【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞行器模型设计领域，具体涉及一种基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法。
技术介绍
1、飞行器三自由度质点运动模型描述了飞行器的平动自由度运动，忽略了转动自由度，即飞行器的角运动和力矩作用，是对刚体运动模型的简化。同时，该飞行器三自由度质点运动模型通常假设飞行器不受侧力和侧滑角的影响。实际上，三自由度模型作为轨迹与制导设计的基础，对独立验证轨迹及制导技术有着重要的意义。
2、目前，国内外飞行器三自由度质点横侧向运动模型普遍采用以倾侧角为输入的质点运动学方程。以倾侧角为输入的横侧向质点运动模型是在速度坐标系上建立的，它能较好的反映速度坐标系下角度和角速率的变化情况，但是得到的飞行状态不直观，同时没有考虑舵面控制能力的约束，结果不可靠，需要在三自由度质点运动方程中体现控制能力的约束。
3、专利号为cn202011072038.1、名称为一种基于俯仰角速率输入的飞行器质点运动模型设计方法的一件专利申请，对纵向质点运动方程进行了改写，将纵向运动方程的输入由原来的迎角变为俯仰角速率，充分考虑了升降舵的控制能力，但是并未对横侧向的质点运动模型建立方法进行研究，无法求解出可靠的飞行器全状态，可靠性不强。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术目的是提供一种直观性强、可靠性强的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法。
2、技术方案：本专利技术所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，所述方法包括以下步骤：>
3、s1、获取飞行器滚转角速率指令、当前时刻的横侧向状态量、纵向状态量，所述横侧向状态量包括滚转角速率p；
4、s2、获取副翼偏转角范围、方向舵偏转角范围，并在所述副翼偏转角范围内建立副翼控制约束；在所述方向舵偏转角范围内建立方向舵控制约束；
5、s3、由所述滚转角速率p和滚转角速率指令计算滚转角加速度，并基于所述副翼控制约束约束滚转角加速度；
6、
7、
8、式中，为滚转角加速度；为满足副翼控制约束的滚转角加速度；为滚转角最大加速度；为滚转角最小加速度；mid为取中值函数；pc为滚转角速率指令；k为滚转角速率反馈到副翼的增益，为滚转力矩对副翼的偏导数，为闭环后滚转力矩对滚转角速率的偏导数；
9、s4、由所述滚转角速率求解偏航角速率，进而计算偏航角加速度，并基于所述方向舵控制约束约束偏航角加速度，过程如下式：
10、
11、
12、
13、
14、式中，r为当前时刻偏航角速率；为偏航角加速度；为满足方向舵控制约束的偏航角加速度；为偏航角最大加速度；为偏航角最小加速度；g为重力加速度；为下一时刻偏航角速率状态值；δt为模型运算周期；w为机体系z轴的速度；u为机体系x轴的速度；θ为俯仰角；φ为滚转角；
15、s5、建立满足所述方向舵控制约束和副翼控制约束的飞行器质点运动方程，所述质点运动方程如下：
16、
17、
18、
19、
20、
21、式中，q为俯仰角速率；ψ为偏航角；为滚转角速率变化率；为滚转角变化率；为偏航角变化率；为北向距离变化率；为东向距离变化率；为下一时刻的俯仰角；为下一时刻的滚转角；为下一时刻的机体系x轴的速度；
22、s6、求解飞行状态值，将所述满足副翼控制约束的滚转角加速度、满足方向舵控制约束的偏航角加速度、纵向状态量根据所述质点运动方程，输出任一时刻满足副翼控制约束和方向舵控制约束的飞行状态值。
23、进一步的，所述当前时刻的横侧向状态量还包括滚转角φ、偏航角ψ、北向距离pn、东向距离pe，所述纵向状态量包括俯仰角速率q、机体系x轴的速度u、w为机体系z轴的速度、俯仰角θ、高度h、输入量升降舵δe、迎角α、空速vt、马赫数ma和动压
24、进一步的，其特征在于，所述俯仰角速率q、机体系x轴的速度u、机体系z轴的速度w、俯仰角θ、高度h、输入量升降舵δe为已知数据；迎角α、空速vt、马赫数ma和动压由所述纵向状态量的已知数据计算得到。
25、进一步的，步骤s2中，所述副翼控制约束为，基于角动力学计算滚转角加速度的最大值和最小值作为滚转角加速度的边界值，具体如下：
26、
27、
28、式中，δa max为副翼舵面正偏转允许的最大值；δa min为副翼舵面负偏转允许的最大值；为转动惯量积，ix、iy、iz、ixz为转动惯量；为副翼最大负舵偏产生的滚转力矩；n(δa min)为副翼最大负舵偏产生的偏航力矩；为副翼最大正舵偏产生的滚转力矩；n(δa max)为副翼最大正舵偏产生的偏航力矩。
29、进一步的，步骤s2中，所述方向舵控制约束为，基于横侧向角动力学方程计算偏航角加速度的最大值和最小值作为偏航角加速度的边界值，具体如下：
30、
31、
32、式中，δrmax为方向舵最大正偏转角；δr min为方向舵最大负偏转角；n(δr min)为方向舵最大负舵偏所产生的偏航力矩；为方向舵最大负舵偏所产生的滚转力矩，n(δr max)为方向舵最大正舵偏所产生的偏航力矩；为方向舵最大正舵偏所产生的滚转力矩；为最大偏航角加速度；为最小偏航角加速度；
33、进一步的，步骤s3中，所述滚转角加速度基于滚转角速率控制等效模型计算，所述滚转角速率控制等效模型具体如下：
34、
35、式中，s为传递函数的一个自变量。
36、进一步的，步骤s4中，基于协调转弯约束求解偏航角速率，所述协调转弯约束为飞行器进行无侧滑协调转弯飞行，协调转弯约束具体如下：
37、v＝0
38、
39、式中，v为机体系y轴的速度；为机体系y轴的速度变化率。
40、进一步的，步骤s5中，重新计算滚转角加速度使滚转角加速度满足所述副翼控制约束与方向舵控制约束；重新计算滚转角加速度的具体求解公式如下：
41、
42、
43、
44、式中，为下一时刻的偏航角速率；为下一时刻的滚转角速率、为机体系x轴的速度。
45、进一步的，步骤s5中，所述质点运动方程的微分方程形式为：
46、
47、其中，x为当前时刻飞行状态；为状态量变化率；输入量u为滚转角速率指令pc；t为时间。
48、进一步的，步骤s6中，所述任一时刻te的的飞行状态量为由积分算法求得，具体公式如下：
49、
50、式中，飞行状态量包括任意时刻的滚转角速率滚转角偏航角北向距离和东向距离
51、有益效果：本专利技术具有如下显著效果：1、直观性强：本专利技术对传统的六自由度刚体运动方程进行了改进，将原方程横侧向的输入由原来的副翼和方向舵变为滚转角速率，对于给定的滚转角速率本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，所述当前时刻的横侧向状态量还包括滚转角φ、偏航角ψ、北向距离PN、东向距离PE，所述纵向状态量包括俯仰角速率Q、机体系x轴的速度U、W为机体系z轴的速度、俯仰角θ、高度H、输入量升降舵δe、迎角α、空速VT、马赫数Ma和动压
3.根据权利要求2所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，所述俯仰角速率Q、机体系x轴的速度U、机体系z轴的速度W、俯仰角θ、高度H、输入量升降舵δe为已知数据；迎角α、空速VT、马赫数Ma和动压由所述纵向状态量的已知数据计算得到。
4.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤S2中，所述副翼控制约束为，基于角动力学计算滚转角加速度的最大值和最小值作为滚转角加速度的边界值，具体如下：
5.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在
6.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤S3中，所述滚转角加速度基于滚转角速率控制等效模型计算，所述滚转角速率控制等效模型具体如下：
7.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤S4中，基于协调转弯约束求解偏航角速率，所述协调转弯约束为飞行器进行无侧滑协调转弯飞行，协调转弯约束具体如下：
8.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤S5中，重新计算滚转角加速度使滚转角加速度满足所述副翼控制约束与方向舵控制约束；重新计算滚转角加速度的具体求解公式如下：
9.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤S5中，所述质点运动方程的微分方程形式为：
10.根据权利要求9所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤S6中，所述任一时刻te的的飞行状态量为由积分算法求得，具体公式如下：
...【技术特征摘要】
1.基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，所述当前时刻的横侧向状态量还包括滚转角φ、偏航角ψ、北向距离pn、东向距离pe，所述纵向状态量包括俯仰角速率q、机体系x轴的速度u、w为机体系z轴的速度、俯仰角θ、高度h、输入量升降舵δe、迎角α、空速vt、马赫数ma和动压
3.根据权利要求2所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，所述俯仰角速率q、机体系x轴的速度u、机体系z轴的速度w、俯仰角θ、高度h、输入量升降舵δe为已知数据；迎角α、空速vt、马赫数ma和动压由所述纵向状态量的已知数据计算得到。
4.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤s2中，所述副翼控制约束为，基于角动力学计算滚转角加速度的最大值和最小值作为滚转角加速度的边界值，具体如下：
5.根据权利要求1所述的基于滚转角速率输入的飞行器横侧向飞行状态求解方法，其特征在于，步骤s2中，所述方向舵控制约束为，基于横侧...
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