CN106339000B - 基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，属于舰载机着舰引导控制领域，该策略以舰载机预计触舰时刻和进舰速度为核心，通过利用甲板运动预测技术提供的甲板运动信息，始终关注舰载机预计触舰时刻的母舰俯仰信息，通过进舰速度调节使得舰载机可在母舰俯仰角为0°时着舰，达到补偿甲板俯仰运动的效果，提高舰载机着舰安全性。本发明结构简单清晰，运算量小，各个步骤均可采用现有算法，可行性高；适配性好，可推广至舰载机无人机或其他类似运动补偿系统。

Description

基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略
技术领域
本发明属于舰载机着舰引导控制领域，具体涉及一种基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略。
背景技术
航空母舰在大海上航行，理想情况下应只有前进航行运动，但海面上的海风和海浪将对母舰产生姿态影响，不同海况下，母舰受海浪诱导形成的姿态运动幅值和周期均不同。
舰载机执行着舰作业时，母舰的运动将对舰载机的起降安全性产生不利影响。最苛刻情况下，要求舰载机能在6级海况下完成安全着舰。为了确保舰载机在母舰运动时仍能准确降落于理想着舰点，舰载机自动着舰系统的设计必须考虑由于母舰运动所造成的理想着舰点的空间位置变化。
各国海军设计的自动着舰系统中，配备有甲板运动补偿系统，用于补偿由于甲板运动所造成的影响；目前对甲板运动补偿系统的设计，多从甲板运动预估技术和甲板运动补偿技术开展工作，前者运用卡尔曼最优滤波、神经网络、自回归算法等对母舰甲板运动进行预报，并将预报结果用于自动着舰系统；后者采用模糊控制或各类补偿网络设计补偿器实现甲板运动补偿；但这些算法也存在不足之处，运算量大、结构复杂、可行性较差，不适用于其它类似运动补偿系统；所以针对现有技术存在的不足之处，有必要提供一种新的甲板运动补偿策略。
发明内容
本发明提供一种基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，该策略以舰载机预计触舰时刻和进舰速度为核心，通过利用甲板运动预测技术提供的甲板运动信息，始终关注舰载机预计触舰时刻的母舰俯仰信息，通过进舰速度调节使得舰载机可在母舰俯仰角为0°时着舰，达到补偿甲板俯仰运动的效果，提高舰载机着舰安全性，以此来解决现在技术中存在的不足之处。
本发明通过以下技术方案来实现，一种基于舰载机进舰速度调节的母甲板运动补偿策略，具体包括以下几个步骤：
步骤一：根据当前母舰航行信息，母舰航行信息包括母舰航行当前位置信息和母舰航行速度信息，舰载机飞行状态，舰载机飞行状态具体包括舰载机当前位置信息和舰载机飞行速度信息以及着舰区域甲板配置信息，计算舰载机的预计触舰时刻以及预计触舰时间范围，具体计算如下：
设舰载机当前位置为(xa，ya，za)，飞行速度为va，母舰当前位置为(xc，yc，zc)，航行速度为vc，则舰载机预计触舰时刻Tl，如公式(1)所示：
舰载机进舰下滑过程中，考虑到航迹稳定性，对舰载机的期望着舰速度大小范围进行限制：舰载机的期望触舰速度最大允许值定义为vDMax，舰载机的期望触舰速度最小允许值定义为vDMin；
当舰载机以期望触舰速度最大允许值vDMax进舰时，对应预计触舰时间TlMin，如公式(2)所示：
当舰载机以期望触舰速度最小允许值vDMin进舰时，对应预计触舰时间TlMax，如公式(3)所示：
这里的TlMin和TlMax分别为舰载机预计触舰的最短时间和最长时间，即舰载机的预计触舰时间范围在TlMin和TlMax之间；
步骤二：利用甲板运动预估技术对母舰甲板俯仰运动信息进行预测，预测时长覆盖舰载机预计触舰时间范围；
步骤三：根据步骤二中对母舰甲板俯仰运动信息进行的预测，搜索时间轴上距离舰载机预计触舰时刻最近且母舰俯仰角度为0°的时刻，称该时刻为舰载机校正触舰时刻；所述舰载机校正触舰时刻具体是指：运用相关甲板运动预测算法预测在TlMin和TlMax时刻之间的甲板运动信息后，搜索时间轴上在TlMin和TlMax之间且母舰俯仰值为0°的时刻Tlm，若在此时间区间内没有满足条件的时刻，则选择离Tl最近且甲板俯仰为0°的时刻作为Tlm；如果出现多个满足条件的时刻，选取离TlMax最近的时刻，那一时刻作为舰载机的期望着舰时刻，或者选取离TlMin最近的时刻，作为舰载机的期望着舰时刻，则舰载机的预计触舰时间将被修正为Tlm；
步骤四：根据步骤三得出的舰载机校正触舰时刻Tlm，计算期望舰载机进舰速度vad，如公式(4)所示：
通过舰载机校正触舰时刻Tlm，计算得出期望舰载机进舰速度vad；
所述期望舰载机进舰速度vad在舰载机的期望着舰速度最大允许值vDMax和舰载机的期望着舰速度最小允许值vDMin之间；保证舰载机的速度调整范围可控，不会出现大幅值调整；
步骤五：设计舰载机进舰速度控制器，所述舰载机进舰速度控制器，采用PI控制器形式如公式(5)所示：
其中，Kp表示控制器的比例增益，Ki表示控制器的积分增益。s为拉氏算子；
舰载机进舰速度控制器输入为期望舰载机进舰速度vad相对于基准速度的变化量，输出为舰载机油门杆操纵量；考虑到实际全自动着舰系统中DMC开启的时间为舰载机着舰前12～13s，可供调整的时间较短，故为使舰载机能快速的响应指令速度，对速度控制器参数的调校将着重考虑响应速度，对超调量要求可适当放宽；
步骤六：上述步骤循环运行，直至舰载机触舰着舰。
作为一种优选的技术方案，所述步骤二中的甲板运动预估技术也可采用卡尔曼最优滤波理论，利用各种海况下测得的母舰俯仰功率谱数据进行预测，在允许误差内，预测时间最长可达15s，可满足预测时长要求；还可以采用神经网络、自回归算法、维纳预测器或者粒子滤波算法对母舰甲板俯仰运动信息进行预测；
作为一种优选的技术方案，所述舰载机进舰速度控制器可采用经典的PID控制算法，也可以采用其它控制算法。
作为一种优选的技术方案，所述舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略可用于舰载有人机的着舰和舰载无人机的着舰。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：(1)甲板补偿策略结构简单清晰；(2)运算量小，各个步骤均可采用多种现有算法，可行性高；(3)适配性好，可推广至舰载机无人机或其他类似运动补偿系统。
附图
图1为本发明的母舰甲板运动补偿策略的原理框图；
图2为本发明的舰载机预计触舰时刻校正原理图；
图3为本发明的舰载机进舰速度曲线。
图4为本发明的舰载机进舰着舰油门杆操纵量曲线。
图5为本发明的舰载机进舰着舰纵向航迹曲线。
图6为本发明的母舰甲板俯仰曲线。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述，以便进一步了解本发明，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
结合图1和图2，本发明提出一种基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，具体包含如下步骤：基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，具体包括以下几个步骤：
步骤一：根据当前母舰航行信息，母舰航行信息包括母舰航行当前位置信息和母舰航行速度信息，舰载机飞行状态，具体包括舰载机当前位置信息和舰载机飞行速度信息和着舰区域甲板配置信息，计算舰载机的预计触舰时刻以及预计触舰时间范围，具体计算如下：
设舰载机当前位置为(xa，ya，za)，飞行速度为va，母舰当前位置为(xc，yc，zc)，航行速度为vc，则舰载机预计触舰时刻Tl，如公式(1)所示：
舰载机进舰下滑过程中，考虑到航迹稳定性，对舰载机的期望着舰速度大小范围进行限制：舰载机的期望触舰速度最大允许值定义为vDMax，舰载机的期望触舰速度最小允许值定义为vDMin；
当舰载机以期望触舰速度最大允许值vDMax进舰时，对应预计触舰时间TlMin，如公式(2)所示：
当舰载机以期望触舰速度最小允许值vDMin进舰时，对应预计触舰时间TlMax，如公式(3)所示：
这里的TlMin和TlMax分别为舰载机预计触舰的最短时间和最长时间，即舰载机的预计触舰时间范围在TlMin和TlMax之间；
步骤二：利用甲板运动预估技术对母舰甲板俯仰运动信息进行预测，预测时长覆盖舰载机预计触舰时间范围；
步骤三：根据步骤二中对母舰甲板俯仰运动信息进行的预测，搜索时间轴上距离舰载机预计触舰时刻最近且母舰俯仰角度为0°的时刻，称该时刻为舰载机校正触舰时刻；所述舰载机校正触舰时刻具体是指：运用相关甲板运动预测算法预测在TlMin和TlMax时刻之间的甲板运动信息后，搜索时间轴上在TlMin和TlMax之间且母舰俯仰值为0°的时刻Tlm，若在此时间区间内没有满足条件的时刻，则选择离Tl最近且甲板俯仰为0°的时刻作为Tlm；如果出现多个满足条件的时刻，选取离TlMax最近的时刻，那一时刻作为舰载机的期望着舰时刻，或者选取离TlMin最近的时刻，作为舰载机的期望着舰时刻，则舰载机的预计触舰时间将被修正为Tlm；
步骤四：根据步骤三得出的舰载机校正触舰时刻Tlm，计算期望舰载机进舰速度vad，如公式(4)所示：
通过舰载机校正触舰时刻Tlm，计算得出期望舰载机进舰速度vad；
所述期望舰载机进舰速度vad在舰载机的期望着舰速度最大允许值vDMax和舰载机的期望着舰速度最小允许值vDMin之间；保证舰载机的速度调整范围可控，不会出现大幅值调整；
步骤五：设计舰载机进舰速度控制器，所述舰载机进舰速度控制器，采用PI控制器形式如公式(5)所示：
其中，Kp表示控制器的比例增益，Ki表示控制器的积分增益。s为拉氏算子；
速度控制器输入为期望的舰载机速度相对于基准速度的变化量，输出为舰载机油门杆操纵量；考虑到实际全自动着舰系统中DMC开启的时间为舰载机着舰前12～13s，可供调整的时间较短，故为使舰载机能快速的响应指令速度，对速度控制器参数的调校将着重考虑响应速度，对超调量要求可适当放宽；
步骤六：上述步骤循环运行，直至舰载机触舰着舰。
所述步骤二中的甲板运动预估技术也可采用卡尔曼最优滤波理论，利用各种海况下测得的母舰俯仰功率谱数据进行预测，在允许误差内，预测时间最长可达15s，可满足预测时长要求；还可以采用神经网络、自回归算法、维纳预测器或者粒子滤波算法对母舰甲板俯仰运动信息进行预测；
所述舰载机进舰速度控制器可采用经典的PID控制算法，也可以采用其它控制算法。
所述舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略可用于舰载有人机的着舰和舰载无人机的着舰。
控制器控制效果如图3曲线所示，控制器输出油门杆量如图4所示。
图5为舰载机纵向着舰航迹图，由图可知，舰载机跟踪理想下滑航迹完成了进舰着舰；图6为甲板俯仰运动曲线，由图可知，舰载机触舰时，甲板俯仰值为0°，实现了舰载机在甲板俯仰为0°时触舰，即母舰甲板水平。
本发明提出的甲板补偿策略结构简单清晰，运算量小，各个步骤均可采用现有算法，可行性高；适配性好，可推广至舰载机无人机或其他类似运动补偿系统。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，其特征在于，具体包括以下几个步骤：
步骤一：根据当前母舰航行信息、舰载机飞行状态和着舰区域甲板配置信息，计算舰载机的预计触舰时刻以及预计触舰时间范围，具体计算如下：
设舰载机当前位置为(xa,ya,za)，飞行速度为va，母舰当前位置为(xc,yc,zc)，航行速度为vc，则预计舰载机触舰时刻Tl，如公式(1)所示：
舰载机进舰下滑过程中，考虑到航迹稳定性，对舰载机的期望触舰速度大小范围进行限制：舰载机的期望触舰速度最大允许值定义为vDMax，舰载机的期望触舰速度最小允许值定义为vDMin；
当舰载机以最大期望触舰速度vDMax进舰时，对应预计触舰时间TlMin，如公式(2)所示：
当舰载机以最小期望触舰速度vDMin进舰时，对应预计触舰时间TlMax，如公式(3)所示：
这里的TlMin和TlMax分别为舰载机预计触舰的最短时间和最长时间，即舰载机的预计触舰时间范围在TlMin和TlMax之间；
步骤二：利用甲板运动预估技术对母舰甲板俯仰运动信息进行预测，预测时长覆盖舰载机预计触舰时间范围；
步骤三：根据步骤二中对母舰甲板俯仰运动信息进行的预测，搜索时间轴上距离舰载机预计触舰时刻最近且母舰俯仰角度为0°的时刻，称该时刻为舰载机校正触舰时刻；所述舰载机校正触舰时刻具体是指：运用相关甲板运动预测算法预测在TlMin和TlMax时刻之间的甲板运动信息后，搜索时间轴上在TlMin和TlMax之间且母舰俯仰值为0°的时刻Tlm，若在此时间区间内没有满足条件的时刻，则选择离Tl最近且甲板俯仰为0°的时刻作为Tlm；如果出现多个满足条件的时刻，选取离TlMax最近的时刻，那一时刻作为舰载机的期望着舰时刻，或者选取离TlMin最近的时刻，作为舰载机的期望着舰时刻，则舰载机的预计触舰时间将被修正为Tlm；
步骤四：根据步骤三得出的舰载机校正触舰时刻Tlm，计算期望舰载机进舰速度vad，如公式(4)所示：
通过舰载机校正触舰时刻Tlm，计算得出期望舰载机进舰速度vad；
所述期望舰载机进舰速度vad在舰载机的期望触舰速度最大允许值vDMax和舰载机的期望触舰速度最小允许值vDMin之间；保证舰载机的速度调整范围可控，不会出现大幅值调整；
步骤五：设计舰载机进舰速度控制器，所述舰载机进舰速度控制器，采用PI控制器形式如公式(5)所示：
其中，KP表示控制器的比例增益，KI表示控制器的积分增益，s为拉氏算子；
舰载机进舰速度控制器输入为期望舰载机进舰速度vad相对于基准速度的变化量，输出为舰载机油门杆操纵量；考虑到实际全自动着舰系统中DMC开启的时间为舰载机着舰前12～13s，可供调整的时间较短，故为使舰载机能快速的响应指令速度，对速度控制器参数的调校将着重考虑响应速度，对超调量要求可适当放宽；
步骤六：上述步骤循环运行，直至舰载机触舰着舰。
2.根据权利要求1所述的基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，其特征在于：所述步骤二中的甲板运动预估技术也可采用卡尔曼最优滤波理论，利用各种海况下测得的母舰俯仰功率谱数据进行预测，在允许误差内，预测时间最长可达15s，可满足预测时长要求；还可以采用神经网络、自回归算法、维纳预测器或者粒子滤波算法对母舰甲板俯仰运动信息进行预测。
3.根据权利要求1所述的基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，其特征在于：所述舰载机进舰速度控制器可采用经典的PID控制算法，也可以采用其它控制算法。
4.根据权利要求1所述的基于舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略，其特征在于：所述舰载机进舰速度调节的母舰甲板运动补偿策略可用于舰载有人机的着舰和舰载无人机的着舰。
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