[发明专利]一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法

说明书

本发明涉及一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法，针对具有自主机动能力的锥套的动力学问题，研究其建模方法，首先建立建模参考坐标系并提出建模假设条件，然后对软管锥套进行受力分析，最后利用牛顿定律建立软管锥套动力学模型与锥套和受油锥管相对位置的动力学模型。本发明的主要优势是首次提出自主机动锥套的动力学建模方法，为以后研究自主机动锥套的控制设计奠定基础。

技术领域

本发明属于空中加油技术领域，涉及一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法。

背景技术

无人机自主空中加油是指实现无人机的加油功能的自动化。目前的无人机自主空中加油均采用软式加油技术，在加油过程中，由于大气紊流、加油机尾流、受油机头波等的影响，锥套的状态及其不稳定，会在一定范围内震荡，这非常不利于锥套和受油机的对接。针对此问题，国内外开始了锥套自主稳定的研究。

如今国内外的自主稳定锥套方案以设想为主，包括加装舵面、变伞面支柱等，但均未进行深入研究，并且方案目的都是锥套自稳定，没有考虑具有主动力的锥套能够进行自主机动的情况。然而在自主空中加油过程中，锥套的自主机动能够在辅助受油机对接锥套的过程中发挥巨大作用。因此，建立一种针对锥套自主机动的软管锥套动力学模型，为研究自主空中加油技术奠定基础是非常有必要的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，针对自主空中加油过程中软管收放、锥套位置和姿态的变化，本发明提出一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法。

技术方案

一种自主空中加油软管锥套动力学建模方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立坐标系：

大地坐标系O_gx_gy_gz_g：在大地上选取一点O_g,x_g轴处于大地水平面内且指向某个方向，z_g轴垂直于大地水平面且朝向地心，y_g轴用右手定则确定其方向，与加油机吊舱航迹坐标系平行；

加油机吊舱航迹坐标系O_hx_hy_hz_h：原点O_h取在吊舱和软管的连接处，坐标系和吊舱固连，x_h轴和加油机飞行速度方向重合一致，z_h轴在包含飞行速度的铅垂面内，与x_h轴垂直且朝向下方，y_h轴用右手定则确定其方向；

锥套本体坐标系O_bx_by_bz_b：原点O_b在锥套质心处，坐标系和锥套固连，x_b轴在锥套对称平面内并平行于锥套的设计轴线朝向软管和锥套的连接处，z_b轴在锥套对称平面内，与x_b轴垂直并朝向锥套下方，y_b轴用右手定则确定其方向；

大地坐标系到锥套本体坐标系之间的变换矩阵为：

式中，ψ、θ、γ为锥套的姿态角，为偏航角、俯仰角和滚转角；

锥套本体坐标系到大地坐标系之间的变换矩阵为：

步骤2、建模条件：锥套为刚体，软管质量均匀分布，卷轴和软管连接的拖拽点前软管无伸缩变形，忽略软管张力对加油机的影响，锥套的主动力和力矩由四个执行器提供；