本发明专利技术公开了一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统及方法，包括：GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块用于将GPS测得的信号输入，并以理想着舰点为原点的地面坐标系建立基准轨迹，最后输出信号；纵向引导律模块是以俯仰姿态作为内回路，通过抑制高度误差来实现飞行高度的控制；侧向引导律模块用于通过将指定的侧向位置信号与实际侧向位置相减得到误差信号，消除这一误差信号；飞行控制回路分为油门、升降舵、副翼、方向舵四个通道控制律模块。本发明专利技术实现了轨迹跟踪误差信号转化为姿态跟踪指令信号，通过自适应控制解决姿态跟踪问题，构成了无人机自动着舰引导与控制系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统及方法，属于飞行控 制、无人机着舰等
技术介绍
舰载无人机自动着舰问题一直是舰载机、无人机、飞行控制研究领域中的热点和 难点。2011年2月，美国海军高调宣布，一款能够从航母上起飞的新型无人机--X-47B无 人侦察攻击机完成首次试飞。X-47B无人战斗机将是世界上第一种陆基和航母都能使用的 无人侦察攻击机，由美国海军和空军共同参与研发。这一事件受到世界各国的广泛关注，标 志着舰载无人机的时代已经到来。 由于舰载无人机的着舰过程不仅要克服普通飞机着陆时都会面临的控制系统误 差、环境干扰影响，还要克服甲板运动对理想着舰点的影响、舰尾气流扰动对飞行轨迹的干 扰。更为重要的是，在着舰过程中要求自动着舰控制系统保持精确的着舰三维基准轨迹跟 踪，才能保证最终着陆在面积狭小的甲板跑道上或回收网中，因此，精确控制与制导是舰载 无人机实现成功着舰的关键技术。 然而，国外早在二十世纪五六十年代就对舰载飞机的相关技术展开研究，但是对 无人机着舰技术的研究起步较晚，可查到的文献甚少，对相关技术成果的公开报道也很少。 国内对舰载无人机的研究刚处于起步阶段，已有研究主要集中在对舰载无人机的着舰方案 设计，但对舰载无人机的精确飞行轨迹控制问题的研究鲜有报道。本课题组从事舰载飞机 着舰引导与控制技术研究已愈二十余载，取得了丰硕的研究成果。近年来，本课题组正重点 研究舰载无人机的引导与控制技术，实现了基于经典控制与非线性控制的着舰控制方案。 然而，上述控制方法的设计依赖于无人机的数学模型，而在实际应用中给设计带来一定难 度。 因此，本专利技术针对舰载无人机自动着舰三维轨迹精确跟踪问题，首次将模型参考 自适应控制应用于舰载无人机自动着舰系统中，使得飞控系统的设计不依赖于无人机模 型。采用SISO模型参考自适应控制理论，分别设计了升降舵、油门、副翼和方向舵控制通道 的自适应控制律。数值仿真结果表明，基于模型参考自适应飞行控制方法下的无人机具有 较精确的着舰轨迹跟踪性能。该专利技术的技术方法适用于固定翼无人机的撞网回收、跑道着 舰回收等场合。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种GPS引导的无人机自动着舰 自适应控制方法，以实现轨迹跟踪误差信号转化为姿态跟踪指令信号的目的。 为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案： 一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统，包括GPS引导基准轨迹生成与 轨迹误差计算模块、纵向引导律模块、侧向引导律模块以及飞行控制回路，其中， 所述GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块用于将GPS测得的信号输入，并 以理想着舰点为原点的地面坐标系建立基准轨迹，最后输出信号； 所述纵向引导律模块是以俯仰姿态作为内回路，通过飞机高度信息与期望高度信 号求差，得到高度误差信号，通过抑制高度误差来实现飞行高度的控制； 所述侧向引导律模块用于通过将指定的侧偏信号与实际侧偏信号相减得到误差 信号，消除这一误差信号，不断修正飞行轨迹； 所述飞行控制回路分为四个通道：油门控制通道控制律模块、升降舵控制通道控 制律模块、副翼控制通道控制律模块、方向舵控制通道控制律模块。 所述GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块的输入信号包括：GPS测得的飞 行高度H、垂向速率沒、地面坐标系下侧向位置y、侧向速率夕信号输入；输出信号包括：无人 机与基准下滑轨迹的高度差H ct、无人机与基准下滑轨迹的侧向偏距yCT、飞机下滑速度指令 V。、飞机侧滑角指令β。，其中，将无人机与基准下滑轨迹的高度差HJI出到纵向引导律模 块，无人机与基准下滑轨迹的侧向偏距5^输出到侧向引导律模块，飞机下滑速度指令V。输 出到油门控制通道，飞机侧滑角指令β。输出到方向舵控制通道。 所述纵向引导律模块内有α -β滤波器、a i滤波器、α 2滤波器，其传递函数表达 式为： 其中，T为采样周期； 其中α滤波器用来滤去高度误差信息!^中的噪声，β滤波器预估成,.的信息并经 <^滤波器再次滤波，最后经α 2滤波器对整个引导信息进行软化处理； 纵向引导律模块的输出信号为俯仰角指令信号。 所述侧向引导律模块内有α 滤波器、a i滤波器、α 2滤波器，其传递函数表达 式为： 其中，T为采样周期； 侧向引导律模块的输入信号为侧偏误差yCT，反馈信号为侧偏速率V ; 侧向引导律模块的输出信号为滚转角指令信号Φ。。 升降舵控制通道控制律模块的俯仰姿态自适应控制律为 CN 105138012 A m ~P 3/11 页 式中，迎角α，俯仰角q，俯仰角速率q，Ap匕为线性化模型中的相关系数，δ ε为 升降舵偏角，用于控制俯仰姿态，Λ表示相对于平衡值的增量，Pc，P1是配置的稳定极点；q。 为俯仰角指令信号；⑴?⑴人⑴]'为该通道的控制参数向量；p⑴为P *的估计值， Γ为常数矩阵，γ为常数， 油门通道控控制律模块的速度自适应控制律为 Λ δ T(t) = kjt) Λ V(t)+k2(t) Λ Vc(t) 式中，V为速度，δτ为油门开度，a2、b2为为线性化模型中的相关系数；？ 3是配置的 稳定极点，V。为速度指令；K(t) = T为该通道的控制参数向量；P (t)为P* 的估计值，Γ为常数矩阵，γ为常数，副翼控制通道控制律模块的滚转姿态自适应控制律为 式中，ρ为滚转角速率，Φ为滚转角，δ a为副翼偏角，A 3、b3为线性化模型中的相 关系数；p4是配置的稳定极点，Φ。为滚转角指令；为该通道的控制参数 向量；P (t)为P *的估计值，Γ为常数矩阵，γ为常数，。. 方向舵控制通道控制律模块的侧滑角自适应控制律为 式中，β为侧滑角，r为偏航角速率，δ ^为方向舵偏角，A4、b4为线性化模型中的相 关系数；p5是配置的稳定极点，β。= O为侧滑角指令；幻X) = [0U:(0f为该通道的控制 参数向量；P (t)为P *的估计值，Γ为常数矩阵，γ为常数， 一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制方法，包括如下步骤： (1)将GPS测得的飞行高度H、垂向速率_ V地面坐标系下侧向位置y、侧向速率夕 信号输入到GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块；GPS引导基准轨迹生成与轨迹误 差计算模块输出信号：将无人机与基准下滑轨迹的高度差出到纵向引导律模块，无人 机与基准下滑轨迹的侧向偏距yjl出到侧向引导律模块，飞机下滑速度指令V。输出到油 门控制通道，飞机侧滑角指令β。输出到方向舵控制通道； (2)以俯仰姿态作为内回路，通过飞机高度信息与期望高度信号求差，得到高度误 差信号，通过抑制高度误差来实现飞行高度的控制； (3)通过将指定的侧向位置信号与实际侧向位置信号相减得到误差信号，消除这 一误差信号，不断修正飞行轨迹； (4)基于SISO模型参考自适应控制方法，基于参数未知的无人机线性模型，设计 每个通道的自适应控制律。 本专利技术的有益效果是： 本专利技术针对舰载无人机自动自动着舰过程的三维基准轨迹跟踪问题，研究了着舰 基准轨迹的生成、纵向和侧向引导律设计以及基于自适应控制方法的飞行控制律设计等问 题。 基于SISO状态反馈输出跟踪模型参考自适应控制原理，对舰载无人机飞行控制 系统的四个控制通道分别设本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统，其特征在于：包括GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块、纵向引导律模块、侧向引导律模块以及飞行控制回路，其中，所述GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块用于将GPS测得的信号输入，并以理想着舰点为原点的地面坐标系建立基准轨迹，最后输出信号；所述纵向引导律模块是以俯仰姿态作为内回路，通过飞机高度信息与期望高度信号求差，得到高度误差信号，通过抑制高度误差来实现飞行高度的控制；所述侧向引导律模块用于通过将指定的侧向位置信号与实际侧向位置信号相减得到误差信号，消除这一误差信号，不断修正飞行轨迹；所述飞行控制回路分为四个通道：油门控制通道控制律模块、升降舵控制通道控制律模块、副翼控制通道控制律模块、方向舵控制通道控制律模块。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：甄子洋，王新华，江驹，杨一栋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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