一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，飞行器的动态是球坐标系中表示的非完整动力学方程并且已知流场是随着时间和空间变化的，所述方法包括如下步骤：a)用弗莱纳公式表示以球坐标系下的飞行器动力学方程；b)计算球面跟踪误差、轨道跟踪误差以及横向编队误差；c)设计期望的横摆角速度、倾侧角速度以及线加速度，使得误差达到设计要求的同时保障飞行器不运动到南北极的连线；d)设计横摆角和倾侧角加速度使得实际的横摆和倾侧角速度达到期望值。此种方法简单可靠、精度较高，适应于任意已知时空可变流场中的协作监测等复杂任务。

A spherical orbit tracking control method for spacecraft under time-varying flow field

The invention discloses a method of tracking and controlling the formation of a spherical orbit in a space-time variable flow field. The dynamics of the aircraft is a nonholonomic dynamic equation expressed in the spherical coordinate system and the known flow field is changed with time and space. The method includes the following steps: a) to express the flight in the spherical coordinate system with flener formula. The dynamic equation of the manipulator, b) calculates the spherical tracking error, track tracking error and lateral formation error; c) designs the desired yaw rate, the inclination angle velocity and the linear acceleration to make the error achieve the design requirements while ensuring the aircraft not to move to the north and south poles; and D) designs the yaw angle and the inclination angle acceleration. The actual yaw and tilting angular velocity are expected. This method is simple, reliable and accurate, and is suitable for complex tasks such as cooperative monitoring in any known time-space variable flow field.

【技术实现步骤摘要】
一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法
本专利技术涉及本专利技术涉及一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法。
技术介绍
近年来，随着通信技术、网络技术和传感器技术的发展，为了能够有效地利用有限个运动体全方面地实现三维空间目标的信息采集，通常需要运动体各自运动在目标球面上的期望轨道并且保持一定的队形，即球面轨道编队跟踪控制问题。美国海洋局曾联合多个国家和科研机构先后开展了Argo计划以及多水下机器人协作海洋监测项目。NASA早在1993年就宣布开展火星探索计划，最近一次公告显示美国打算构建基于探测卫星和火星车空地一体的火星探测系统。由此可见，球面轨道编队控制技术在三维空间信息采集、监测方面具有重要的价值。当前，球面轨道编队控制方法大多数都忽略外部流场的影响并且飞行器的运动采用最简单的牛顿质点(陈杨杨，王凯旋，“球面环绕编队控制的几何设计方法”，专利号：CN201510582120.1)。然而在实际应用中，无论是海洋中鱼群、微生物群的信息采集，还是太空星球探测，多运动体不可避免地都会受到外界环境中流场的影响(如洋流、风等)。实际上流场不仅会使得运动体偏离自己的期望轨道而且会破坏运动体间期望的队形，进而造成采集数据精度下降等不利的影响。当前对于有流场影响的轨道编队跟踪控制的设计几乎都集中在二维平面并且流场是时不变的(陈杨杨，“一种二维定常风速场中多机器人的寻迹编队控制方法”，专利号：ZL201310318275.5)，然而现实中无论是洋流场还是风场都是随着时间和空间变化的，显然，已有的设计方法不再适应，需要发展一种新的控制方法来解决时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制问题，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，其简单可靠、精度较高，适应于任意已知时空可变流场中的协作监测等复杂任务。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，飞行器的动态是球坐标系中表示的非完整动力学方程并且已知流场是随着时间和空间变化的，所述方法包括如下步骤：a)用弗莱纳公式表示以球坐标系下的飞行器动力学方程；b)计算球面跟踪误差、轨道跟踪误差以及横向编队误差；c)设计期望的横摆角速度、倾侧角速度以及线加速度，使得误差达到设计要求的同时保障飞行器不运动到南北极的连线；d)设计横摆角和倾侧角加速度使得实际的横摆和倾侧角速度达到期望值。上述步骤a)包括如下步骤：a1)合成球坐标系中飞行器运动学方程和流场流速，计算弗莱纳方程中飞行器合成速度对应的横摆角；a2)由横摆角计算弗莱纳方程中飞行器合成速度对应的主法方向；a3)由合成速度对应的横摆角和主法方向，计算飞行器合成速度对应的俯仰角和单位速度方向；a4)计算与合成速度方向和主法方向都垂直的次法方向；a5)由合成速度对应的主法方向、计算飞行器速度以及流场流速，计算合成速度投影到轨道所在平面中的大小；a6)由合成速度对应的主法方向、单位速度方向、次法方向以及合成速度投影到轨道所在平面中的大小得到球坐标系下的飞行器弗莱纳方程。上述步骤b)包括如下步骤：b1)由飞行器当前位置计算其到球心的距离，进而计算球面跟踪误差；b2)由飞行器当前位置计算纬度角，进而计算轨道跟踪纬度角误差；b3)计算轨道所在平面内飞行器合成运动方向与轨道切方向间的轨道角度误差；b4)由飞行器合成速度对应的俯仰角确定合成速度与轨道所在平面间的轨面角度误差；b5)由飞行器当前位置计算经度角，再根据通信得到的邻居的经度角计算横向编队误差以及在轨速度。上述步骤c)包括如下步骤：c1)由球面跟踪误差、轨道跟踪纬度角误差以及轨面角度误差设计球面跟踪控制律，使得球面跟踪误差减少到满足的设计要求；c2)由球面跟踪误差、轨道跟踪纬度角误差、轨道角度误差、轨面角度误差以及编队误差设计轨道跟踪控制律，使得轨道跟踪误差减少到满足的设计要求，同时保障飞行器不运动到南北极的连线；c3)由轨道角度误差，横向编队误差以及在轨速度设计横向编队控制律，使得编队误差减少到满足的设计要求；c4)由球面跟踪控制律、轨道跟踪控制律以及横向编队控制律联列，求解出飞行器期望的横摆角速度、倾侧角速度以及线加速度。上述步骤d)包括如下步骤：d1)计算飞行器真实横摆角速度与期望的横摆角速度间的横摆角速度误差，设计横摆角加速度使得横摆角速度误差减少到满足的设计要求；d2)计算飞行器真实倾侧角速度与期望的倾侧角速度间的倾侧角速度误差，设计倾侧角加速度使得倾侧角速度误差减少到满足的设计要求；d3)由上位机将飞行器的控制输入发送给下位机中，通过伺服系统来完成运动控制。采用上述方案后，本专利技术简单可靠，精度较高，适用任意已知时空可变流场中的协作监测等。附图说明图1是弗莱纳公式表示下的飞行器；图2是球面轨道跟踪和横向编队示意图；图3是本专利技术的流程图。附图中参数说明：o：球坐标系的原点；x：球坐标系的x轴；y：球坐标系的y轴；z：球坐标系的z轴；vi：三维运动体的速度；三维运动体速度单位方向向量；f(pi,t)：已知时空流场的流速；xi：合成速度的单位方向向量；yi：单位主法方向向量；zi：单位次法方向向量；投影到平面的三维运动体的速度；W:旋转矩阵vi：第i个飞行器；vj：第j个飞行器；vk：第k个飞行器；ψi：第i个飞行器位置对应的经度角；ψj：第j个飞行器位置对应的经度角；ψk：第k个飞行器位置对应的经度角；φi：第i个飞行器位置对应的纬度角；δi：第i个飞行器对应的轨道角度误差；Ti：第i个飞行器期望轨道的单位切向量；R：对角矩阵diag(1,1,0)；λi：量化的距离误差；ρi：目标球的半径；γei：第i个飞行器对应的轨面角度误差。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术提供一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，特别适用于球坐标系中表示的非完整飞行器动态并且已知流场是随着时间和空间变化的。令球坐标系s＝{o,x,y,z}的原点位于目标球面的球心，其z轴垂直与球面圆轨道所在的平面。当然对于目标球面的球心不在球坐标系的原点以及球面圆轨道所在的平面不垂直与z轴的情况，我们可以通过坐标系的平移和旋转来实现。在球坐标系中，已知的时空可变流场用关于位置pi和时间t的二阶连续可导函数流速f(pi,t)＝[fx(pi,t),fy(pi,t),fz(pi,t)]T表示，其中fx(pi,t)、fy(pi,t)和fz(pi,t)分别表示流速在x、y和z方向上的强度。在已知时空可变流场作用下，第i个飞行器非完整飞行器的动力学方程如下：其中，为位置坐标，vi为线速度，xvi＝[cosαicosθi,cosαisinθi,sinαi]T为速度方向，αi和θi分别表示倾侧角和横摆角，和分别为倾侧角速度和横摆角速度，和分别表示线加速度，倾侧角加速度和横摆角加速度。球坐标系中期望跟踪的目标球面k可以表示为：其中，ρ为目标球面的半径。由于球坐标系中球面上的圆轨道上的每一点对应着相同的纬度角，这里用纬度角来表示期望的轨道。横向编队用相邻飞行器位置对应的相对经度角来表示。各运动体之间保持期望横向队形是指：其中，ψi∈(-π,π)为第i个飞行器位置对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，其特征在于：飞行器的动态是球坐标系中表示的非完整动力学方程并且已知流场是随着时间和空间变化的，所述方法包括如下步骤：a)用弗莱纳公式表示以球坐标系下的飞行器动力学方程；b)计算球面跟踪误差、轨道跟踪误差以及横向编队误差；c)设计期望的横摆角速度、倾侧角速度以及线加速度，使得误差达到设计要求的同时保障飞行器不运动到南北极的连线；d)设计横摆角和倾侧角加速度使得实际的横摆和倾侧角速度达到期望值。

【技术特征摘要】
1.一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，其特征在于：飞行器的动态是球坐标系中表示的非完整动力学方程并且已知流场是随着时间和空间变化的，所述方法包括如下步骤：a)用弗莱纳公式表示以球坐标系下的飞行器动力学方程；b)计算球面跟踪误差、轨道跟踪误差以及横向编队误差；c)设计期望的横摆角速度、倾侧角速度以及线加速度，使得误差达到设计要求的同时保障飞行器不运动到南北极的连线；d)设计横摆角和倾侧角加速度使得实际的横摆和倾侧角速度达到期望值。2.如权利要求1所述的一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，其特征在于所述步骤a)包括如下步骤：a1)合成球坐标系中飞行器运动学方程和流场流速，计算弗莱纳方程中飞行器合成速度对应的横摆角；a2)由横摆角计算弗莱纳方程中飞行器合成速度对应的主法方向；a3)由合成速度对应的横摆角和主法方向，计算飞行器合成速度对应的俯仰角和单位速度方向；a4)计算与合成速度方向和主法方向都垂直的次法方向；a5)由合成速度对应的主法方向、计算飞行器速度以及流场流速，计算合成速度投影到轨道所在平面中的大小；a6)由合成速度对应的主法方向、单位速度方向、次法方向以及合成速度投影到轨道所在平面中的大小得到球坐标系下的飞行器弗莱纳方程。3.如权利要求1所述的一种时空可变流场下飞行器的球面轨道编队跟踪控制方法，其特征在于所述步骤b)包括如下步骤：b1)由飞行器当前位置计算其到球心的距离，进而计算球面跟踪误差；b2)由飞行器当前位置计算纬度角，进而计算轨道跟踪...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杨杨，艾香，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32