姿态四元数相关问题

介绍了四元数计算中的相关问题,包括四元数与方向余弦阵之间的转换、四元数运动方程、求解四元数运动方程时积分步长的选取和高动态应用中非互易误差的补偿,此外还介绍了对偶四元数的发展。     

重复使用运载器基于轨迹线性化的俯仰角控制

为了改善重复使用运载器末端区域能量管理段的控制系统性能,提出了一种基于轨迹线性化的俯仰角控制回路结构,该结构由伪逆模型前馈和反馈控制组成.根据瞬时平衡的定义,沿轨迹剖面线性化,获得了伪逆模型的设计方法,形成俯仰控制结构.以高空超声速飞行为例,进行了俯仰角控制设计,并与常规反馈控制相比较.结果表明,基于轨迹线性化的俯仰角控制,可以改善控制系统的动态性能,减小反馈回路的负担,降低积分饱和的可能性.      

空间交会相对状态测定与控制

阐述航天器交会对接最终逼近段相对状态测定与控制算法。测定算法适用于计算机视觉系统,根据标志点构型几何特征,建立非线性测距方程组并构造加权目标函数。对非共面标志点构型（如3点T型与5点锥型）和共面标志点构型（如正方形、矩形、菱形）,目标函数均含标志点间距比率关系项;对共面构型,目标函数还包含共面条件项。按最小二乘法,采用Gauaa-Newton数值迭代法求解测距最佳值;对共面标志点四边形构型,利用对角线交点的虚影像坐标确定测距求解迭代初值。获得测距后即可应用四元数估算法确定相对姿态与相对位置。对相对姿态控制算法,给出相对姿态运动学与动力学方程,讨论相平面法与四元数反馈法的控制设计方法。相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为三个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用本征轴旋转的线性二阶系统瞬态响应特性,选择相对四元数与相对角速率反馈增益系数,确定控制力矩。对相对位置控制算法,将实际位移对标称位移之差作为控制变量,阐述所需速度增量最小的双冲量机动。大量模拟计算结果表明相对状态测定与控制算法是有效的。     

大气层内拦截弹脉冲姿控发动机快响应控制

气动控制在低动压时其效率会有相当下降,为了使导弹在低动压时仍然具有一定的快速响应性,在导弹上安装脉冲姿控发动机参与姿态控制是一条可行的途径.对此方法的应用作了初步研究.分析了脉冲发动机作用对导弹动力学的影响,在一系列的简化后设计了俯仰平面内的控制策略,其设计思想是用气动舵平衡气动力矩使总的气动力矩为零,使导弹姿态主要由脉冲姿控发动机来控制,并用俯仰角的变化代替攻角的变化设计脉冲姿控发动机控制策略.给出了对阶跃加速度指令的响应仿真结果,表明在具有足够动压时气动控制仍可同脉冲姿控发动机控制媲美,而在低动压时脉冲姿控发动机相对气动控制具有较大优势.      

高超声速导弹等离子体合成射流控制数值研究

快响应控制技术已成为高超声速飞行器发展的关键技术之一,具有极快响应、零质量特性的等离子体合成射流(PSJ)已在超声速流动控制方面初步显示出优异的控制能力,极有潜力应用于高超声速飞行器的快响应控制。基于等离子体合成射流的快响应特性,提出了高超声速飞行器等离子体合成射流快响应控制技术,并通过建立简化的高超声速导弹流场控制模型,对等离子体合成射流控制高超声速导弹进行数值研究。首先,理论分析了高超声速导弹流场的典型结构特征,导弹流场中存在3个特征流场结构。在此基础上,在导弹3个特征位置前面安装等离子体合成射流激励器,研究等离子体合成射流对高超声速流场结构的控制作用,分析由此导致的导弹表面压力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性变化。数值仿真结果表明:等离子体合成射流对高超声速导弹外流场中膨胀波和斜激波都具有控制作用,使得波的强度均变弱,且对斜激波的控制效果更为显著;导弹流场结构及气动特性变化具有很强的射流跟随性,射流作用下的导弹流场变化响应时间非常短,仅为0.2 ms;通过合理布置等离子合成射流激励器的位置,可以使得导弹表面压力分布快速改变,从而实现高超声速导弹姿态的快速控制。     

半捷联位标器稳定跟踪与弹体姿态一体化控制

半捷联位标器安装在弹体上,由于寄生回路的存在,使得位标器稳定跟踪控制回路和弹体姿态控制回路产生严重耦合,影响了位标器的稳定与跟踪。针对半捷联导引头稳定平台的稳定与跟踪问题,提出了一种半捷联位标器稳定跟踪控制与弹体姿态控制的一体化方法。基于反步控制原理设计了控制律,通过合理选择反馈增益可保证系统的稳定性与动态性能。最后对一体化设计与传统分离设计进行了仿真对比。仿真结果表明：考虑位标器稳定跟踪回路与导弹姿态回路耦合的一体化控制器,不仅能够保证弹体姿态控制系统快速响应,还可以提高位标器的稳定跟踪性能,并降低位标器跟踪不上高速目标的可能性。     

空间非合作目标惯性参数在轨辨识

在空间冗余机械臂抓捕非合作目标的惯性参数辨识问题中,已有方法大都基于系统动量已知的假设,且辨识过程未考虑基座姿态稳定。针对目标动量未知的问题,设计了具有增量形式的惯性参数分步辨识算法。首先基于线动量方程得到关于质量和质心位置的第一组估计方程,采用增量形式消除未知线动量更新估计方程。辨识结果收敛后根据估计参数计算线动量估计值,代入以转动惯量为未知参数的第二组估计方程中,利用其增量表达式完成对转动惯量的估计。辨识过程中的激励由自适应零反作用控制输入提供,算法在保证基座姿态不受干扰的同时还能对惯性参数精确辨识。仿真结果表明,在30s以内算法已收敛,误差收敛到零的同时,基座姿态角速率控制精度在10^-3以下,说明算法收敛快,精度高,同时还能实现基座姿态稳定。     

倾斜轨道小卫星太阳高度角分析与机动方案设计

针对倾斜轨道小卫星必然会面对的光学姿态敏感器受阳光干扰的问题,分析太阳高度角的变化规律,提出了计算太阳高度角的经验公式,并在此基础上提出了平台偏航姿态机动方案,可以使光学姿态敏感器规避阳光干扰,并可以简化整星热控和帆板驱动设计,提高了整星的可靠性.     

轨姿控推进系统用电磁阀性能仿真研究

轨姿控推进系统采用电磁阀控制内部流体通路的开启与断流,从而实现其重复启动和脉冲工作.在轨姿控推进系统快速稳定工作问题的研究中,电磁阀的性能对推进系统至关重要.针对轨姿控推进系统用电磁阀,基于电磁学及运动学等基本原理,建立了电磁阀动态数学模型,利用Matlab Simulink软件进行了动态仿真,得到了电磁阀动态响应特性;采用CFD软件对阀门内部流场进行数值模拟仿真,获得了精确的静态流阻特性,直观展现了电磁阀动态流场,为电磁阀的性能优化和轨姿控推进系统的性能提高提供依据.     

高亚声速靶弹拖曳式诱饵系统的拖缆姿态分析

拖缆姿态分析是高亚声速靶弹拖曳诱饵系统结构及布局设计的基础。针对常见的诱饵气动外形,利用旋成体空气动力学理论,分析估算高亚声速环境下拖曳诱饵的气动阻力。采用离散化方法,将柔软拖缆视为由多段刚体连接而成的链状结构,利用力矩平衡原理,由诱饵端起计算缆绳每一离散刚体段的姿态,并逐次向载弹拖缆定位点递推,最终近似计算出整条拖缆姿态。