CN114115311B - 一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法，包括如下步骤：(1)以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系；(2)采用增量动态逆的设计方法，设计俯仰角速度控制器，该控制器具有强鲁棒性；(3)利用增量动态逆的方法，设计无人机的速度控制器，用于实现速度稳定；(4)在步骤(2)的基础上采用动态逆的方法，设计了绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令。本发明能够保证内环姿态角的稳定性和可控性，提高舰载机的着舰精度。
Description
技术领域
本发明涉及航空器飞行控制技术领域，尤其是一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法。
背景技术
舰载无人机的自动着舰技术一直是研究重点。无人机在着舰过程中存在着着舰区域小，受风扰影响以及甲板运动等问题。常规的舰载机控制基于单输入单输出方法设计，且不考虑甲板运动对地面坐标系下的绝对下滑轨迹角和舰船坐标系下的相对下滑轨迹角之间转化关系的影响，进一步增大了着舰误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法，保证内环姿态角的稳定性和可控性，提高舰载机的着舰精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法，包括如下步骤：
(1)以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系；
(2)采用增量动态逆的设计方法，设计俯仰角速度控制器，该控制器具有强鲁棒性；
(3)利用增量动态逆的方法，设计无人机的速度控制器，用于实现速度稳定；
(4)在步骤(2)的基础上采用动态逆的方法，设计了绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令。
优选的，步骤(1)中，以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系，其表达式如下：
其中，hs为甲板的沉浮运动，θs为甲板的俯仰运动，Vs为舰船航行速度，Vk为无人机的地速，相对轨迹角Γ与绝对轨迹角γ之间采用PI控制。
优选的，步骤(2)中，采用增量动态逆的设计方法，设计俯仰角速度控制器具体为：将着舰过程中的俯仰力矩分为非操纵力矩Ma以及操纵力矩Mc，因此俯仰角速度动力学模型写成如下形式
其中，q为俯仰角速度，Iyy为绕y轴的转动惯量；
根据增量动态逆原理可得舵面偏转的增量为
其中，Q、Sw、cA分别为动压、机翼参考面积、机翼平均气动弦长，/>为空气动力系数，qc为俯仰角速度指令，q0为俯仰角速度在某个采样时刻的值。
优选的，步骤(3)中，利用增量动态逆的方法，设计无人机的速度控制器，用于实现速度稳定，将写成如下形式
其中，m、α、γ、Tmax、Vk分别为无人机的质量、迎角、绝对轨迹角、最大推力、地速，/>均为空气动力系数；
根据增量动态逆原理可得舵面偏转的增量为
其中，为地速指令，/>为地速在某个采样时刻的值。
优选的，步骤(4)中，在步骤(2)的基础上采用动态逆方法，设计绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令，其表达式为
qc＝-Kγeγ＝-Kγ(γc-γ)
其中γc为绝对轨迹角指令，Kγ为绝对轨迹角回路带宽，当俯仰角速度控制回路稳定时，qc＝0，即绝对轨迹角跟踪误差eγ最终收敛于0。
本发明的有益效果为：(1)针对无人机非线性模型，利用增量动态逆的方法，通过利用测量信息摆脱了对模型精度的依赖，提高了控制器的鲁棒性，以及对着舰过程中外部扰动的容忍能力；(2)基于舰机相对运动和相应几何关系，推导出了甲板运动情况下的相对下滑角与绝对下滑角之间的数学关系，从而实现了对理想着舰轨迹的精确跟踪。
附图说明
图1为本发明无甲板运动的舰机相对运动关系示意图。
图2为本发明考虑俯仰运动的舰机相对运动关系示意图。
图3为本发明考虑沉浮运动的舰机相对运动关系示意图。
图4为本发明轨迹角控制结构示意图。
图5为本发明参数摄动下动态逆与增量动态逆俯仰角速度阶跃响应对比示意图。
图6为本发明参数摄动下增量动态逆速度阶跃响应示意图。
具体实施方式
一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法，包括如下步骤：
(1)以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系；
(2)采用增量动态逆的设计方法，设计俯仰角速度控制器，该控制器具有强鲁棒性；
(3)利用增量动态逆的方法，设计无人机的速度控制器，用于实现速度稳定；
(4)在步骤(2)的基础上采用动态逆的方法，设计了绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令。
步骤(1)中，以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系。不考虑甲板运动时，无人机和舰船之间的关系如图1所示，其中，Vs是舰船航行速度，Vk是无人机的地速，Vks是舰机相对运动速度。由图1中三角关系可得
进一步可得
当存在甲板俯仰运动时，舰船与无人机之间的相对运动关系如图2所示，其中θs为甲板的俯仰运动角。此时，绝对下滑轨迹角和相对下滑轨迹角之间的关系可以表示为
在此基础上进一步考虑甲板的沉浮运动。为了简化推导过程，将无人机的实际速度与甲板的沉浮运动做矢量合成，如图3所示。Vk为飞机的实际速度，为甲板沉浮运动速度，V'k为Vk矢量减去/>后的相对速度。γ'为矢量合成后的轨迹角，γ即为要求的实际着舰绝对轨迹角。此时可以得到Γ与γ'之间的关系为
由于相对于Vk较小，从而V′k≈Vk。因此从实际工程的角度，上式可以近似为
由图3各速度矢量之间的几何关系可得
由三角函数关系推导可得
最终可得绝对轨迹角γ的表达式为
此时可以得到表达式为
同样地，由图1可得
进一步可得
在此基础上，结合图2和图3可得，加入甲板沉浮俯仰运动后，Γ表达式为
由图3各速度矢量之间的几何关系可得
由三角函数关系推导可得
将上式代入Γ表达式可得相对轨迹角Γ的最终表达式为
相对轨迹角Γ与绝对轨迹角γ之间采用PI控制，控制结构如图4所示。
步骤(2)中针对舰载机在着舰过程中受到的强风扰以及模型不准确的问题，采用增量动态逆的方法，设计了俯仰角速度控制器，该控制器具有强鲁棒性。俯仰角速度q的表达式为
其中，M、α、V、Q、δe分别为无人机的俯仰力矩、迎角、空速、动压、升降舵偏角；Iyy、Sw、cA分别为无人机绕y轴的转动惯量、机翼参考面积、机翼平均气动弦长；均为空气动力系数。
首先将着舰过程中的俯仰力矩分为非操纵力矩Ma以及操纵力矩Mc，因此俯仰角速度动力学模型可以写成如下形式
按照增量动态逆原理将在q0处一阶泰勒展开可得近似表达式为
其中，非操纵力矩Ma对舵面δe的导数为0，俯仰角速度q相对于角加速度而言是慢变量，因此可以近似认为在采样周期内角速度q不变，因此上式可以进一步化简为
根据增量动态逆原理可得舵面偏转的增量为
其中，
设计俯仰角速度期望动态为
其中，为俯仰角速度回路的带宽，qc为俯仰角速度指令信号。将期望动态/>代入Δδe中，可得
最终可得升降舵δe输入为
其中，为δe在该采样时间的值。
步骤(3)中，利用增量动态逆的方法，设计了无人机速度控制器，用于实现速度稳定。
的表达式为
其中，Vk、γ分别为无人机的地速、绝对倾斜角；m、g分别为无人机的质量和重力加速度；δT是油门开合度，Tmax是最大推力；是空气动力学系数。
将写成如下形式
其中，再将上式一阶泰勒展开且只保留一次项可得
根据增量动态逆原理，上式可以进一步化简为
进一步可得
设计速度期望动态为为
其中，为速度回路的带宽，/>为速度指令信号。将期望动态/>代入ΔδT中，可得
最终可得速度回路控制器为
其中，为/>以及δT在该采样时刻的值。
步骤(4)中，在步骤(2)的基础上采用动态逆的方法，设计了绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令。着舰过程中绝对轨迹角可表示为
γ＝θ-α
速度控制器可以使迎角渐进稳定，因此
定义绝对轨迹角跟踪误差eγ为
eγ＝γc-γ
由于稳定时γc为常值，可以得到因此
进一步可得qc表达式为
qc＝-Kγeγ＝-Kγ(γc-γ)
当俯仰角速度控制回路稳定时，qc＝0，即eγ最终收敛于0。
本发明的舰载机着舰控制器，不仅对外部扰动，如甲板运动、舰尾流有抗扰能力，对内部模型不确定性因素同样有较强的鲁棒性，且跟踪误差能够收敛，在存在参数摄动的情况下，利用增量动态逆对俯仰角速度和速度指令进行了跟踪仿真，效果如图5-图6所示。控制器具有较强的跟踪误差快速收敛能力和抗干扰能力。
Claims (2)
1.一种大型高速舰载无人机自动着舰控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系；
(2)采用增量动态逆的设计方法，设计俯仰角速度控制器，该控制器具有强鲁棒性；采用增量动态逆的设计方法，设计俯仰角速度控制器具体为：将着舰过程中的俯仰力矩分为非操纵力矩Ma以及操纵力矩Mc，因此俯仰角速度动力学模型写成如下形式
其中，q为俯仰角速度，Iyy为绕y轴的转动惯量；
根据增量动态逆原理得升降舵面偏转的增量为
其中，Q、Sw、cA分别为动压、机翼参考面积、机翼平均气动弦长，/>为空气动力系数，qc为俯仰角速度指令，q0为俯仰角速度在某个采样时刻的值；
(3)利用增量动态逆的方法，设计无人机的速度控制器，用于实现速度稳定；利用增量动态逆的方法，设计无人机的速度控制器，用于实现速度稳定，将写成如下形式
其中，m、α、γ、Tmax、Vk分别为无人机的质量、迎角、绝对轨迹角、最大推力、地速，/>均为空气动力系数；
根据增量动态逆原理得开合度舵面偏转的增量为
其中，为地速指令，/>为地速在某个采样时刻的值；
(4)在步骤(2)的基础上采用动态逆的方法，设计绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令；在步骤(2)的基础上采用动态逆方法，设计绝对轨迹角控制器，同时得到内环俯仰角速度指令，其表达式为
qc＝-Kγeγ＝-Kγ(γc-γ)
其中γc为绝对轨迹角指令，Kγ为绝对轨迹角回路带宽，当俯仰角速度控制回路稳定时，qc＝0，即绝对轨迹角跟踪误差eγ最终收敛于0。
2.如权利要求1所述的大型高速舰载无人机自动着舰控制方法，其特征在于，步骤(1)中，以理想着舰点为坐标原点，设计舰船坐标系，得到在甲板运动的情况下，舰载机在地面坐标系下的绝对轨迹角与在舰船坐标系下的相对轨迹角之间的转换关系，其表达式如下
其中，hs为甲板的沉浮运动，θs为甲板的俯仰运动，Vs为舰船航行速度，Vk为无人机的地速，相对轨迹角Γ与绝对轨迹角γ之间采用PI控制。
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| CN106292294A (zh) * | 2016-10-20 | 2017-01-04 | 南京航空航天大学 | 基于模型参考自适应控制的舰载无人机自动着舰控制装置 |
| CN112578802A (zh) * | 2019-09-30 | 2021-03-30 | 庞巴迪公司 | 使用滑模控制和反馈线性化的飞机控制系统和方法 |
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