申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2024-03-04

公开（公告）日：2024-05-24

公开（公告）号：CN117852306B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F17/12;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.24#授权;2024.04.26#实质审查的生效;2024.04.09#公开

摘要：本发明公开一种基于相对动量矩定理的变体高速飞行器动力学建模方法，涉及飞行器动力学与控制技术领域，所述方法包括：对飞行器进行物理抽象和假定简化，得到多刚体系统；飞行器为变体高速飞行器；多刚体系统包括：机身、左机翼和右机翼；基于多刚体系统，选取广义坐标向量，进行运动学分析，并基于质点系质心平动定理和相对动量矩定理进行动力学建模，得到矢量形式动力学模型；通过坐标投影，将矢量形式动力学模型转换为初始标量形式动力学模型；对初始标量形式动力学模型进行简化，得到简化后的标量形式动力学模型。本发明精确描述了飞行器变体运动与飞行运动之间的耦合。

主权项：1.一种基于相对动量矩定理的变体高速飞行器动力学建模方法，其特征在于，所述方法包括：对飞行器进行物理抽象和假定简化，得到多刚体系统；所述飞行器为变体高速飞行器；所述多刚体系统包括：机身、左机翼和右机翼；基于所述多刚体系统，选取广义坐标向量，进行运动学分析，并基于质点系质心平动定理和相对动量矩定理进行动力学建模，得到矢量形式动力学模型；通过坐标投影，将所述矢量形式动力学模型转换为初始标量形式动力学模型；对所述初始标量形式动力学模型进行简化，得到简化后的标量形式动力学模型；基于所述多刚体系统，选取广义坐标向量，进行运动学分析，并基于质点系质心平动定理和相对动量矩定理进行动力学建模，得到矢量形式动力学模型，包括：选取机身的平动位移、机身的转动角速度、左机翼相对于机身的转动角速度和右机翼相对于机身的转动角速度作为系统运动学描述的广义坐标向量;基于广义坐标向量，对多刚体系统进行运动学分析，结果如下：1）机身刚体的运动：机身刚体的运动基于机身质心分解为平动和转动，其中，平动位移，平动速度，平动加速度，转动角速度为，转动角加速度为；2）左机翼上任一质点的运动：质点的位移为： ；质点的速度为： ；质点的加速度为： ；其中，为惯性系坐标系原点O到机身质心的矢径；为机身质心到左机翼翼根的矢径；为左机翼翼根到质点的矢径；3）右机翼上任一质点的运动：质点的位移为： ；质点的速度为： ；质点的加速度为： ；其中，为机身质心到右机翼翼根的矢径；为右机翼翼根到质点的矢径；基于运动学分析的结果，得到多刚体系统的矢量形式动力学模型，矢量形式动力学模型，包括：机身平动的矢量形式动力学方程、机身转动的矢量形式动力学方程、左机翼转动的矢量形式动力学方程和右机翼转动的矢量形式动力学方程；对于整个飞行器，基于质点系质心平动定理得到的机身平动的矢量形式动力学方程为： ；其中，m为整个飞行器的质量；为机身的平动加速度；为左机翼的质量；为机身的转动角加速度；为机身质心到左机翼翼根的矢径；为机身的转动角速度；为左机翼相对于机身的转动角加速度；为左机翼相对于机身的转动角速度；为左机翼翼根到左机翼质心的矢径；为右机翼质量；为机身质心到右机翼翼根的矢径；为右机翼相对于机身的转动角加速度；为右机翼相对于机身的转动角速度；为右机翼翼根到右机翼质心的矢径；为整个飞行器所受的所有外力之和；对于整个飞行器，基于质点系相对动量矩定理得到的机身转动的矢量形式动力学方程为： ；其中，为整个飞行器基于机身质心的转动惯量；为左机翼转动运动与机身转动运动的耦合矩阵；为右机翼转动运动与机身转动运动的耦合矩阵；为机身质心到左机翼质心的矢径；为机身质心到右机翼质心的矢径；为整个飞行器所受的外力基于机身质心的外力矩之和；对于左机翼，基于质点系相对动量矩定理得到的左机翼转动的矢量形式动力学方程为： ；其中，为的叉乘矩阵；T为转置；为左机翼基于左机翼翼根的转动惯量；为左机翼所受的外力基于左机翼翼根的外力矩之和；对于右机翼，基于质点系相对动量矩定理得到的右机翼转动的矢量形式动力学方程为： ；其中，为的叉乘矩阵；为右机翼基于右机翼翼根的转动惯量；为右机翼所受的外力基于右机翼翼根的外力矩之和；通过坐标投影，将所述矢量形式动力学模型转换为初始标量形式动力学模型，包括：将机身平动的矢量形式动力学方程投影于地面发射坐标系，则投影后的机身平动的矢量形式动力学方程为： ；其中，地面发射坐标系系的原点与发射点固连；其X轴在发射点水平面内，且指向发射瞄准方向；其Y轴垂直于发射点水平面内，且指向上方；其Z轴在发射点水平面内，且使此坐标系构成右手坐标系，t为时间；为平动位移在系中的二阶相对导数，为平动位移在系中的投影列向量；为飞行器所受气动力在系中的投影列向量；为飞行器所受地球引力在系中的投影列向量；为飞行器所受发动机推力在系中的投影列向量；为左机翼变体运动带来的附加力在系中的投影列向量；为右机翼变体运动带来的附加力在系中的投影列向量；为牵连惯性力在系中的投影列向量；为科氏惯性力在系中的投影列向量；其中，、、和的矢量表达式如下： ； ； ； ；其中，为地球自转角速度，即系的转动角速度；为平动位移的一阶相对导数；考虑到飞行器所受的气动力宜描述于速度坐标系系，推力和附加力宜描述于弹体坐标系系，故投影后的机身平动的矢量形式动力学方程变形得到机身平动的标量形式动力学方程；机身平动的标量形式动力学方程为： ；其中，t为时间；为平动位移在系中的二阶相对导数，为平动位移在系中的投影列向量；系为地面发射坐标系；为坐标系从系旋转到系所对应的方向余弦矩阵，系为速度坐标系；为飞行器所受气动力在系中的投影列向量；为飞行器所受地球引力在系中的投影列向量；为坐标系从系旋转到系所对应的方向余弦矩阵；为飞行器所受推力在系中的投影列向量；为左机翼变体带来的附加力在系中的投影列向量；为右机翼变体带来的附加力在系中的投影列向量；为牵连惯性力在系中的投影列向量；为科氏惯性力在系中的投影列向量；将机身转动的矢量形式动力学方程投影于系，得到机身转动的标量形式动力学方程；机身转动的标量形式动力学方程为： ；其中，为整个飞行器基于机身质心的转动惯量在系中的投影矩阵，系为机身固连坐标系；为机身的转动角加速度在系中的投影列向量；为机身的转动角速度在系中的投影列向量；为左机翼转动运动与机身转动运动的耦合矩阵在系中的投影矩阵；为坐标系从系旋转到系所对应的方向余弦矩阵，系为左机翼固连坐标系；为左机翼相对于机身的转动角加速度在系中的投影列向量；为右机翼转动运动与机身转动运动的耦合矩阵在系中的投影矩阵；为坐标系从系旋转到系所对应的方向余弦矩阵，系为右机翼固连坐标系；为右机翼相对于机身的转动角加速度在系中的投影列向量；为机身质心到左机翼质心的矢径在系中的投影列向量；为坐标系从系旋转到系所对应的方向余弦矩阵；为机身的平动加速度在系中的投影列向量；为机身质心到右机翼质心的矢径在系中的投影列向量；为坐标系从系旋转到系所对应的方向余弦矩阵；为气动力矩在系中的投影列向量；为引力力矩在系中的投影列向量；为推力矩在系中的投影列向量；将左机翼转动的矢量形式动力学方程投影于机身固连坐标系，得到左机翼转动的标量形式动力学方程；左机翼转动的标量形式动力学方程为： ；其中，为机身的平动加速度在系中的投影列向量；为左机翼基于左机翼翼根的转动惯量在系中的投影矩阵；为左机翼所受的外力基于左机翼翼根的外力矩在系中的投影列向量之和；将右机翼转动的矢量形式动力学方程投影于机身固连坐标系，得到右机翼转动的标量形式动力学方程；右机翼转动的标量形式动力学方程为： ；其中，为右机翼基于右机翼翼根的转动惯量在系中的投影矩阵；为右机翼所受的外力基于右机翼翼根的外力矩在系中的投影列向量之和。

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