基于微分平坦的拖曳系统直线-盘旋转接运动规划方法技术方案

发明专利技术公开了一种基于微分平坦的拖曳系统直线

【技术实现步骤摘要】
基于微分平坦的拖曳系统直线
‑
盘旋转接运动规划方法


[0001]本专利技术涉及飞行器轨迹规划
，主要涉及一种基于微分平坦的拖曳系统直线
‑
盘旋转接运动规划方法。

技术介绍

[0002]空中拖曳系统主要由飞行器、拖曳缆绳和拖曳体三者组成，在军用和民用领域具有广泛的工程应用，如航空拖曳诱饵、航空拖曳靶标、软管
‑
锥套式空中加油、软式无人机回收、吊挂运输等。随着任务需求的日益多元化和航空技术的快速发展，空中拖曳系统从原有单一直线飞行应用场景逐渐衍生出盘旋飞行应用场景，如飞机对潜通信、盘旋拖曳式无人机空中回收、空地定点负载回收与投放等。为实现盘旋飞行场景下的任务需求，如何确保飞行器安全、稳定、高效地从直线飞行状态转接过渡到盘旋飞行状态成为亟待突破解决的关键技术难点之一。
[0003]值得关注的是，当前针对拖曳系统的研究主要集中于直线飞行和盘旋飞行下的拖曳物体轨迹控制。而少数方法为解决拖曳系统直线
‑
盘旋转接过渡问题，采用最优控制理论规划拖曳系统过渡运动轨迹，存在求解计算复杂的问题。因此，急需研究一种拖曳系统从直线飞行转接过渡到盘旋飞行的快速运动规划方法，从而满足拖曳系统在不同场景下的转接过渡需求。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术提供了一种拖曳系统直线
‑
盘旋转接运动规划方法，根据微分平坦原理将拖曳系统各节点状态变量转为拖曳体位置及其导数表示，降低规划空间维度，并通过多项式函数构建拖曳体直线
‑
盘旋转接过渡飞行位置方程，从而快速规划出拖曳系统转接飞行位置、速度和加速度。
[0005]为此，本专利技术通过以下技术方案予以实现：本申请提供的基于微分平坦的拖曳系统直线
‑
盘旋转接运动规划方法包含以下步骤：
[0006]步骤S1：采用集中质量法和牛顿第二定律构建拖曳系统的母机
‑
缆绳
‑
拖曳体多体动力学模型：
[0007][0008]式中，m
i
＝m
l
为节点i的质量，m
Ndr
＝m
l
+m
dr
为节点N的质量，m
l
为缆绳分段的质量，m
dr
为拖曳体的质量；G
i
＝m
i
ge
z
为节点i所受重力，G
Ndr
＝m
Ndr
ge
z
为节点N所受重力，e
z
＝[0,0,1]T
为重力单位方向矢量；T
i
为节点i所受第i段缆绳产生的张力；F
ia
为节点i所受气动力，为拖曳体所受气动力。
[0009]其中，缆绳节点i所受张力T
i
可表示为：
[0010][0011]式中：l
i
＝P
i
‑
P
i+1
是第i段缆绳的位置矢量，l0是第i段缆绳未拉伸变形时的初始长度，E是缆绳的弹性杨氏模量，A是缆绳的横截面积。
[0012]缆绳节点i所受气动力F
ia
可表示为：
[0013][0014]式中：D
i
和L
i
分别表示第i段缆绳所受气动阻力和气动升力；和分别表示第i段缆绳的气动阻力系数和气动升力系数；和分别表示第i段缆绳的气动阻力单位方向矢量和气动升力单位方向矢量；ρ
i
为第i段缆绳周围的空气密度；d
l
为缆绳的直径；V
ia
为第i段缆绳的空速矢量。
[0015]拖曳体所受气动力可表示为：
[0016][0017]式中：D
dr
和L
dr
分别表示拖曳体所受气动阻力和气动升力；和分别表示拖曳体的气动阻力系数和气动升力系数；ρ
dr
为拖曳体周围的空气密度；S
dr
为拖曳体的气动面积；为拖曳体的空速矢量。
[0018]步骤S2：基于步骤S1所建立的拖曳系统多体动力学模型，根据微分平坦理论，将母机位置、速度以及加速度转换为拖曳体位置及其导数表示：
[0019]拖曳系统是微分平坦的，即系统状态和输入可以写成关于系统平坦输出及其导数的函数。令拖曳体三轴位置为系统平坦输出：δ＝[p
Nx
,p
Ny
,p
Nz
]T
，则根据拖曳体所在节点N的受力平衡可得节点N所受缆绳拉力T
N
为：
[0020][0021]式中：e
x
,e
y
,e
z
分别是惯性系下的单位方向矢量；T
Nx
,T
Ny
,T
Nz
分别是节点N所受张力在惯性系下的分量；m
dr
为节点N的质量；A
N
,G
Ndr
,分别是节点N的加速度矢量、重力矢量以及气动力矢量。
[0022]同时，考虑到缆绳拉力来源于缆绳的伸缩变形，因此在已知缆绳分段拉力矢量T
N
和节点N位置P
N
时，缆绳节点N
‑
1的位置矢量P
N
‑1可表示为：
[0023][0024]式中：l0为缆绳分段初始长度；E为缆绳的弹性模量；A为缆绳的横截面积。
[0025]继而，在已知缆绳节点N
‑
1的位置矢量P
N
‑1、速度矢量和加速度矢量时，可计算出缆绳节点N
‑
1的气动力矢量结合缆绳节点所受重力矢量G
N
‑1可得节点所受张力为：
[0026][0027]进一步结合缆绳节点N
‑
1的位置P
N
‑1可知缆绳节点N
‑
2的位置P
N
‑2矢量为：
[0028][0029]同理，节点i的位置矢量P
i
为：
[0030][0031]其中，节点i所受缆绳拉力T
i
可表示为：
[0032][0033]式中：m
i
为节点i的质量，G
i
,F
ia
分别表示节点i所受重力矢量和气动力矢量。
[0034]最终，可得母机的位置矢量P0、速度矢量以及加速度矢量
[0035]步骤S3：考虑拖曳系统直线
‑
盘旋转接起始与终点处状态约束，采用多项式建立拖曳体直线
‑
盘旋转接运动位置方程，并根据系统微分平坦特性计算得到相应时刻的母机位置、速度以及加速度。
[0036]根据拖曳体直线飞行阶段和盘旋飞行阶段状态，考虑拖曳体在直线
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于微分平坦的拖曳系统直线
‑
盘旋转接运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：构建拖曳系统的母机
‑
缆绳
‑
拖曳体多体动力学模型；步骤S2：根据微分平坦理论，将拖曳系统各节点状态转为拖曳体三轴位置及其导数表示；步骤S3：考虑拖曳系统直线
‑
盘旋转接起始与终点处状态约束，采用多项式建立拖曳体直线
‑
盘旋转接运动位置方程，进一步计算得到拖曳体三轴位置及其导数，并根据步骤S2规划母机在直线
‑
盘旋转阶段的飞行位置、速度以及加速度。2.根据权利要求1所述的基于微分平坦的拖曳系统直线
‑
盘旋转接运动规划方法，其特征在于，步骤S2具体为：步骤S21，设定拖曳体三轴位置为系统平坦输出：δ＝[p
Nx
,p
Ny
,p
Nz
]
T
，根据拖曳体所在节点N的受力平衡可得节点N所受缆绳拉力T
N
为：式中：e
x
,e
y
,e
z
分别是惯性系下的单位方向矢量；T
Nx
,T
Ny
,T
Nz
分别是节点N所受张力在惯性系下的分量；m
Ndr
为节点N的质量；分别是节点N的加速度矢量、重力矢量以及气动力矢量；步骤S22，在已知节点N所受缆绳拉力T
N
和节点N位置P
N
时，则缆绳节点N
‑
1的位置矢量P
N
‑1为：式中：l0为缆绳分段初始长度；E为缆绳的弹性模量；A为缆绳的横截面积；步骤S23，在已知缆绳节点N
‑
1的位置矢量P
N
‑1、速度矢量和加速度矢量时，计算出缆绳节点N
‑
1的气动力矢量结合缆绳节点所受重力矢量G
N
‑1可得节点所受张力为：进一步结合缆绳节点N
‑
1的位置P
N
‑1可知缆绳节点N
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏子康，陈海通，荆献勇，陈嘉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：