿支路用于将检测到的所述飞行器的侧滑角β反馈至所述角度补偿 器； 角度补偿器，用于分别接收侧滑角指令值，以及所述偏航角补偿支路输出的侧滑角β ; 并使用侧滑角β对接收的侧滑角指令值进行补偿后，输出补偿后的侧滑角指令值至所述 角度控制器。
4. 一种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制装置，包括：角度控制器、所述飞行 器的伺服系统，其特征在于，还包括： 滚转角速率补偿支路，用于检测到所述飞行器的滚转角速率后，将所述滚转角速率乘 以tana，得到偏航角速率补偿值输出；其中，a为所述飞行器的攻角； 偏航角速率补偿支路，用于将检测到的所述飞行器的偏航角速率输出； 偏航角补偿支路用于将检测到的所述飞行器的侧滑角β输出； 角度补偿器，用于分别接收侧滑角指令值，以及所述偏航角补偿支路输出的侧滑角β ; 并使用侧滑角β对接收的侧滑角指令值进行补偿后，输出补偿后的侧滑角指令值至所述 角度控制器，由所述角度控制器根据接收的补偿后的侧滑角指令值输出相应的偏航角速率 指令值； 角速率补偿器，用于分别接收所述角度控制器输出的偏航角速率指令值、所述滚转角 速率补偿支路的偏航角速率补偿值、所述偏航角速率补偿支路输出的偏航角速率W ;并使 用偏航角速率补偿值、偏航角速率</>对所述偏航角速率指令值进行补偿后，输出补偿后的 偏航角速率指令值； 角速度控制器，用于根据所述角速率补偿器输出的补偿后的偏航角速率指令值，输出 相应的舵面偏转角度指令到所述伺服系统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度指令 控制所述飞行器的姿态。
5. -种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制方法，其特征在于，包括： 将所述飞行器的滚转角速率乘以tana，得到偏航角速率补偿值；其中，α为所述飞行 器的攻角； 使用所述偏航角速率补偿值对偏航角速率指令值进行补偿后，得到补偿后的偏航角 速率指令值；其中，所述偏航角速率指令值是由输入的偏航角指令值进行相应转换后得到 的； 将补偿后的偏航角速率指令值转换为相应的舵面偏转角度指令后输出到所述伺服系 统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度指令控制所述飞行器的姿态。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述使用所述偏航角速率补偿值对偏航 角速率指令值进行补偿时，还包括： 还使用所述飞行器的偏航角速率《/>对所述偏航角速率指令值进行补偿。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述使用所述偏航角速率补偿值对偏航 角速率指令值进行补偿前，还包括： 使用所述飞行器的侧滑角β对所述侧滑角指令值进行补偿，得到补偿后的侧滑角指 令值；以及 所述偏航角速率指令值具体是由补偿后的侧滑角指令值进行相应转换后得到的。
8. -种基于运动耦合特性的飞行器姿态补偿控制方法，其特征在于，包括： 将所述飞行器的滚转角速率乘以tana，得到偏航角速率补偿值；其中，a为所述飞行 器的攻角；并 使用所述飞行器的侧滑角β对输入的侧滑角指令值进行补偿，得到补偿后的侧滑角 指令值，将补偿后的侧滑角指令值转换为相应的偏航角速率指令值； 使用所述偏航角速率补偿值，以及所述飞行器的偏航角速率》/>对所述偏航角速率指令 值进行补偿后，得到补偿后的偏航角速率指令值； 将补偿后的偏航角速率指令值转换为相应的舵面偏转角度指令后输出到所述伺服系 统，由所述伺服系统根据输入的舵面偏转角度指令控制所述飞行器的姿态。
【文档编号】G05D1/08GK104155989SQ201410395703
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】柳嘉润, 黄万伟, 包为民, 马卫华, 祁振强, 唐海红 申请人:北京航天自动控制研究所