[发明专利]一种垂直起降火箭在线轨迹规划的运动学约束转换方法

说明书

本发明涉及一种垂直起降火箭在线轨迹规划的运动学约束转换方法，由运载器姿态控制要求，获取运载器姿态控制约束；将姿态角约束转换为程序角约束；将程序角约束转换为推力加速度约束；对推力加速度幅值及速度变化率约束进行离散化处理，获得离散化的加速度幅值约束。本发明根据垂直起降运载器飞行过程中的姿态运动特点，将姿态角幅值约束转化为在线轨迹规划算法中加速度幅值约束，姿态角速度约束转化为在线轨迹规划算法中加速度变化率的约束，从而制导指令中考虑了姿态角幅值、加速度变化率约束，避免出现姿态角或姿态角速度超限的情况发生。

技术领域

本发明涉及一种垂直起降火箭在线轨迹规划的运动学约束转换方法，属于运载火箭控制领域。

背景技术

运载火箭的可重复使用技术是我国新一代运载火箭重要发展方向之一。火箭在飞行过程中为保证姿态的稳定和控制精度，控制指令必须要考虑姿态角幅值和姿态角速度的限制，利用在线轨迹规划方法能够实时计算满足复杂约束条件的控制指令。在线轨迹规划方法针对的是质点运动学模型，模型中没有与火箭姿态相关的直接量，而是以空间中三个方向的加速度分量作为控制量。构建加速度分量幅值和变化率与姿态角幅值和角速度之间的转换关系，在制导指令中考虑箭体姿态响应的固有特性和姿态控制系统能力限制，完善在线轨迹规划问题描述，有利于提升飞行过程中制导控制的整体效果。

因此，提出了一种垂直起降火箭在线轨迹规划的运动学约束转换方法，结合火箭飞行过程中的物理特性，在设计水平面内横侧向加速度幅值和变化率约束的时候，将姿态控制系统的能力限制考虑到轨迹规划问题中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种垂直起降火箭在线轨迹规划的运动学约束转换方法，将与姿态控制相关的姿态角幅值和角速度约束转化为加速度幅值和变化率约束的运动学约束，使基于质点运动学模型的在线轨迹规划方法能够输出满足姿态控制要求的制导指令，从而提升对飞行控制精度。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种垂直起降火箭在线轨迹规划的运动学约束转换方法，包括如下步骤：

(1)由运载器姿态控制要求，获取运载器姿态控制约束；

(2)将姿态角约束转换为程序角约束；

(3)将程序角约束转换为推力加速度约束；

(4)对推力加速度幅值约束进行离散化处理，获得离散化的加速度幅值约束；

(5)对推力加速度变化率约束进行离散化处理，获得离散化的加速度变化率约束。

优选的，步骤(1)中获取运载器姿态控制约束为：

ψ_min≤ψ≤ψ_max

ω_ψmin≤ω_ψ≤ω_ψmax

其中下标_min和_max分别表示对应变量的最小值和最大值，和ψ分别表示俯仰角和偏航角，和ω_ψ表示俯仰角速度和偏航角速度。

优选的，步骤(2)中程序角约束为：

ψ_min≤ψ_c≤ψ_max

ω_ψmin≤ω_ψc≤ω_ψmax