[发明专利]一种基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法，该方法包括：基于动力学模型搭建角速度、过载的增稳系统；解算得到当前姿态角，分别将当前姿态角和预设的目标姿态角转化为当前姿态四元数和目标姿态四元数；以及将目标姿态四元数和当前姿态四元数通过球面线性插值法计算得到插值姿态四元数；计算插值姿态四元数与当前姿态四元数的误差四元数并计算得到增稳系统指令；将增稳系统指令输入增稳系统，输出飞机舵面偏转角控制指令以控制飞机飞行姿态。本发明能够作为强化学习环境中飞机模型的控制系统，降低算法训练难度和研究人员建立飞控模型的工作量。

技术领域

本发明涉及飞行控制领域，尤其涉及一种基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法和装置。

背景技术

基于强化学习的飞行机动决策系统在空战对抗仿真中取得了一定进展，但飞机模型的逼真程度和控制难度始终影响算法收敛速度和训练效果。

有方案为实现机动控制，建立了飞机模型的基本指令集，并将其与机动动作映射，实现机动控制，但该方案的模型精度受限于基本指令集中的指令数量，同时随着基本指令数量上升，控制器输出的维度将随之上升。

综合来看，现有技术存在以下问题：

(1)为保证算法收敛，普遍采用简易(如三自由度)飞行器模型，与真实六自由度运动学模型存在较大差异；

(2)对飞控模型进行指令封装，导致机动灵活性下降；

(3)采用端到端的方案，利用强化学习算法直接学习机动动作，可解释性差，算法收敛难度大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出了一种基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法，利用四元数控制器实现飞机姿态控制，有效避免欧拉角控制器在控制姿态变换时存在奇异点的情况，同时利用球面线性插值，实现模型任意姿态平滑转移。

本发明的另一个目的在于提出基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制装置。

为达上述目的，本发明一方面提出了基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法，包括以下步骤：

构建六自由度飞机空气动力学模型，并基于所述动力学模型搭建角速度、过载的增稳系统；通过所述动力学模型解算得到当前姿态角，分别将所述当前姿态角和预设的目标姿态角转化为当前姿态四元数和目标姿态四元数；以及，将所述目标姿态四元数和所述当前姿态四元数通过球面线性插值法计算得到插值姿态四元数；计算所述插值姿态四元数与所述当前姿态四元数的误差四元数，并基于所述误差四元数计算得到所述增稳系统的输入指令；将所述输入指令输入所述增稳系统，输出飞机舵面偏转角控制指令以控制飞机飞行姿态。

根据本发明实施例的基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法，能够利用四元数控制器实现飞机姿态控制，有效避免欧拉角控制器在控制姿态变换时存在奇异点的情况，同时利用球面线性插值方法，并且实现模型任意姿态平滑转移能够降低强化学习算法训练难度和研究人员建立飞控模型的工作量。

另外，根据本发明上述实施例的基于四元数球面线性插值的固定翼飞机姿态控制方法还包括：

进一步地，所述目标姿态角包括：第一俯仰角、第一滚转角和第一偏航角；所述当前姿态角包括：第二俯仰角、第二滚转角和第二偏航角；所述输入指令包括：第一俯仰角速度、第一滚转角速度和第一偏航角速度。

进一步地，所述将所述输入指令输入所述增稳系统，输出飞机舵面偏转角控制指令以控制飞机飞行姿态，包括：