【技术实现步骤摘要】
一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法
本专利技术属于空中加油
，涉及一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法。
技术介绍
无人机自主空中加油是指实现无人机的加油功能的自动化。目前的无人机自主空中加油均采用软式加油技术，在加油过程中，由于大气紊流、加油机尾流、受油机头波等的影响，锥套的状态及其不稳定，会在一定范围内震荡，这非常不利于锥套和受油机的对接。针对此问题，国内外开始了锥套自主稳定的研究。如今国内外的自主稳定锥套方案以设想为主，包括加装舵面、变伞面支柱等，但均未进行深入研究，并且方案目的都是锥套自稳定，没有考虑具有主动力的锥套能够进行自主机动的情况。然而在自主空中加油过程中，锥套的自主机动能够在辅助受油机对接锥套的过程中发挥巨大作用。因此，建立一种针对锥套自主机动的软管锥套动力学模型，为研究自主空中加油技术奠定基础是非常有必要的。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，针对自主空中加油过程中软管收放、锥套位置和姿态的变化，本专利技术提出一种自主空中加油软管锥套
【技术保护点】
1.一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1、建立坐标系：/n大地坐标系O
【技术特征摘要】
1.一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、建立坐标系：
大地坐标系Ogxgygzg：在大地上选取一点Og,xg轴处于大地水平面内且指向某个方向，zg轴垂直于大地水平面且朝向地心，yg轴用右手定则确定其方向，与加油机吊舱航迹坐标系平行；
加油机吊舱航迹坐标系Ohxhyhzh：原点Oh取在吊舱和软管的连接处，坐标系和吊舱固连，xh轴和加油机飞行速度方向重合一致，zh轴在包含飞行速度的铅垂面内，与xh轴垂直且朝向下方，yh轴用右手定则确定其方向；
锥套本体坐标系Obxbybzb：原点Ob在锥套质心处，坐标系和锥套固连，xb轴在锥套对称平面内并平行于锥套的设计轴线朝向软管和锥套的连接处，zb轴在锥套对称平面内，与xb轴垂直并朝向锥套下方，yb轴用右手定则确定其方向；
大地坐标系到锥套本体坐标系之间的变换矩阵为：
式中，ψ、θ、γ为锥套的姿态角，为偏航角、俯仰角和滚转角；
锥套本体坐标系到大地坐标系之间的变换矩阵为：
步骤2、建模条件：锥套为刚体，软管质量均匀分布，卷轴和软管连接的拖拽点前软管无伸缩变形，忽略软管张力对加油机的影响，锥套的主动力和力矩由四个执行器提供；
软管模型采用珠子模型，定义如下：初始状态时，软管分为n段，每段软管自然长度、质量相等；在软管收放过程中，最后一段软管的自然长度η不断变化，而前n-1段软管的自然长度l、质量m保持不变；当η≥1.5l时，将第n段软管分为新的第n段和第n+1段软管，则新的最后一段软管的自然长度η*＝η-l；当η＜0.5l时，将第n段和第n-1段软管合为新的第n-1段软管，则新的最后一段软管的自然长度η*＝η+l；
由软管模型的定义可知：
式中，mi为第i个珠点的质量；m为前n-1段软管的质量；第i个珠点和第i+1个珠点之间的软管为第i段软管；mdrogue为锥套质量；ρ为软管的线密度；η为第n段软管的自然长度；
步骤3：受力分析
i点受到第i段软管向上的拉力ti、第i-1段软管向下的拉力-ti-1、合外力Qi；
式中，ti为第i段软管对第i个珠点的拉力；E为软管的杨氏模量；A为软管的横截面积；xi为第i+1个珠点到第i个珠点的矢量，即第i段软管的长度矢量；li为矢量xi的模；
合外力Qi包括重力、软管恢复力Ri和空气阻力Di：
式中，Fdrogue为本体坐标系下的锥套气动力；g为重力加速度；
锥套气动力、气动力矩分别为u1、u2、u3、u4、α、β、vb/a的函数：
Fdrogue＝F(u1,u2,u3,u4,α,β,vb/a)(6)
Mdrogue＝Μ(u1,u2,u3,u4,α,β,vb/a)(7)
式中，Mdrogue为本体坐标系下的气动力矩；u1、u2、u3、u4分别为四个执行器的控制量；α为攻角；β为侧滑角；vb/a＝vb-vb/w；vb/a为锥套质心相对空气的速度；vb为锥套质心相对大地的速度；vb/w为流经锥套的空气相对大地的速度，等于定常流、加油机尾流、大气紊流、受油机头波等的矢量和；
软管对锥套的拉力矩为：
Mt＝-xbt×(Sg_bt1)(8)
式中，xbt为软管和锥套的连接点到锥套质心的距离矢量在本体坐标系下的投影；×为叉乘符号；
空气阻力Di包括软管摩擦力pi、软管压差力qi：
Di＝pi+...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟中杰，宋梦实，黄攀峰，张帆，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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