基于约束最优化理论的四轴转台框架角解算方法研究

发布时间：2020-06-19 15:59

【摘要】：目前,在飞行器运动半实物仿真系统中,普遍采用三轴转台模拟飞行器在空间中的姿态运动。但是,三轴转台由于机械结构的局限,会出现运动学奇异性问题。这限制了三轴转台的仿真试验能力,使得某些飞行状态无法模拟。本课题以垂直发射型巡航导弹为背景,针对三轴转台的奇异问题,提出四轴飞行运动模拟器(简称四轴转台)应用方案,利用冗余自由度机构的特点,合理地规避运动学奇异并准确模拟导弹姿态。以四轴转台为研究对象,本论文主要包括以下研究内容:首先,引入几种常用坐标系及连续旋转的坐标转换方法,定义导弹姿态角和姿态矩阵,推导出导弹绕质心转动的运动方程,分析欧拉微分方程固有的运动学奇异性。研究卧、立式三轴转台模拟导弹姿态运动的基本原理方法,并分析三轴转台奇异性问题和原因,探讨三轴转台模拟垂直发射巡航导弹全弹道姿态运动的局限性。其次,针对三轴转台无法避免运动学奇异的问题,提出四轴转台应用方案,建立框架坐标系和负载坐标系,推导出四个框架绕中心旋转的速度微分方程,分析四轴转台模拟导弹全弹道姿态运动的基本原理。通过理论分析验证,四轴转台完全可以模拟导弹全弹道、大角度机动姿态运动并避免奇异性。再次,提出了基于约束优化理论的四轴转台框架角解算方法,已知三个姿态角和姿态角速度,求解出对应的四个框架角,驱动四个框架转动,带动负载运动,复现要模拟的姿态运动。通过MATLAB仿真验证本方法的可行性和正确性。最后,通过C语言设计并实现算法,把算法程序嵌入到四轴转台四框架指令生成程序中,通过实验验证本文方法的实际工程可行性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ761.6

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