一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法与流程

本发明属于飞机姿态调整的，具体涉及一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法。

背景技术：

1、在飞机称重等调试维护工作中，常需要调整飞机姿态，使之满足要求。目前，在生产实践中，先使用千斤顶顶起飞机，准备好水平仪、卷尺等工具，通过测量机上几组水平测量点之间的位置关系，进而调整并确定飞机姿态。然而，由于水平仪位姿、卷尺精度、光照条件等因素，使用该方法进行飞机调姿时通常耗时较长，且精度不高，不能很好地满足对于飞机姿态要求较高的使用场景。另外，目前所使用的千斤顶大多靠人力顶升，且在调姿过程中往往需要频繁调整顶升高度，不仅消耗体力，且升降精度不高、速度较慢。

2、目前，惯导系统广泛用于航空航天、制导武器等领域，能实时反映飞机航向、俯仰、横滚等姿态信息。其中，捷联式惯性导航系统具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点，已经成为当今惯性导航系统发展的主流。伺服电机具有精度高、高速性能好、抗过载能力强、运行稳定等优点，普遍应用于机床、激光加工设备、机器人等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的系统。因此，可以考虑从飞机惯导系统读取姿态信息，用于飞机调姿工序，同时使用伺服电机驱动千斤顶升降，实现飞机姿态高精度、自动化的快速调整。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，可实现飞机高精度、自动化调姿，减轻机务工作强度；在调姿过程中，无需在飞机表面放置多余组件，避免损坏飞机表面结构。

2、本发明主要通过以下技术方案实现：

3、一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，在飞机的机头下方设置有前千斤顶，且在飞机的左右机翼下方分别设置有左千斤顶、右千斤顶；包括以下步骤：

4、步骤s100：调试：

5、步骤s110：分别设置前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶的顶升零点高度，然后设置前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶的协调顶起顶升高度；

6、步骤s120：将飞机调整为水平姿态，其中|γ|≤∈γ、|θ|≤∈θ，γ为飞机的横滚角，θ为飞机的俯仰角，∈γ为横滚角允许误差，∈θ为俯仰角允许误差；

7、步骤s130：以机头处为坐标原点建立坐标系oxyz，且x轴为逆航向方向，xoy面为水平面；前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶的坐标分别为：q10(x10，y10，z10)、q20(x20，y20，z20)、q30(x30，y30，z30)，且x20＝x30，、y20+y30＝0、y10＝0；

8、计算前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶所在平面q0的法向量为：

9、

10、飞机惯导系统的水平面g0的法向量为：

11、

12、将分别投影到xoz面和yoz面，有投影向量：

13、

14、此时，平面q0与平面g0的夹角为平面q0与平面g0的夹角余弦为：

15、

16、步骤s140：测定左千斤顶、右千斤顶的升降高度h与飞机横滚角的关系；测定前千斤顶的升降高度h与飞机俯仰角θ的关系；

17、使左千斤顶升降高度h，前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶的坐标分别为：q11(x10，y10，z10)、q21(x20，y20，z20+h)、q31(x30，y30，z30)，计算出前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶所在平面q1的法向量：

18、

19、此时飞机惯导系统的水平面g1的法向量为平面q1与平面g1的夹角为的，假设飞机为刚体，则和相等：

20、

21、对比前后飞机惯导系统的法向量变化，将其投影到xoz面，便可求得左千斤顶升降高度h后飞机横滚角变化量的余弦值：

22、

23、由此可求出左千斤顶升降高度h与飞机横滚角变化量之间的函数关系；

24、cosγ2＝γ2(h)

25、由于飞机在调姿过程中机身存在变形，故需引入修正函数α2(h)，对于左千斤顶，修正后的函数关系式：

26、α2(h)cosγ2＝γ2(h)

27、α2(h)为横滚角修正函数；

28、整理可得：

29、γ2＝f2(h)  (1)

30、其中，

31、

32、同理可以得到：

33、右千斤顶升降高度h与飞机横滚角γ3之间的函数关系：

34、γ3＝f3(h)  (2)

35、前千斤顶升降高度h与飞机俯仰角θ1之间的函数关系：

36、θ1＝f1(h)  (3)

37、步骤s200：调姿：

38、步骤s210：设置飞机目标姿态：目标横滚角γ0与目标俯仰角θ0；

39、步骤s220：根据公式(1)或公式(2)，通过控制升降左千斤顶或右千斤顶，调整飞机的横滚角γ至目标值γ0，|γ-γ0|≤∈γ；

40、步骤s230：根据公式(3)，控制前千斤顶调整俯仰角θ至目标俯仰角θ0，|θ-θ0|≤∈θ。

41、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s140中采用多项式拟合方法确定公式(1)：

42、步骤s141：固定每次的左千斤顶的顶升高度h0，依次顶升h0，记录此时顶升后的高度h与横滚角γ2的数据；

43、步骤s142：根据统计记录的多次h与γ2的数值，建立基于机器学习算法的h到γ2的网络模型，最终得到：

44、γ2＝a0+a1h+a2h2+...anhn。

45、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s142中机器学习算法选用多元回归模型或者神经元模型。

46、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s142中随着训练模型变量的增加，选用树模型算法实现h与γ2对应关系的建立。

47、为了更好地实现本发明，进一步地，采用多项式拟合方法确定公式(2)、公式(3)。

48、为了更好地实现本发明，进一步地，步骤s220中，根据公式(1)，通过控制升降左千斤顶调整飞机的横滚角的步骤如下：

49、步骤s221：在飞机协调顶起之后，左千斤顶的位置为q20(x20，y20，z20)，对比此时的飞机的横滚角γ至目标值γ0，由公式(1)求解得到左千斤顶需要升降的高度h1，控制左千斤顶第一次升降；

50、步骤s222：控制左千斤顶第一次升降后，再次对比此时的飞机的横滚角γ至目标值γ0，若满足|γ-γ0|≤∈γ，则结束调姿过程，否则，再次通过公式(1)求解得到左千斤顶需要升降的高度h2，控制左千斤顶第二次升降；

51、步骤s223：控制左千斤顶第二次升降后，再次对比此时的飞机的横滚角γ至目标值γ0，若满足|γ-γ0|≤∈γ，则结束调姿过程，否则，控制左千斤顶升降高度h3，其中，h3＝h2/2控制左千斤顶第二次升降；

52、步骤s224：重复步骤s223，每次控制左千斤顶升降的高度为前一次的一半，即直到调整飞机的横滚角满足|γ-γ0|≤∈γ。

53、为了更好地实现本发明，进一步地，通过控制升降右千斤顶调整飞机的横滚角的方法，与通过控制升降左千斤顶调整飞机的横滚角的方法相同。

54、为了更好地实现本发明，进一步地，通过控制前千斤顶调整俯仰角至目标值|θ-θ0|≤∈θ的方法，与通过控制升降左千斤顶调整飞机的横滚角的方法相同。

55、本发明的有益效果：

56、本发明旨在简化飞机调姿工序、提高工作效率、减轻机务劳动强度、便于操作使用。本发明可实现飞机高精度、自动化调姿，减轻机务工作强度；在调姿过程中，无需在飞机表面放置多余组件，避免损坏飞机表面结构。本发明简化了飞机调姿工序，提高了工作效率；本发明操作简单，方便使用，具有较好的实用性。