RU2648556C2 - Способ управления движением летательного аппарата - Google Patents
Способ управления движением летательного аппарата Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648556C2 RU2648556C2 RU2016151070A RU2016151070A RU2648556C2 RU 2648556 C2 RU2648556 C2 RU 2648556C2 RU 2016151070 A RU2016151070 A RU 2016151070A RU 2016151070 A RU2016151070 A RU 2016151070A RU 2648556 C2 RU2648556 C2 RU 2648556C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- trajectory
- aircraft
- reference points
- matrix
- route
- Prior art date
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 24
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 8
- 238000012549 training Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
Landscapes
- Traffic Control Systems (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу управления движением летательного аппарата (ЛА), при котором производят предполетную подготовку ЛА с использованием математической модели ЛА, в ходе которой формируют исходные данные о динамических параметрах ЛА и опорных точках траектории определенным образом, формируют программную траекторию движения ЛА по опорным точкам, в процессе полета восстанавливают траекторию плавным переходом между опорными точками, осуществляют управление движением ЛА при помощи метода пропорционального сближения с учетом динамической коррекции программной траектории движения ЛА определенным образом при необходимости. Обеспечивается повышение точности и адекватности глобального и локального планирования траектории во время полета ЛА. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к области автоматического регулирования, и может быть использовано в системах высокоточного управления движением центра масс летательных аппаратов.
Известен способ управления движением воздушных объектов, включающий предполетную подготовку и формирование программной траектории движения летательного аппарата по опорным точкам (глобальное планирование траектории) с дальнейшим осуществлением в процессе полета восстановления траектории движения летательного аппарата плавным переходом между опорными точками (локальное планирование траектории). Сопряжение двух соседних прямолинейных разнонаправленных участков движения осуществляется дугой окружности (МПК G09B 9/00, авторское свидетельство СССР №991479, публ. 23.01.1983).
Недостатками этого способа являются:
- низкая точность глобального и локального планирования траектории движения летательного аппарата из-за игнорирования динамических свойств летательного аппарата;
- высокая вычислительная трудоемкость локального планирования траектории движения средствами бортовой системы управления из-за необходимости выполнения расчетов для каждой опорной точки траектории.
Известен также способ управления движением воздушного объекта, включающий предполетную подготовку и формирование программной траектории движения летательного аппарата по опорным точкам с дальнейшим осуществлением в процессе полета восстановления траектории движения летательного аппарата плавным переходом между опорными точками. Сопряжение двух соседних прямолинейных разнонаправленных участков движения осуществляется переходными кривыми, каждая из которых состоит из двух ветвей кубической параболы, сопряженных между собой дугой окружности или совмещенных непосредственно (МПК G01C 21/00, патент РФ №2419072, публ. 20.05.2011).
Способ имеет недостатки:
- низкая точность глобального и локального планирования траектории движения летательного аппарата из-за игнорирования динамических свойств летательного аппарата;
- высокая вычислительная трудоемкость локального планирования траектории движения средствами бортовой системы управления из-за необходимости выполнения расчетов для каждой опорной точки траектории.
Наиболее близким к заявленному способу является способ управления движением летательного аппарата, включающий предполетную подготовку с использованием математической модели летательного аппарата и формирование программной траектории движения летательного аппарата по опорным точкам с дальнейшим осуществлением в процессе полета восстановления траектории движения летательного аппарата плавным переходом между опорными точками. Причем в ходе предполетной подготовки из всего массива опорных точек сформированной программной траектории производится выбор нескольких узловых точек, в которых происходит смена знака любого из параметров летательного аппарата и их производных по времени с отрицательного на положительное значение и наоборот. Параметры выбранных точек до начала движения вводят в память бортового вычислительного устройства летательного аппарата в форме матрицы, при этом после начала движения участки заданной траектории между узловыми точками аппроксимируют с помощью кубического сплайна Эрмита, а управление движением летательного аппарата осуществляют при помощи метода пропорционального сближения (МПК G05D 1/00, F42B 15/00, патент РФ №2571567, публ. 20.12.2015).
Этот способ решает задачу глобального планирования траектории летательного аппарата с учетом динамических свойств летательного аппарата, однако его недостатками являются:
- низкая точность глобального и локального планирования траектории движения из-за использования приближенных численных методов математического моделирования динамических свойств летательного аппарата;
- неадекватность результатов глобального и локального планирования траектории движения из-за исключения части опорных точек из рассмотрения по причине их несоответствия требованиям, предъявляемым к узловым точкам;
- высокая вычислительная трудоемкость локального планирования траектории движения средствами бортовой системы управления из-за необходимости выполнения расчетов для каждой узловой точки траектории.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности и адекватности глобального и локального планирования траектории движения летательного аппарата в строгом соответствии с полетным заданием при снижении вычислительной трудоемкости восстановления траектории средствами бортовой системы управления.
Поставленная задача решается следующим образом.
В способе планирования траектории движения летательного аппарата, включающем предполетную подготовку с использованием математической модели летательного аппарата и формирование программной траектории движения летательного аппарата по опорным точкам с дальнейшим осуществлением в процессе полета восстановления траектории движения летательного аппарата плавным переходом между опорными точками, дополнительно выполняют в ходе предполетной подготовки до начала движения летательного аппарата формирование в памяти бортовой системы управления летательного аппарата исходных данных о динамических параметрах летательного аппарата и опорных точках траектории в форме матриц BASIS, ROUTE и COORD, а также формирование программной траектории движения летательного аппарата по матричной формуле y(t)=BASIS×(ROUTE-1×COORD), управление движением летательного аппарата в полете осуществляют при помощи метода пропорционального сближения, при необходимости, с учетом динамической коррекции программной траектории движения летательного аппарата по матричной формуле y(t)=BASIS×(ROUTE-1×COORD), где
Совокупность отличительных признаков заявляемого изобретения обеспечивает выполнение поставленной технической задачи.
Из изученной научно-технической и патентной информации авторам не известен способ с указанными в формуле изобретения отличительными признаками, это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям изобретения.
Заявленное изобретение поясняется фиг. 1, где показаны опорные точки траектории (T0…Tn) и программная траектория движения летательного аппарата с учетом динамической коррекции в полете (а - траектория, построенная в результате глобального планирования, б - траектория, построенная в результате локального планирования).
Способ осуществляется следующим образом.
В ходе предполетной подготовки, до начала движения по траектории, с использованием вычислительных средств бортовой системы управления или наземных средств баллистико-навигационного обеспечения полетов летательного аппарата:
1. По имеющейся приближенной математической модели летательного аппарата, представленной в виде однородного обыкновенного дифференциального уравнения n-го порядка или системы из n однородных дифференциальных уравнений первого порядка в форме Коши или в виде матрицы системы размерностью n×n, где n - порядок математической модели летательного аппарата, совпадающей с количеством опорных точек траектории, строится характеристический полином вида а 0+a 1s+a 2s2+…+sn, где a i - постоянные коэффициенты, 
, s - независимая переменная (параметр интегрального преобразования Лапласа).
Если порядок математической модели меньше количества опорных точек траектории, с использованием положений теории обыкновенных дифференциальных уравнений предварительно строится эквивалентная математическая модель летательного аппарата необходимой размерности.
2. Аналитическими методами вычисляются различные корни λ1, λ2, …, λр характеристического полинома а 0+a 1s+a 2s2+…+sn и их кратности m1, m2, …, mp, где λi - i-й корень полинома; mi - кратность i-го корня полинома; p - количество различных корней полинома.
3. Для частного случая простых корней характеристического полинома (n=p) 
, где 
- i-я базисная функция, соответствующая корню λi.
Для случая кратных корней полинома (n>p) матрица строится в порядке следования корней и возрастания номера корневой модификации базисной функции:
где 
; …; 
.
Т.е.: 
,
где 
, 
, 
;
4. Формируется маршрутная матрица ROUTE ∈ Rn×n=(ri,j), элементы которой вычисляются подстановкой планируемого времени прохождения опорных точек траектории в матрицу BASIS по формуле 
, , 
, где ti - планируемое время прохождения i-й опорной точки траектории.
5. Формируется матрица-столбец значений координат в опорных точках траектории на плоскости в порядке их следования COORD ∈ Rn×1=(ci,1), где ci,1=yi, 
.
6. Матрицы BASIS, ROUTE и COORD записываются в память вычислительных средств бортовой системы управления летательного аппарата.
7. Средствами бортовой системы управления осуществляется глобальное планирование траектории движения летательного аппарата единовременно для всех опорных точек траектории по матричной формуле
y(t)=BASIS×(ROUTE-1×COORD),
где y(t) - непрерывная функция от времени, проходящая через все опорные точки траектории и описывающая программную траекторию движения летательного аппарата с учетом динамических свойств летательного аппарата.
8. Функция y(t) записывается в память вычислительных средств бортовой системы управления летательного аппарата и является результатом глобального планирования траектории движения летательного аппарата.
После начала движения летательного аппарата по программной траектории движения средствами бортовой системы управления летательного аппарата осуществляется отслеживание в каждый рассматриваемый текущий момент времени t положения и компенсация с приемлемой точностью ухода центра масс летательного аппарата относительно программной траектории движения y(t) при соблюдении условий достижения минимальной методической ошибки управления и исключения «срыва» летательного аппарата с программной траектории.
В случае возникновения необходимости оперативного изменения программной траектории движения летательного аппарата в условиях полета с использованием вычислительных средств бортовой системы управления:
1. Корректируется маршрутная матрица ROUTE в части перевычисления значений элементов, у которых изменились параметры (время прохождения) опорных точек траектории 
, 
, 
, где ti - планируемое или фактическое время прохождения i-й опорной точки траектории.
Если время прохождения планируемой опорной точки траектории не изменилось либо опорная точка траектории на момент возникновения необходимости изменения программной траектории фактически была пройдена, то соответствующий элемент маршрутной матрицы ROUTE может не перевычисляться. Общее количество опорных точек траектории движения не должно изменяться.
2. Корректируется матрица-столбец значений координат в опорных точках траектории COORD в части изменения значений элементов, у которых изменились параметры (координаты) опорных точек траектории ci,l=yi, .
Если время координата опорной точки траектории не изменилась либо опорная точка траектории на момент возникновения необходимости изменения программной траектории фактически была пройдена, то соответствующий элемент матрицы COORD может не перевычисляться.
3. Откорректированные матрицы ROUTE и COORD записываются в память вычислительных средств бортовой системы управления летательного аппарата.
4. Средствами бортовой системы управления осуществляется локальное планирование траектории движения летательного аппарата единовременно для всех опорных точек траектории (планируемых и фактически пройденных) по матричной формуле
y(t)=BASIS×(ROUTE-1×COORD),
где y(t) - непрерывная функция от времени, проходящая через все опорные точки траектории (планируемые и фактически пройденные) и описывающая программную траекторию движения летательного аппарата с учетом текущей динамической коррекции.
8. Функция y(t) записывается в память вычислительных средств бортовой системы управления летательного аппарата и является результатом локального планирования траектории движения летательного аппарата.
Дальнейшее движение летательного аппарата по откорректированной программной траектории движения осуществляется аналогичным способом, как и после глобального планирования траектории.
Данный способ по сравнению с прототипом позволяет:
- использовать преимущества аналитического (точного) матричного метода и избавиться от влияния методических ошибок приближенных численных методов математического моделирования динамических свойств летательного аппарата, что повышает точность глобального и локального планирования траектории движения летательного аппарата;
- учитывать все опорные точки траектории движения летательного аппарата как в процессе предполетной подготовки, так и при динамической коррекции траектории после начала движения летательного аппарата, что обеспечивает полное соответствие (адекватность) результатов глобального и локального планирования траектории движения полетному заданию;
- выполнять математическое моделирование динамических свойств и расчет траектории движения летательного аппарата единовременно для всех опорных точек с помощью матричных вычислений без использования операций подстановок, решения алгебраических уравнений, прямого дифференцирования и приведения подобных членов, что снижает вычислительную трудоемкость локального планирования траектории движения средствами бортовой системы управления.
Использование изобретения в авиационной технике позволяет повысить топливную эффективность летательных аппаратов, сократить время и точность выполнения летательным аппаратом полетного задания за счет оптимального планирования траектории движения летательного аппарата как в ходе предполетной подготовки, так и в условиях полета.
Claims (2)
- Способ управления движением летательного аппарата, включающий предполетную подготовку с использованием математической модели летательного аппарата и формирование программной траектории движения летательного аппарата по опорным точкам с дальнейшим осуществлением в процессе полета восстановления траектории движения летательного аппарата плавным переходом между опорными точками, отличающийся тем, что в ходе предполетной подготовки до начала движения летательного аппарата выполняют формирование в памяти бортовой системы управления летательного аппарата исходных данных о динамических параметрах летательного аппарата и опорных точках траектории в форме матриц BASIS, ROUTE и COORD, а также формирование программной траектории движения летательного аппарата по матричной формуле y(t)=BASIS×(ROUTE-1×COORD), управление движением летательного аппарата в полете осуществляют при помощи метода пропорционального сближения, при необходимости, с учетом динамической коррекции программной траектории движения летательного аппарата по матричной формуле y(t)=BASIS×(ROUTE-1×COORD), где
- - блочная матрица-строка базисных функций, элементы которой вычисляются по формуле
,
,
; ROUTE ∈ Rn×n=(ri,j) - маршрутная матрица, элементы которой вычисляются подстановкой времени прохождения опорных точек траектории в матрицу BASIS по формуле
,
,
; COORD ∈ Rn×1=(ci,1) - матрица-столбец параметров опорных точек траектории, элементы которой соответствуют параметрам опорных точек траектории ci,1=yi,
; y(t1)=y1, …, y(tn)=yn - опорные точки траектории; y(t) - функция от времени, описывающая траекторию движения летательного аппарата; n - порядок математической модели летательного аппарата, который соответствует количеству опорных точек траектории; t1, …, tn - время прохождения опорных точек траектории; y1, …, yn - параметры опорных точек траектории; λ1, λ2, …, λp и m1, m2, …, mp - различные корни характеристического полинома однородного обыкновенного дифференциального уравнения, соответствующего математической модели летательного аппарата и их кратности; p - количество различных корней характеристического полинома.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016151070A RU2648556C2 (ru) | 2016-12-23 | 2016-12-23 | Способ управления движением летательного аппарата |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016151070A RU2648556C2 (ru) | 2016-12-23 | 2016-12-23 | Способ управления движением летательного аппарата |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016151070A RU2016151070A (ru) | 2017-04-21 |
| RU2648556C2 true RU2648556C2 (ru) | 2018-03-26 |
Family
ID=58642113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016151070A RU2648556C2 (ru) | 2016-12-23 | 2016-12-23 | Способ управления движением летательного аппарата |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2648556C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789560C1 (ru) * | 2022-10-08 | 2023-02-06 | Игорь Сергеевич Полющенков | Способ формирования траектории и устройство для его осуществления |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2042583C1 (ru) * | 1991-12-24 | 1995-08-27 | Летно-исследовательский институт им.М.М.Громова | Летно-моделирующий комплекс исследования посадочных систем летательных аппаратов корабельного базирования |
| WO2000065417A1 (en) * | 1999-04-23 | 2000-11-02 | Canadian Space Agency | Advanced ship autopilot system |
| US20090177339A1 (en) * | 2005-03-03 | 2009-07-09 | Chen Robert H | Optimization and Mechanization of Periodic Flight |
| RU2419072C2 (ru) * | 2009-06-01 | 2011-05-20 | ОАО "Муромский завод РИП" | Способ имитации траекторий движения воздушных объектов |
| RU2571567C2 (ru) * | 2013-11-14 | 2015-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ управления движением аэробаллистического летательного аппарата по заданной пространственной траектории |
-
2016
- 2016-12-23 RU RU2016151070A patent/RU2648556C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2042583C1 (ru) * | 1991-12-24 | 1995-08-27 | Летно-исследовательский институт им.М.М.Громова | Летно-моделирующий комплекс исследования посадочных систем летательных аппаратов корабельного базирования |
| WO2000065417A1 (en) * | 1999-04-23 | 2000-11-02 | Canadian Space Agency | Advanced ship autopilot system |
| US20090177339A1 (en) * | 2005-03-03 | 2009-07-09 | Chen Robert H | Optimization and Mechanization of Periodic Flight |
| RU2419072C2 (ru) * | 2009-06-01 | 2011-05-20 | ОАО "Муромский завод РИП" | Способ имитации траекторий движения воздушных объектов |
| RU2571567C2 (ru) * | 2013-11-14 | 2015-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ управления движением аэробаллистического летательного аппарата по заданной пространственной траектории |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789560C1 (ru) * | 2022-10-08 | 2023-02-06 | Игорь Сергеевич Полющенков | Способ формирования траектории и устройство для его осуществления |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016151070A (ru) | 2017-04-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Prempain et al. | Static H∞ loop shaping control of a fly-by-wire helicopter | |
| Horn et al. | Neural network-based trajectory optimization for unmanned aerial vehicles | |
| Phang et al. | Systems design and implementation with jerk-optimized trajectory generation for UAV calligraphy | |
| RU2571567C2 (ru) | Способ управления движением аэробаллистического летательного аппарата по заданной пространственной траектории | |
| RU2649287C2 (ru) | Способ планирования траектории движения летательного аппарата | |
| Lungu et al. | Landing auto‐pilots for aircraft motion in longitudinal plane using adaptive control laws based on neural networks and dynamic inversion | |
| Lungu et al. | Automatic control of aircraft in lateral‐directional plane during landing | |
| Cen et al. | Integrated flight/thrust vectoring control for jet-powered unmanned aerial vehicles with ACHEON propulsion | |
| RU2665820C1 (ru) | Способ управления движением летательного аппарата | |
| Wu et al. | Vision-based trajectory tracking control of quadrotors using super twisting sliding mode control | |
| Ivanov et al. | Method of spheres for solving 3D formation task in a group of quadrotors | |
| RU2648556C2 (ru) | Способ управления движением летательного аппарата | |
| Kaviyarasu et al. | Software in Loop Simulation based Waypoint Navigation for Fixed Wing UAV. | |
| CN113093776A (zh) | 一种航天器的离轨参数确定方法及装置 | |
| CN111290406A (zh) | 一种路径规划的方法、机器人及存储介质 | |
| Krasilshchikov et al. | Development of high speed flying vehicle on-board integrated navigation, control and guidance system | |
| DE102010027771B4 (de) | Vorrichtung und Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Steuerstrecke | |
| RU2768079C1 (ru) | Способ управления движением летательного аппарата | |
| Campos et al. | On the probability of collision for crossing aircraft | |
| De Lellis et al. | Adaptive algorithm for fixed wing UAV autolanding on aircraft carrier | |
| Liu et al. | Teaching Autonomous Vehicles to Express Interaction Intent during Unprotected Left Turns: A Human-Driving-Prior-Based Trajectory Planning Approach | |
| ES2395659A1 (es) | Método y sistema de guiado mediante control por derivada. | |
| Tsuchiya et al. | Real-time flight trajectory optimization and its verification in flight | |
| Liu et al. | Gaussian discretization-based non-uniform control vector parameterization for terminal constrained hypersonic unmanned system trajectory optimization | |
| Huang et al. | Study on 4D path planning and tracking controlling of UCAV in multiple constraints dynamic condition |