一種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制方法，它為無人機自動 著艦提供一種軌跡控制的新控制方法，屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 艦載無人機是以航空母艦或其他軍艦為基地的海軍無人機。本方法控制對象為固 定翼式無人機。采用常規(guī)推進的艦載無人機是一類非線性力學系統(tǒng)，其典型飛行狀態(tài)包括 起飛、巡航飛行、轉(zhuǎn)彎、降落等。對于無人機的自動著艦過程，目前大多數(shù)的控制方法只考慮 了對無人機自身的模型控制方法基礎(chǔ)下對無人機實現(xiàn)等角下滑、甲板動力補償?shù)瓤刂坡傻?研究。本專利提出一種新的建模方法的基礎(chǔ)上進行的無人機軌跡控制的研究方法，即不僅 對無人機的模型進行考慮，而且建立航母的模型，然后將倆個模型納入到控制計算方法。因 此相比其他控制技術(shù)方法而言，無人機相對于航母的軌跡控制更具有工程應用價值。
[0003] 雖然無人機自動著艦過程時間短暫，但是要經(jīng)歷一系列非常復雜的過程，它主要 分為精確制導與自動控制系統(tǒng)倆大重要環(huán)節(jié)，本專利主要考慮自動控制系統(tǒng)的處理方法。 目前主流的控制方法為在單無人機模型下的模糊PID和動態(tài)逆等算法，并且大多只采用到 對無人機姿態(tài)控制的方面。本控制方法采用無人機與航母相對模型基礎(chǔ)下，以反饋線性化 的方式，根據(jù)無人機與航母的相對位置數(shù)據(jù)，針對航母的運動軌跡，無人機進行跟蹤控制最 終達到期望相對位置。對于無人機、航母雙模型的反饋線性化控制方法不僅可以控制對象 的軌跡，也可以對無人機的姿態(tài)進行控制。本方法在姿態(tài)方面考慮了對俯仰角的姿態(tài)控制， 即滿足無人機等角下滑技術(shù)的新方法。
[0004] 本發(fā)明"一種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制方法"，提出了基于動力學 非線性模型的軌跡控制方法。該方法結(jié)合了基于雙模型控制理論和反饋線性化軌跡算法。 由該方法控制的閉環(huán)系統(tǒng)是有界穩(wěn)定的，且具有良好的收斂效果，這就為無人機著艦的工 程實現(xiàn)提供了有效的設(shè)計手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (1)目的：本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制 方法，控制工程師可以按照該方法并結(jié)合實際參數(shù)實現(xiàn)無人機著艦的軌跡控制。
[0006] (2)技術(shù)方案：本發(fā)明"一種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制方法"，其 主要內(nèi)容及程序是：
[0007] 航母空間軌跡由水平面巡航軌跡和垂向軌跡組成。航母的水平面巡航軌跡通常為 直線。預先設(shè)計期望的航母路徑軌跡、航向，然后根據(jù)相對模型并利用反饋線性化理論設(shè)計 無人機軌跡控制器，使其跟蹤誤差在有限時間內(nèi)趨近于零。實際應用中，航母的位置、姿 態(tài)、速度等狀態(tài)量由組合GPS等機載傳感器測量得到，將由該方法計算得到的控制量傳輸 至推力控制，副翼，方向舵和水平舵執(zhí)行裝置即可實現(xiàn)無人機的軌跡功能。
[0008] -種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制方法，其特征在于具體步驟如下：
[0009] 步驟一建立無人機與航母動力學模型，根據(jù)倆者的相對位置，建立相對運動學方 程。
[0010] 步驟二根據(jù)反饋線性化理論方法設(shè)計無人機對航母軌跡控制器。
[0011] 步驟三設(shè)計期望航母的空間軌跡；設(shè)計期望相對跟蹤值；設(shè)計期望相對速度。
[0012] 步驟四計算消除期望與實際相對縱向(元）、（泛），橫向(無>和垂向（?)相對位置的 誤差；計算消除期望相對俯仰角與實際相對俯仰角之間的誤差(?)以及俯仰角速度<氕>和 下沉率
[0013] 步驟五各執(zhí)行部件控制信號計算：計算實現(xiàn)控制量所需的執(zhí)行部件控制量u=
[5 T,5 a,5 e,5 rl0
[0014] 其中，在步驟一中所述的建立以無人機重心為原點體坐標系0axayaza;以航母重心 為原點體坐標系〇sxsyszs;以地面上任一點為原點慣性坐標系0gxgygzg，其中原點0g為地面 任意一點，〇gxg指向北，〇gyg指向東，〇gzg指向地心。然后建立無人機與航母動力學模型，根 據(jù)倆者的相對位置，建立相對運動學方程。
[0015] 其中，在步驟二中所述的根據(jù)反饋線性化理論方法設(shè)計無人機對航母軌跡控制 器，其計算方法如下將航母與無人機相對運動學模型轉(zhuǎn)換成如下形式：
[0016]
(:
[0017]其中，
[0018] ①相對位置狀態(tài)量
[0019]
[0020] ②無人機體坐標系到地面坐標系轉(zhuǎn)換矩陣
[0021]
[0022] ③反饋線性化控制矩陣
[0023]
[0024] 其中，在步驟三中所述的設(shè)計期望船的平面軌跡為直線，直線軌跡由 船無控制干擾情況下初始速度確定。船的垂直軌跡為波浪起伏曲線zs (t)= 1. 22sin(0. 6t)+0. 305sin(0. 2t)確定，記作zs(t);所述的設(shè)計期望相對速度為
，C>0為常數(shù)，為無人機與航母的期望相對速度沿機 體坐標系的分解量。
[0025] 其中，在步驟四中所述的計算消除期望位置與實際位置之間的誤差 蒽，無人機與航母的期望相對位S
，其中if=n=
[HzJT為機體與航母空間軌跡之間的位置誤差，可由規(guī)劃軌跡起始點機體位置坐標Pa =[1(3,7(3,2(;]1'與航母直線軌跡？ ；3=[1；3,7；3,2；3]1'做差求得。其計算方法如下 ：
[0026]
[0027] 無人機在進艦著艦的最后階段，無人機截獲合適的下滑道后，一直保持相同的俯 仰角、速度和下沉率，直至無人機與航母飛行甲板碰撞，實現(xiàn)撞擊式著艦。Θa為無人機的俯 仰角，其角度為無人機機體縱軸與地面坐標系縱軸之間夾角；Θs為船俯仰角，其角度為航 母機體系縱軸線與地面坐標系縱軸之間夾角。即叭=Θa-0s;;跟蹤俯仰角、速度、下沉 率誤差其計算方法如下：
[0028]
[0029]其中，
[0030]
[0031] 其中，在步驟五中所述的消除期望相對位置與實際相對位置之間的誤差以及消除 期望俯仰角與實際俯仰角之間的誤差所需的控制量U，其計算方法如下：
[0032]
[0033]其中，
[0034]
[0035]
[0036] 優(yōu)點及效果：
[0037] 本發(fā)明"一種基于雙模型下的無人機自動著艦軌跡控制方法"，與現(xiàn)有技術(shù)比，其 優(yōu)點是：
[0038] 1)該方法將無人機和航母的模型都被考慮到控制算法里，對求解其相對位置、相 對速度以及對等角下滑技術(shù)方法更容易實現(xiàn)。
[0039] 2)該方法能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性能及收斂速度。
[0040] 3)該方法采用反饋線性化方法，控制結(jié)構(gòu)方法簡單，對非線性系統(tǒng)的控制具有良 好的控制效果，響應速度快，易于工程實現(xiàn)。
[0041] 控制工程師在應用過程中可以不需要考慮航母實際的巡航軌跡，只需要掌握航母 與無人機的相對位置數(shù)據(jù)即可將該方法計算得到的控制量直接傳輸至執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)軌跡 功能。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明無人機與航母示意圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明航母與無人機水平面軌跡計算幾何關(guān)系圖；
[0044] 圖3為本發(fā)明航母與無人機垂面軌跡計算幾何關(guān)系圖；
[0045] 圖4為本發(fā)明所述控制方法流程框圖；
[0046] 符號說明如下：
[0047]PaPa= [Xa,ya,za]T為無人機地面坐標系當前位置；
[0048]PsPs= [Xs,ys,ZS]T為航母地面坐標系下的當前位置；
[0049] Pe[X0yyzJT為地面坐標系下無人機與航母之間的相對位置；
[0050]XiXi= [XMy^,ZyΘJT為地面坐標系下無人機與航母之間的相對位置與姿態(tài)；
[0051] X2X2= [UMVyWmrJT為地面坐標系下無人機與航母之間的相對速度與姿態(tài)角 速度；
[0052]X。 之f為地面坐標系下無人機與航母之間的期望相對位置與姿 態(tài)；
[0053]uu= [δτ,δa,δe,δJ為無人機控制量；
[0054] 0a無人機沿地面坐標系的俯仰角；
[0055]Θs航母的沿地面坐標系俯仰角；
[0056] 之無人機相對航母期望俯仰角；
[0057] 無人機與航母之間的相對俯仰角；
[0058] % 無人機相對航母俯仰角誤差；
[0059] δτ 單個發(fā)動機產(chǎn)生推力；
[0060] δγ控制裝置的方向舵；
[0061] δβ控制裝置的水平舵；
[0062] 5a控制裝置的副翼；
[0063] υ a ua= [u a, va, wj%人機機體坐標系下矢量速度分量；
[0064] υ s us= [u s, vs, wj1!)!；母機體坐標系下矢量速度分量；
[0065] υ e u [u μ