一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统。该系统包括着舰指令与下滑基准轨迹生成模块、引导律模块、自适应飞行控制模块；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块用于生成三维基准下滑轨迹信号、速度指令信号和侧滑指令信号，并将三维下滑基准轨迹信号输出给引导律模块，将速度指令信号输出给自适应飞行控制模块；引导律模块用于生成俯仰角指令和滚转角指令并将这两个制导指令输出给自适应飞行控制模块；自适应飞行控制模块用于利用多变量模型参考自适应控制算法生成无人舰载机的飞行控制信号。本发明专利技术自动着舰引导控制系统能够使无人舰载机高精度地跟踪下滑基准轨迹，从而成功地完成着舰任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统，属于航空飞行器控制

技术介绍
本专利中的“着舰”对于有人舰载机来说，通常是指跑道拦阻着陆，而对无人机来说，可以包括跑道拦阻着陆、撞网回收等多种方式。为满足航空母舰等军舰的需求，舰载机常用于目标打击、空中格斗、情报侦察、战场监视等战斗和保障活动任务。舰载机作为航母的重要武器力量，其关键技术是如何保障在十分恶劣的环境下安全准确着舰。由于着舰环境十分恶劣，母舰运动、舰尾气流等扰动作用都会对无人机着舰产生很大影响，极大增加了舰载机的着舰难度，严重影响了着舰安全。舰船在海上航行过程中，由于受海浪、海涌及风的影响，舰体将会产生纵摇、偏航、横摇、上下起伏等形式的甲板运动，导致舰船上的着舰点为三自由度活动点，严重影响着舰的难度以及安全性。海上多变的环境下，舰载机在舰船上着舰时，舰尾气流扰动也是影响其着舰性能的重要因素。在进场着舰段，随飞行速度的减小，飞行迎角一般都会超过临界迎角，处于速度不稳定区域，使保持飞行轨迹变得非常困难。现代有人舰载机已采取了诸多先进的着舰技术，但是面对十分恶劣、复杂的着舰环境，尚不能保证舰载机每一次都能顺利完成着舰任务。现有有人舰载机的自动着舰系统普遍存在以下不足：其一，传统自动着舰系统基本都是基于参数确定的舰载机数学模型设计的，但实际舰载机通常具有参数或者结构的不确定性；其二，传统自动着舰控制系统采用了单回路设计方法，将各个控制通道分开进行设计，忽略了纵横向运动量之间的耦合关系，而舰载机系统实际上是一种多变量多回路耦合的非线性系统；其三，传统自动着舰系统的控制器都是固定参数控制器，对系统和环境变化以及外部扰动都缺乏适应性受系统和环境的各种不确定性以及外部扰动影响很大。对于无人舰载机，目前还未见自动着舰系统相关技术的公开报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统，可使得无人舰载机安全精准地完成自动着舰。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统，包括着舰指令与下滑基准轨迹生成模块、引导律模块、自适应飞行控制模块；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块用于根据舰船与无人舰载机的相对位置和绝对位置信息，生成三维下滑基准轨迹信号和速度指令信号，并将三维下滑基准轨迹信号输出给引导律模块，将速度指令信号输出给自适应飞行控制模块；引导律模块用于根据无人舰载机当前的位置、速率信息以及三维下滑基准轨迹信号，生成俯仰角指令和滚转角指令并将这两个制导指令输出给自适应飞行控制模块；自适应飞行控制模块用于根据无人舰载机当前的状态信息、引导律模块输出的两个制导指令以及着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的速度指令和侧滑指令信号，利用多变量模型参考自适应控制算法生成无人舰载机的飞行控制信号。优选地，着舰指令与下滑基准轨迹生成模块的输入信号包括：舰船跑道或下滑道的方位角(ψS+λac)，其中ψS为舰船方位角，λac为斜角甲板夹角；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块的输出信号包括：速度指令Vc、侧滑指令βc＝0及下滑基准轨迹信号XEATDc(t),YEATDc(t),ZEATDc(t)；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块使用以下方法生成速度指令Vc及下滑基准轨迹信号XEATDc(t)、YEATDc(t)、ZEATDc(t)：捕获下滑道后，根据初始下滑高度-ZEA0、下滑角γc、下滑速度Vc，计算着舰时间td=ZEA0Vcsinγc]]>和下滑道长度RA=Vctd=ZEA0sinγc;]]>然后计算以理想着舰点为原点的地面坐标系下的三维下滑基准轨迹：XEATDc(t)=Vc(t-td)cosγccos(ψS+λac)YEATDc(t)=Vc(t-td)cosγcsin(ψS+λac)ZEATDc(t)=-HEATDc(t)=-Vc(t-td)sinγc.]]>优选地，引导模块的输入信号包括：无人舰载机当前位置坐标X(t)、Y(t)、H(t)，着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的三维下滑基准轨迹信号XEATDc(t),YEATDc(t),ZEATDc(t)；引导模块利用以下引导律生成俯仰角指令θc(t)和滚转角指令φc(t)：θc(t)=KPHer(t)+KDdHer(t)dt]]>φc(t)=KPYer(t)+KDdYer(t)dt]]>式中，Her(t)、Yer(t)分别为无人舰载机当前位置与三维下滑基准轨迹之间在H方向、Y方向上的误差，KP、KD为比例和微分控制参数。优选地，自适应飞行控制模块的输入信号包括：无人舰载机的四个纵向状态量——飞行速度V、迎角α、俯仰角速率q、俯仰角θ，五个横侧向状态量——侧滑角β、滚转角速率p、偏航角速率r、滚转角φ、偏航角ψ，引导律模块输出的制导指令俯仰角指令θc(t)和滚转角指令φc(t)，着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的速度指令Vc和侧滑指令βc＝0；自适应飞行控制模块的输出信号包括：油门开度ΔδT、升降舵偏角Δδe、副翼偏角δa、方向舵偏角δr；自适应飞行控制模块中的飞行控制律包括纵向和横侧向飞行控制律，通过以下方法设计得到：第一步、基于如下纵向线性模型：ΔV·Δα·Δq·Δθ·=AlonΔVΔαΔqΔθ+BlonΔδeΔδT]]>Δylon=10000001ΔVΔαΔqΔθ]]>判断传递函数矩阵的相对阶次，计算高频增益矩阵Kp保证其为非奇异；式中，Alon、Blon为纵向线性系统矩阵；第二步、根据传递函数矩阵的相对阶次，选取关联矩阵ξm,lon(s)，从而设计如下参考模型：Δym,lon(t)＝Wm,lon(s)[Δrlon](t)式中，Δrlon(t)＝[ΔVc,Δθc]T，第三步、计算纵向飞行控制律Δδe(t)ΔδT(t)=K1,lonT(t)ΔV(t)Δα(t)Δq(t)Δθ(t)+K2,lon(t)ΔVcΔθc(t)]]>其中，K2,lon(t)为在线更新的控制矩阵；第四步、基于如下横侧向线性模型β·p·r·φ·ψ·=Alatβprφψ+Blatδaδr]]>ylat=1000000010βprφψ]]>判断传递函数矩阵的相对阶次，计算高频增益矩阵Kp保证其为非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统，其特征在于，包括着舰指令与下滑基准轨迹生成模块、引导律模块、自适应飞行控制模块；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块用于根据舰船与无人舰载机的相对位置和绝对位置信息，生成三维下滑基准轨迹信号和速度指令信号，并将三维下滑基准轨迹信号输出给引导律模块，将速度指令信号和侧滑指令信号输出给自适应飞行控制模块；引导律模块用于根据无人舰载机当前的位置、速率信息以及三维下滑基准轨迹信号，生成俯仰角指令和滚转角指令并将这两个制导指令输出给自适应飞行控制模块；自适应飞行控制模块用于根据无人舰载机当前的状态信息、引导模块输出的两个制导指令以及着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的速度指令信号，利用多变量模型参考自适应控制算法生成无人舰载机的飞行控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人舰载机的自适应自动着舰引导控制系统，其特征在于，包括着舰指令与下滑基准轨迹生成模块、引导律模块、自适应飞行控制模块；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块用于根据舰船与无人舰载机的相对位置和绝对位置信息，生成三维下滑基准轨迹信号和速度指令信号，并将三维下滑基准轨迹信号输出给引导律模块，将速度指令信号和侧滑指令信号输出给自适应飞行控制模块；引导律模块用于根据无人舰载机当前的位置、速率信息以及三维下滑基准轨迹信号，生成俯仰角指令和滚转角指令并将这两个制导指令输出给自适应飞行控制模块；自适应飞行控制模块用于根据无人舰载机当前的状态信息、引导模块输出的两个制导指令以及着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的速度指令信号，利用多变量模型参考自适应控制算法生成无人舰载机的飞行控制信号。2.如权利要求1所述系统，其特征在于，着舰指令与下滑基准轨迹生成模块的输入信号包括：舰船跑道或下滑道的方位角(ψS+λac)，其中ψS为舰船方位角，λac为斜角甲板夹角；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块的输出信号包括：速度指令Vc、侧滑指令βc＝0及下滑基准轨迹信号XEATDc(t),YEATDc(t),ZEATDc(t)；着舰指令与下滑基准轨迹生成模块使用以下方法生成速度指令Vc及下滑基准轨迹信号XEATDc(t)、YEATDc(t)、ZEATDc(t)：捕获下滑道后，根据初始下滑高度-ZEA0、下滑角γc、下滑速度Vc，计算着舰时间td=ZEA0Vcsinγc]]>和下滑道长度RA=Vctd=ZEA0sinγc;]]>然后计算以理想着舰点为原点的地面坐标系下的三维下滑基准轨迹：XEATDc(t)=Vc(t-td)cosγccos(ψS+λac)YEATDc(t)=Vc(t-td)cosγcsin(ψS+λac)ZEATDc(t)=-HEATDc(t)=-Vc(t-td)sinγc.]]>3.如权利要求1所述系统，其特征在于，引导律模块的输入信号包括：无人舰载机当前位置坐标X(t)、Y(t)、H(t)，着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的三维下滑基准轨迹信号XEATDc(t),YEATDc(t),ZEATDc(t)；引导模块利用以下引导律生成俯仰角指令θc(t)和滚转角指令φc(t)：θc(t)=KPHer(t)+KDdHer(t)dt]]>φc(t)=KPYer(t)+KDdYer(t)dt]]>式中，Her(t)、Yer(t)分别为无人舰载机当前位置与三维下滑基准轨迹之间在H方向、Y方向上的误差，KP、KD为比例和微分控制参数。4.如权利要求1所述系统，其特征在于，自适应飞行控制模块的输入信号包括：无人舰载机的四个纵向状态量——飞行速度V、迎角α、俯仰角速率q、俯仰角θ，五个横侧向状态量——侧滑角β、滚转角速率p、偏航角速率r、滚转角φ、偏航角ψ，引导律模块输出的制导指令俯仰角指令θc(t)和滚转角指令φc(t)，着舰指令与下滑基准轨迹生成模块输出的速度指令Vc和侧滑指令βc＝0；自适应飞行控制模块的输出信号包括：油门开度ΔδT、升降舵偏角Δδe、副翼偏角δa、方向舵偏角δr；自适应飞行控制模块中的飞行控制律包括纵向和横侧向飞行控制律，通过以下方法设计得到：第一步、基于如下纵向线性模型：ΔV·Δα·Δq·Δθ·=AlonΔVΔαΔqΔθ+BlonΔδeΔδT]]>Δylon=10000001ΔV...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄子洋，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