【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机近海面着舰回收，主要设计一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法。
技术介绍
1、舰载无人机着舰回收技术是提高海军作战效能的关键创新。它不仅展示了无人控制系统的精确性，而且极大提高了作战平台的可用性。通过回收技术，无人机在完成任务后能够安全返航至舰船，实现快速维护与再部署，从而延长作战时间，增强持续监视和快速响应能力。此外，无人机着舰回收技术显著降低了作战成本，减少了对飞行员资源的依赖，增加了作战单元的生存率，同时也为敏感信息的通讯提供了更加安全的保障。在提升海上作战力量的多任务执行能力和持续作战能力方面，无人机着舰回收技术为海军无人战术体系的有效运用提供了坚实基础。
2、无人机舰载侧臂回收系统是由美国国防高级研究计划局(darpa)联合极光飞行科学公司，在战术利用侦察节点(tern)项目的支持下，精心研发并成功演示的一项先进技术。该系统设计用于在空间受限的海上或地面移动平台上，灵活地发射与回收续航时间较长的无人机。其创新设计可兼容多种战术无人机，确保无人机能够从任意动平台上迅速部署和安全回收，这一设计有效解决了空间有限平台上的着陆问题，可极大优化现有中小型舰船直升机甲板的利用效率。针对近海面无人机的着舰回收技术，现有研究已相对成熟，如天钩和撞网回收等方法被广泛研究。然而，这些方法主要集中于无人机飞行控制的单一方面，而对回收装置的要求相对简单，基本不做控制处理。基于此，本专利技术提出了一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统的动力学建模方，旨在提升舰载侧臂系统模型的精确度，对于动平台下实现无人机的精
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决复杂海况下固定翼无人机舰载侧臂协作对接控制问题，提出了一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法。
2、本申请技术方案整体包含：一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，所述舰载侧臂回收系统包括6dof运动舰船和3dof机械侧臂，设定惯性系坐标位于海平面，所述机械臂延其长度的中心轴具有旋转对称性，并且质心与旋转轴对齐，各连杆为质量对称分布构造；所述建模方法用于使固定翼无人机舰载侧臂协作对接控制，所述建模方法包括如下步骤；
3、步骤一、基于运动舰船与机械侧臂之间以及各关节间的位置矢量关系，搭建适用于复杂海况下舰载侧臂运动分析的动态耦合坐标系；
4、步骤二、基于坐标齐次线性变换法，构建惯性系下舰船与侧臂各连杆的运动学模型，以得到舰载侧臂回收系统中舰船及各连杆的运动状态；
5、步骤三、根据牛顿力学原理，考虑舰载侧臂系统中各节点运动状态，确定舰载侧臂回收系统各节点受力情况；
6、步骤四、将步骤二中所述系统运动学模型与广义lagrange动力学和euler方程结合，得到非惯性基座下的侧臂动力学方程，根据所述非惯性基座下的侧臂动力学方程推导舰载侧臂回收系统总动能；
7、步骤五、结合步骤三中所得各节点受力情况和步骤四中的非惯性基座下的侧臂动力学方程，设计舰载侧臂协作对接控制的动力学模型。
8、进一步，步骤一的具体过程如下：
9、选取与固定翼无人机飞行系统相同的海平面坐标系og-xgygzg；选取舰船质心为舰体坐标原点ob，舰船船头指向方向为x轴方向，满足右手定则建立舰船质心坐标系ob-xbybzb；选取侧臂关节一转轴方向为z轴，连杆所在方向为x轴方向，满足右手定则建立关节一旋转坐标系o1-x1y1z1，同理分别建立关节二、三旋转坐标系o2-x2y2z2、o3-x3y3z3。
10、进一步，步骤二的具体过程如下：
11、步骤201、基于坐标齐次变换法，推导各节点相对海平面坐标系的变换矩阵；
12、步骤202、基于步骤201所得各节点变换矩阵，侧臂各连杆在海平面坐标系下的运动学模型由雅可比矩阵表示为：
13、
14、其中，x1,x2,x3分别为矩阵位移向量的x轴分量，y1,y2,y3分别为矩阵位移向量的y轴分量，z1,z2,z3分别为矩阵位移向量的z轴分量；
15、步骤203、基于步骤201的变换矩阵和步骤202的雅可比矩阵，侧臂关节惯性系下的空间速度表示为
16、
17、其中，表示为舰船空间位姿，表示为三连杆关节角加速度。
18、进一步，步骤三的具体过程如下：
19、步骤301、考虑各连杆所受的重力，连杆一相对于海平面坐标系的重力可表示为
20、
21、其中，为连杆i坐标系相对海平面坐标系的旋转矩阵，pz＝[001]t，为在连杆一坐标系中表示连杆一的质心。
22、步骤302、基于步骤301各连杆所受重力，计算侧臂各连杆关节力矩。连杆一受重力影响的关节力矩表示为
23、
24、其中，j1(q)为雅可比矩阵j1的位移向量部分，为伴随矩阵的位移向量部分；同理连杆二、三受重力影响的关节力矩分别表示为
25、
26、
27、其中，j2(q),j3(q)分别为雅可比矩阵j2,j3的位移向量部分，分别为伴随矩阵的位移向量部分。
28、进一步，步骤四的具体过程如下：
29、步骤401、结合广义lagrange方法和euler方程，搭建舰载侧臂回收系统动力学模型，具体为
30、
31、其中，m(q)为系统惯性矩阵，c(q,v)矩阵表示为描述系统所受科里奥力和离心力矩阵，τ为由重力、关节旋转摩擦力和外力矢量合成作用的系统总力矩；
32、步骤402、根据步骤203计算出的各连杆相对海平面坐标的空间速度，推导出侧臂各连杆相对海平面总动能；其表示为
33、
34、其中，ii＝diag(iix,iiy,iiz,mi,mi,mi)为连杆i的正定惯性张量，惯性矩阵mi(q)表示为
35、
36、其中，为连杆i相对舰船机体坐标的伴随矩阵；
37、舰载侧臂系统的总动能由连杆和非惯性基座的构成，其表示为
38、
39、步骤403、基于步骤402所得系统总动能，结合步骤401中的系统动力学方程，非惯性动平台下的侧臂系统动力学方程写为：
40、
41、其中，mvv∈r6×6为侧臂系统总惯性矩阵m(q)中舰船运动部分；mqv∈r3×6为侧臂系统总惯性矩阵m(q)中舰船运动与侧臂运动的耦合部分；mqq∈r3×3为侧臂系统总惯性矩阵m(q)中三连杆运动部分；cvv∈r6×6,cvq∈r6×3,cqv∈r3×6,cqq∈r3×3共同构建了舰载侧臂系统总的科里奥力和离心力矩阵c(q,v)∈r9×9；fb为舰船所受未知外力，并将其与舰船6自由度运动并置。
42、进一步，步骤五的具体过程如下：
43、步骤五、基于步骤403中动力学方程，以及步骤302所得重力力矩，完成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，所述舰载侧臂回收系统包括6DOF运动舰船和3DOF机械侧臂，设定惯性系坐标位于海平面，所述机械臂延其长度的中心轴具有旋转对称性，并且质心与旋转轴对齐，各连杆为质量对称分布构造；所述建模方法用于使固定翼无人机舰载侧臂协作对接控制，其特征在于，所述建模方法包括如下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：
3.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，其特征在于，步骤二的具体过程如下：
4.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，其特征在于，步骤三的具体过程如下：
5.根据权利要求2所述的一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，其特征在于，步骤四的具体过程如下：
6.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，其特征在于，步骤五的具体过程如下：
【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，所述舰载侧臂回收系统包括6dof运动舰船和3dof机械侧臂，设定惯性系坐标位于海平面，所述机械臂延其长度的中心轴具有旋转对称性，并且质心与旋转轴对齐，各连杆为质量对称分布构造；所述建模方法用于使固定翼无人机舰载侧臂协作对接控制，其特征在于，所述建模方法包括如下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机舰载侧臂回收系统动力学建模方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：
3.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏子康，范家良，李春涛，邢卓琳，李晨玉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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