双欧法在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中的应用

文章针对伞弹系统欧拉方程奇异性，利用正、反欧拉方程精华区、奇异区呈倒挂的原理，建立了一套与飞机不同的反欧拉系统。将这套双欧系统应用在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中，取得了满意的结果。同时对双欧法与四元数法计算结果进行了对比验证，从而更加清楚地看到了四元数法的方法缺陷和不足，为进一步能将双欧法应用于伞-弹系统六自由度弹道实时仿真进行了有益的尝试。     

基于离散时间传递矩阵法的伞-弹系统动力学模型

采用离散时间传递矩阵法建立了伞-弹系统减速稳定段的动力学模型,回避了多体动力学传统的研究方法在伞-弹系统建模过程中存在的问题。详细给出了应用离散时间传递矩阵法建立铅垂平面内伞-弹系统模型的建模过程,推导了伞-弹系统的传递矩阵和传递方程。通过算例将建立的伞-弹系统模型和采用牛顿-欧拉法建立的伞-弹系统模型进行了对比分析,两种模型计算结果吻合度好,验证了本文模型的正确性以及离散时间传递矩阵法应用在减速伞-子导弹系统中的可行性。     

基于弹载捷联惯性导航系统精确导航的双欧拉全姿态方法

垂直发射的地空导弹在大机动飞行时,其四元数法姿态角输出存在奇异性。为解决该问题,提出了正、反欧拉角微分方程切换的双欧拉全姿态解算方法。对正、反欧拉角微分方程进行了详细推导,论述了正、反欧拉角微分方程精华区与奇异区的倒置关系。在此基础上,建立了正、反欧拉角的转换公式。根据正欧拉角的俯仰角对正、反欧拉角无缝切换,有效解决了俯仰角在±90°附近时姿态奇异性问题。仿真和半物理试验的结果表明:双欧拉全姿态算法解算的实际姿态与理论姿态保持一致,在奇异点附近的姿态角仍能正常输出,未出现突变现象,该方法得出的导航精度比四元数法得出的导航精度提高了9.81%。     

某飞翼布局无人机控制系统重构方法研究

通常是在欧拉坐标系中描述飞机的运动方程,但是当飞机做大幅度的姿态运动时,运动方程的解会出现奇异性.根据某飞翼布局无人机的特点,本文首先建立了基于四元数法的六自由度飞行力学模型.在操纵面的气动数据插值方面,本文用非均匀有理B样条插值法,将插值后的数据进行拟合,得到操纵面气动力系数与舵偏角的关系表达式.在上述基础上,用序列...     

基于约束运动理论的航天员舱外救生中的姿态运动控制

航天员舱外救生或作业时相对母体航天器经常要进行大角度姿态机动或姿态保持,利 用欧拉四元数描述姿态无奇异性且冗余度小。然而航天员舱外调姿时通常含有一定的约束或 是沿着某种预定轨迹,而且欧拉四元数在计算过程中可能发散。基于Udwadia和Kalaba 提出的约束运动理论,分析了航天员和航天器的相对姿态的描述方法,直接用四元数对航天 员的姿态进行动力学建模,将四元数2范数为1的约束加入到动力学方程里。利用该约束运动 理论推导和仿真了航天员姿态欧拉角奇异时的姿态跟踪控制方法。该控制方法对航天员肢体 变化引起的转动惯量等参数的改变具有鲁棒性,能通过平衡解稳定参数的选取方便地对控制 系统的性能进行调节,且计算量小。
     

用四元数描述飞行器姿态时的几个基本问题

讨论描述刚体空间姿态的欧拉—克雷洛夫角、方向余弦矩阵、四元数这三种方法,给出方向余弦矩阵与四元数之间关系的推导方法,推导并验证了合成转动四元数的求取方法,介绍了通过方向余弦矩阵推导四元数微分方程的方法。     

降落伞充气过程中尾流再附动力学分析

文章对降落伞充气过程中的尾流再附现象进行了动力学分析。建立的尾流再附动力学模型包括:伞系统运动方程、尾流运动方程、伞衣-尾流动量交换方程。利用模型计算了3种不同开伞情况下尾流与伞衣的运动,得到尾流再附发生的条件。计算所得到的结论与试验结果一致。     

降落伞充气过程中尾流再附动力学分析

文章对降落伞充气过程中的尾流再附现象进行了动力学分析。建立的尾流再附动力学模型包括：伞系统运动方程、尾流运动方程、伞衣-尾流动量交换方程。利用模型计算了3种不同开伞情况下尾流与伞衣的运动，得到尾流再附发生的条件。计算所得到的结论与试验结果一致。     

降落伞充气时间的计算方法

文章介绍了各类降落伞充气时间的计算方法。对密致伞 ,将质量守恒方程与物 -伞系统的运动方程相结合推导出计算充气时间的数学模型并应用于一个算例。对开缝伞 ,提供了计算充气时间的经验公式。对采用收口技术的伞也提供了计算充气时间的经验公式。     

利用刚体—质点模型法计算物—伞系统运动轨迹的基本方程

物-伞系统运动轨迹计算是飞行器回收系统设计的重要课题。文中采用刚体-质点模型推导出该问题的求解方程,特别着重讨论了物体运动状态的确定。与通常讨论物体运动将转动参考点取在质心不同,文中针对物-伞系统的实际,把物体转动的参考点取在物-伞连接点。     

Quaternion regularization and trajectory motion control in celestial mechanics and astrodynamics: II

Problems of regularization in celestial mechanics and astrodynamics are considered, and basic regular quaternion models for celestial mechanics and astrodynamics are presented. It is shown that the effectiveness of analytical studies and numerical solutions to boundary value problems of controlling the trajectory motion of spacecraft can be improved by using quaternion models of astrodynamics. In this second part of the paper, specific singularity-type features (division by zero) are considered. They result from using classical equations in angular variables (particularly in Euler variables) in celestial mechanics and astrodynamics and can be eliminated by using Euler (Rodrigues-Hamilton) parameters and Hamilton quaternions. Basic regular (in the above sense) quaternion models of celestial mechanics and astrodynamics are considered; these include equations of trajectory motion written in nonholonomic, orbital, and ideal moving trihedrals whose rotational motions are described by Euler parameters and quaternions of turn; and quaternion equations of instantaneous orbit orientation of a celestial body (spacecraft). New quaternion regular equations are derived for the perturbed three-dimensional two-body problem (spacecraft trajectory motion). These equations are constructed using ideal rectangular Hansen coordinates and quaternion variables, and they have additional advantages over those known for regular Kustaanheimo-Stiefel equations.     

刚体姿态估计的类Rodrigues参数算法研究

针对Rodrigues参数描述刚体姿态运动时的缺陷,提出了一种类Rodrigues参数的姿态估计算法,从定义上避免了Rodrigues参数和修正Rodrigues参数在π-,-π,2π,-2π时的奇异。推导了类Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程,给出了坐标变换的类Rodrigues参数描述,讨论了类Rodr...     

空间飞行器大角度机动控制律设计

研究了空间飞行器大角度机动控制问题。为避免欧拉角描述姿态运动存在奇异性的问题，由姿态四元数建立姿态运动方程。针对飞行器姿态运动模型的非线性和不确定性，利用模糊逻辑系统对不确定性函数进行逼近，将获得的模糊函数作为系统不确定性界函数。对模糊逼近所带来的误差以及外部干扰项，采用变结构补偿控制方法，并在线自适应调整参数。理论分析和仿真研究表明此方法具有姿态控制精度高，实时计算量小，便于工程实现等优点。     

大机动飞行情况下姿态控制系统的设计

本文针对目前战术导弹广泛使用捷联系统这个现状,以及对大机动飞行器采用姿态角误差反馈进行控制有时出现的奇异问题,提出并研究了基于四元数进行大机动战术导弹姿态控制系统的设计问题.首先,给出了大机动飞行情况下基于四元数描述的弹体动力学模型,然后,基于非线性控制系统综合方法设计了姿态控制系统,并验证了系统的稳定性.研究结果表明,基于四元数进行姿态控制系统的设计,既解决了姿态角表示法存在的奇异性问题,又可减少捷联计算机的计算量,对战术导弹具有重要实际意义.最后,通过数值仿真验证了本文提出方法的有效性.     

利用反作用飞轮阵实现飞行器大角度姿态机动的非线性快速控制

本文首先给出了采用姿态角速度和四元数矢量部分表示的姿态动力学模型。然后,构造了一个可逆的全局非线性坐标变换,使得非线性姿态动力学模型与一个具有可控标准形的线性系统等价。进一步的设计了反作用飞轮电机力矩的快速控制规律。给出了机动时间和系统状态的简单计算公式。最后,文中还介绍了数字仿真实例和结果。     

发射惯性坐标系下误差角与数学平台失准角的推导与仿真

基于状态空间法的捷联惯性/天文组合导航系统(SINS/CNS)需要数学平台失准角作为观测值参与滤波估计,工程实际只能得到SINS、CNS二者的姿态误差角.以弹道导弹为背景,在发射惯性坐标系下分别推导了四元数和欧拉角形式的姿态误差角与数学平台失准角之间的相互转换矩阵.建立了弹道导弹SINS/CNS数学模型,并采用EKF和UKF算法验证了该转换矩阵.仿真结果表明误差转换矩阵的正确性.     

三轴轮控小卫星大角度机动变结构控制研究

小卫星的三轴轮控姿态控制系统是具有耦合的非线性系统, 本文设计了一种解耦变结构控制律, 直接针对四个四元数变量设计滑态方程, 并进行了大角度机动仿真。结果表明: 此方法控制精度高, 不会产生奇异问题, 具有良好的鲁棒性, 且易于实现     

连续力矩作用下的柔性航天器再定向与振动抑制

研究带两帆板航天器的三维再定向与振动抑制问题，执行机构为反作用轮。建立了柔性空间飞行器三轴耦合姿态动力学模型和四元数姿态运动学模型，建模时考虑了帆板的弯曲变形和扭转变形。采用拟欧拉角及角速度作为反馈信号，设计了一种ＰＤ控制律。该控制律可以用于对任意目标姿态的再定向而形式保持不变。用Ｌｙａｐｕｎｏｖ方法证明了姿态的渐进稳定性和模态振动和衰减性。非线性闭环系统的仿真结果验证了所设计控制律不仅能够使航天     

姿态运动的Rodrigues参数描述

详细介绍了刚体姿态运动的Rodrigues参数描述，指出了Rodrigues参数的许多新特性，定义了Rodrigues参数的乘法及相关的代数运算，给出了坐标变换的Rodrigues参数乘法描述，推导了Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程及逆运动方程，并给出了Rodrigues参数与其他常用姿态描述之间的转换公式。文中指出用Rodrigues参数描述姿态转动具有简洁、直观的优点，而且Rodrigues参数描述的微分方程结构简洁、无多余的约束，其计算效率优于当前广泛应用的四元数方法。文末介绍了Rodrigues参数在弹道导弹捷联姿态实时解算中的应用，基于Rodrigues参数的捷联姿态算法在计算精度、内存消耗上均优于目前弹上计算机使用的四元数递推算法，且计算量仅相当于后者的一半。