CN116225040B - 一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，包括调试步骤和调姿步骤，在调试过程中，将飞机调整为水平姿态，然后测定左千斤顶、右千斤顶的升降高度与飞机横滚角的关系；测定前千斤顶的升降高度与飞机俯仰角的关系；并采用多项式拟合方法确定升降高度与飞机横滚角的关系式以及升降高度与飞机俯仰角的关系式。在调资过程中，通过控制升降左千斤顶或右千斤顶，调整飞机的横滚角至目标值；通过控制前千斤顶调整俯仰角至目标俯仰角。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，具有较好的实用性。

Description

一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法

技术领域

本发明属于飞机姿态调整的技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

本发明主要通过以下技术方案实现：

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：

步骤S100：调试：

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；

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；

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；

计算前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶所在平面Q₀的法向量为：

飞机惯导系统的水平面G₀的法向量为：

将分别投影到xOz面和yOz面，有投影向量：

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：

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；

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：

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：

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：

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；

cosγ₂＝γ₂(h)

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：

α₂(h)cosγ₂＝γ₂(h)

α₂(h)为横滚角修正函数；

整理可得：

γ₂＝f₂(h) (1)

其中，

同理可以得到：

右千斤顶升降高度h与飞机横滚角γ₃之间的函数关系：

γ₃＝f₃(h) (2)

前千斤顶升降高度h与飞机俯仰角θ₁之间的函数关系：

θ₁＝f₁(h) (3)

步骤S200：调姿：

步骤S210：设置飞机目标姿态：目标横滚角γ₀与目标俯仰角θ₀；

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；

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。

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)：

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；

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：

γ₂＝a₀+a₁h+a₂h²+...a_nhⁿ。

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。

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。

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)。

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：

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；

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；

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；

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。

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。

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。

本发明的有益效果：

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。

附图说明

图1为本发明调试部分的流程图；

图2为本发明调资部分的流程图；

图3为通过左千斤顶调姿的流程图。

具体实施方式

实施例1：

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：

步骤S100：如图1所示，调试：

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；

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；

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；

计算前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶所在平面Q₀的法向量为：

飞机惯导系统的水平面G₀的法向量为：

将分别投影到xOz面和yOz面，有投影向量：

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：

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；

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：

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：

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：

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；

cosγ₂＝γ₂(h)

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：

α₂(h)cosγ₂＝γ₂(h)

α₂(h)为横滚角修正函数；

整理可得：

γ₂＝f₂(h) (1)

其中，

同理可以得到：

右千斤顶升降高度h与飞机横滚角γ₃之间的函数关系：

γ₃＝f₃(h) (2)

前千斤顶升降高度h与飞机俯仰角θ₁之间的函数关系：

θ₁＝f₁(h) (3)

步骤S200：如图2所示，调姿：

步骤S210：设置飞机目标姿态：目标横滚角γ₀与目标俯仰角θ₀；

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；

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。

优选地，如图3所示，在步骤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：

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；

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；

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；

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。

优选地，通过控制升降右千斤顶调整飞机的横滚角的方法，以及通过控制前千斤顶调整俯仰角至目标值|θ-θ₀|≤∈_θ的方法，均与通过控制升降左千斤顶调整飞机的横滚角的方法相同。

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。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述步骤S140中采用多项式拟合方法确定公式(1)：

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；

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：

γ₂＝a₀+a₁h+a₂h²+...a_nhⁿ。

优选地，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。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。

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。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

一种基于惯导系统的飞机自动调姿系统，包括惯导系统(飞机自带)、飞机顶升装置、上位机等。在工作时，首先在上位机中输入飞机的目标姿态，并使用顶升装置将飞机协调顶起；上位机可实时无线读取惯导系统给出的飞机姿态信息，同时对飞机姿态数据进行处理，并与目标姿态对比，计算出顶升装置的作动量，控制其升降。如此往复，最终调整出满足要求的飞机姿态。

所述惯导系统为两台捷联式惯导系统，位于飞机相应设备舱内，在调姿过程中取二者平均值作为飞机姿态角，以减小误差。

所述飞机顶升装置为前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶三台千斤顶，按照使用要求，一台支撑在飞机机头下方，另两台分别支撑在飞机左右机翼下方。三台千斤顶均为伺服电机驱动，可接收来自上位机的指令，精确控制升降。

所述上位机可实时无线读取惯导系统给出的飞机俯仰角与横滚角，实时监控三台千斤顶的顶升高度，通过其内置程序判断飞机当前姿态是否满足要求，计算出各千斤顶需要升降的高度，无线控制各千斤顶运动以调整飞机姿态。

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。

实施例4：

一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，首先，在进行飞机姿态调整前应确保飞机惯导系统已经过调试校准。上位机同时采集两台惯导系统给出的飞机姿态角，计算二者的平均值用于确定飞机当前姿态。

本发明分为调试和应用两个阶段，具体步骤如下：

一、调试

为了使该系统能够更高效地工作，在正式投入使用前，需进行调试工作，以更好地满足飞机调姿工作。调试步骤如下：

1、使用数据线缆将上位机与飞机上两台惯导系统的维护接口相连，打开飞机调姿软件，点击“维护调试”按钮。

2、设置千斤顶顶升零点高度h₁₀、h₂₀、h₃₀：通过分别点击“前升”、“左升”、“右升”按钮，将千斤顶升起。当各千斤顶均与顶块相接触时，点击“设置顶升零点高度”按钮。

h₁₀—前千斤顶顶升零点高度(mm)；

h₂₀—左千斤顶顶升零点高度(mm)；

h₃₀—右千斤顶顶升零点高度(mm)。

3、设置千斤顶协调顶起顶升高度h₁₁、h₂₁、h₃₁：点击“清零”按钮，将各千斤顶顶升高度值清零；继续点击“前升”、“左升”、“右升”按钮，将飞机协调顶起至满足要求的高度，点击“设置协调顶起顶升高度”按钮。

h₁₁—前千斤顶协调顶起顶升高度(mm)；

h₂₁—左千斤顶协调顶起顶升高度(mm)；

h₃₁—右千斤顶协调顶起顶升高度(mm)。

4、将飞机调整为惯导系统指示的水平姿态：通过分别点击“前升”、“前降”、“左升”、“左降”、“右升”、“右降”按钮，调整各千斤顶顶升高度。观察屏幕上显示的飞机姿态，将飞机调整至惯导系统指示的水平姿态，即：|γ|≤∈_γ、｜θ｜≤∈_θ、(∈_γ、∈_θ可根据飞机机体尺寸及调姿精度要求计算得出)。点击“设置水平零点”按钮，屏幕上将出现各千斤顶新的一组顶升高度值，且均为0mm。

γ—飞机的横滚角(°)；

θ—飞机的俯仰角(°)；

∈_γ—横滚角允许误差(°)；

∈_θ—俯仰角允许误差(°)。

建立固定坐标系Oxyz，机头处为坐标原点，x轴为逆航向方向，xOy面为水平面。

设此时三个千斤顶顶块坐标为Q₁₀(x₁₀，y₁₀，z₁₀)、Q₂₀(x₂₀，y₂₀，z₂₀)、Q₃₀(x₃₀，y₃₀，z₃₀)，各坐标值均为已知，忽略飞机尺寸公差以及各顶块安装位置误差，根据飞机机体几何关系，有x₂₀＝x₃₀，、y₂₀+y₃₀＝0、y₁₀＝0。

Q₁₀—前千斤顶顶块；

Q₂₀—左千斤顶顶块；

Q₃₀—右千斤顶顶块。

由此可计算三个千斤顶顶块所在平面Q₀的法向量

设此时惯导系统的水平面为G₀，法向量其中，a_G0、b_G0、c_G0可根据惯导系统指示的飞机姿态角求出。

将分别投影到xOz面和yOz面，有投影向量

此时，平面Q₀与平面G₀的的夹角余弦

5、如图1所示，测定左千斤顶升降高度h后对飞机横滚角γ的影响。

通过点击“左升”、“左降”按钮，使左千斤顶升降高度h。此时，三个千斤顶顶块坐标为Q₁₁(x₁₀，y₁₀，z₁₀)、Q₂₁(x₂₀，y₂₀，z₂₀+h)、Q₃₁(x₃₀，y₃₀，z₃₀)。

Q₁₁—前千斤顶顶块；

Q₂₁—左千斤顶顶块；

Q₃₁—右千斤顶顶块。

可计算三个千斤顶顶块所在平面Q₁的法向量

设此时惯导系统水平面为G₁，法向量其中，a_G1、b_G1、c_G1可根据惯导系统指示的飞机姿态角求出。

将投影到xOz面，有投影向量

假设飞机为刚体，则此时平面Q₁与平面G₁的夹角应不变，即

对比升降前后惯导系统水平面的法向量变化，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：

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

cosγ₂＝γ₂(h)

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为

α₂(h)cosγ₂＝γ₂(h)

α₂(h)—横滚角修正函数。

整理可得

γ₂＝f₂(h) (1)

其中

优选地，采用多项式拟合方法确定式(1)，步骤如下：

①固定每次的千斤顶顶升高度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。

②如表1所示，统计记录多次h与γ₂的数值，建立基于机器学习算法的h到γ₂的输入-输出模型，并进行模型的训练与预测。机器学习算法可以选用多元回归模型或者神经元模型。

③最终得到

γ₂＝a₀+a₁h+a₂h²+...a_nhⁿ。

④未来可随着训练模型变量的增加选用随机森林等树模型算法实现h与γ₂对应关系的建立。

表1

h	γ2
		h0	k1
2h0	k2
		......	......
nh0	kn

通过点击“左升”或“左降”按钮，将飞机恢复至水平姿态。

6、重复步骤5，可拟合

右千斤顶升降高度h与飞机横滚角γ之间的函数关系：

γ₃＝f₃(h) (2)

前千斤顶顶升降高度h与飞机俯仰角θ之间的函数关系：

θ₁＝f₁(h) (3)

7、点击“完成工作”按钮，将飞机放下，点击“保存数据”按钮，退出软件，断开数据线缆。

二、应用

完成调试后，如图2所示，本系统的使用步骤如下：

1、使用数据线缆将上位机与飞机上对应维护接口相连，打开飞机调姿软件，点击“姿态调整”按钮。

2、将各千斤顶顶起至顶升零点高度：点击“初始顶升”按钮，分别将前、左、右千斤顶顶起至顶升零点高度h₁₀、h₂₀、h₃₀。

3、将各千斤顶顶起至协调顶起高度：点击“协调顶起”按钮，将飞机协调顶起。前、左、右千斤顶的协调顶起高度分别为h₁₁、h₂₁、h₃₁。

4、设置飞机目标姿态：点击“设置目标姿态”按钮，可在屏幕上输入飞机的目标横滚角γ₀与俯仰角θ₀。

5、如图3所示，将飞机调整至目标姿态：点击“开始调姿”按钮，系统开始飞机调姿工作。

首先，通过升降左(或右)千斤顶，调整飞机的横滚角至目标值，即|γ-γ₀|≤∈_γ。

①以左千斤顶为例，在飞机协调顶起之后，左千斤顶顶块的位置为Q₂₀(x₂₀，y₂₀，z₂₀)。对比此时飞机横滚角γ与目标值γ₀，由式(1)，可求解出左千斤顶需要升降的高度h₁，并控制千斤顶作动。

②第一次升降后，再次对比此时飞机横滚角γ与目标值γ₀，若满足|γ-γ₀|≤∈θ_γ，则结束调姿过程；若不满足，则再由式(1)，求解出左千斤顶需要升降的高度h₂，并控制千斤顶作动。

③第二次升降后，再次对比此时飞机横滚角γ至目标值γ₀，若满足|γ-γ₀|≤∈_γ，则结束调姿过程；若不满足，则控制左千斤顶升降高度h₃，其中h₃＝h₂/2。

④重复步骤③，每次控制左千斤顶升降的高度为前一次的一半，即直到调整飞机横滚角至满足|γ-γ₀|≤∈_γ。

同理，可根据式(3)，通过控制前千斤顶升降，将飞机俯仰角调整至目标值，即|θ-θ₀|≤∈_θ。至此，飞机已调整至目标姿态。

6、可根据工作需求，选择保存飞机的重量、重心、姿态等数据。

7、点击“完成工作”按钮，将飞机放下，退出软件，断开数据线缆。

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。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，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：

步骤S100：调试：

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；

步骤S120：将飞机调整为水平姿态，其中，γ为飞机的横滚角，θ为飞机的俯仰角，为横滚角允许误差，为俯仰角允许误差；

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：Q ₁₀（x ₁₀，y ₁₀，z ₁₀）、Q ₂₀（x ₂₀，y ₂₀，z ₂₀）、Q ₃₀（x ₃₀，y ₃₀，z ₃₀），且x ₂₀=x ₃₀，、y ₂₀+y ₃₀=0、y ₁₀=0；

计算前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶所在平面Q ₀ 的法向量为：

飞机惯导系统的水平面G ₀ 的法向量为：

其中，a _G0 、b _G0 、c _G0 根据惯导系统指示的飞机姿态角求出；

将分别投影到xOz面和yOz面，有投影向量：

此时，平面Q ₀与平面G ₀ 的夹角为φ ₀，平面Q ₀与平面G ₀ 的夹角余弦为：

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；

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：Q ₁₁（x ₁₀，y ₁₀，z ₁₀）、Q ₂₁（x ₂₀，y ₂₀，z ₂₀+h）、Q ₃₁（x ₃₀，y ₃₀，z ₃₀），计算出前千斤顶、左千斤顶、右千斤顶所在平面Q ₁ 的法向量：

；

其中，a _G1 、b _G1 、c _G1 根据惯导系统指示的飞机姿态角求出；

此时飞机惯导系统的水平面G ₁的法向量为；平面Q ₁与平面G ₁的夹角为φ ₁的，假设飞机为刚体，则φ ₀和φ ₁相等：

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：

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；

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

为横滚角修正函数；

整理可得：

（1）

其中，

同理可以得到：

右千斤顶升降高度h与飞机横滚角γ₃之间的函数关系：

（2）

前千斤顶升降高度h与飞机俯仰角θ ₁之间的函数关系：

（3）

步骤S200：调姿：

步骤S210：设置飞机目标姿态：目标横滚角γ₀与目标俯仰角θ ₀；

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，；

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θ ₀，。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，所述步骤S140中采用多项式拟合方法确定公式（1）：

步骤S141：固定每次的左千斤顶的顶升高度h ₀，依次顶升h ₀，记录此时顶升后的高度h与横滚角γ₂的数据；

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：

。

3.根据权利要求2所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求2所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，采用多项式拟合方法确定公式（2）、公式（3）。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，在步骤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：

步骤S221：在飞机协调顶起之后，左千斤顶的位置为Q ₂₀（x ₂₀，y ₂₀，z ₂₀），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h ₁，控制左千斤顶第一次升降；

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，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h ₂，控制左千斤顶第二次升降；

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，则结束调姿过程，否则，控制左千斤顶升降高度h ₃，其中，h ₃=h ₂/2控制左千斤顶第二次升降；

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。

7.根据权利要求6所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求6所述的一种基于惯导系统的飞机自动调姿方法，其特征在于，通过控制前千斤顶调整俯仰角至目标值的方法，与通过控制升降左千斤顶调整飞机的横滚角的方法相同。