一种无人机空中对抗机动控制器及其设计方法技术

本申请提供了一种无人机空中对抗机动控制器设计方法，所述方法包括：根据无人机空中对抗战术语义，将无人机空中对抗分解为中远距空中对抗和近距空中对抗；在中远距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，所述水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，所述垂直机动用于控制无人机相对于地面坐标系的爬升角；在近距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为对称平面内机动和垂直对称平面机动，所述对称平面内机动通过改变过载来控制目标在本机对称平面内的投影与本机机头指向所构成的角度，所述垂直对称平面机动通过滚转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机空中对抗机动控制器及其设计方法


[0001]本申请属于无人机控制
，特别涉及一种无人机空中对抗机动动作控制器及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着无人化、智能化技术的发展，无人空中对抗正在成为各国研究的热点，想要实现无人控制下的飞行器自主空中对抗，必须设计相应的机动控制器来控制飞机按照相应的战术动作进行飞行，以达到与敌机博弈的战术目的。
[0003]无人机自主空中对抗算法通常由顶层感知决策算法和底层机动控制算法组成，顶层感知决策算法负责分析处理当前的空中对抗态势，并根据当前态势做出战术决策，底层机动控制器则作为下一层级的执行机构，根据顶层决策感知做出的决策飞出相应的机动动作。机动控制器是连接顶层决策和底层控制设备的接口，顶层感知决策算法只能在机动控制器提供的动作空间内进行决策选择。因此机动控制器的设计对无人机自主空中对抗算法的整体能力会产生至关重要的影响。
[0004]空中对抗机动控制器提供的动作空间不能过于复杂，太过复杂会给顶层感知决策算法的设计与训练带来很大难度；同时其提供的动作空间也不能过于简单，过于简单的机动形式会导致飞行器不灵活。因此，机动控制器需要在复杂性和灵活性上做出权衡，既给顶层感知决策算法提供足够灵活的决策动作空间，又不能降低顶层感知决策算法到设计或训练难度。
[0005]传统的无人机空中对抗机动控制器通常采用专家机动动作库的模式进行设计，即将机动动作空间分解为离散的“拦射”、“偏置”、“半滚倒转”、“高速摇摇”、“低速摇摇”等机动动作，再通过每个机动动作的参数来确定机动的具体形式。但这种将机动动作库进行离散化的方式，灵活性差，不能组合出类似人类飞行员灵活的飞行轨迹，也就很难达到影人满意的战术效果。

技术实现思路

[0006]本申请的目的是提供了一种无人机空中对抗机动控制器及其设计方法，以解决或减轻
技术介绍
中的至少一个问题。
[0007]一方面，本申请的技术方案是：一种无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述方法包括：
[0008]根据无人机空中对抗战术语义，将无人机空中对抗分解为中远距空中对抗和近距空中对抗；
[0009]在中远距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，所述水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，所述垂直机动用于控制无人机相对于地面坐标系的爬升角；
[0010]在近距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为对称平面内机动和垂直对
称平面机动，所述对称平面内机动通过改变过载来控制目标在本机对称平面内的投影与本机机头指向所构成的角度，所述垂直对称平面机动通过滚转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。
[0011]进一步的，在中远距空中对抗中，所述相对航向表征无人机在当前态势下是选择进攻还是防守。
[0012]进一步的，在中远距空中对抗中，除了需要确定机动的目标方向外，还需要确定机动烈度，所述机动烈度体现无人机对当前空中对抗态势紧急程度的认知，通过机动过程的过载指令体现机动烈度战术语义。
[0013]进一步的，所述垂直机动体现敌我双方在能量域上的博弈，爬升将减少飞机动能，俯冲将增加飞机动能，同时俯冲也能更快降低敌方导弹的能量。
[0014]进一步的，在中远距空中对抗中，执行水平机动和垂直机动战术语义时，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制。
[0015]进一步的，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制的过程包括：
[0016]控制无人机以给定的过载和爬升角转弯，转到给定航向后，保持航向和爬升角，这个过程分为两个阶段：
[0017]第一阶段——航向开环控制阶段，中远距空中对抗机动控制器同时响应过载指令和爬升角指令，控制无人机以某个给定的爬升角转弯，此阶段实现了过载和爬升角的同时控制；
[0018]第二阶段——航向闭环控制阶段，当本机航向与给定航向小于给定阈值时，认为无人机完成转弯，进行航向闭环控制，此时同时响应航向和爬升角指令。
[0019]进一步的，在无人机中远距空中对抗实现过载和爬升角的同时控制中，利用如下公式的滚转角控制爬升角：
[0020][0021]其中，是滚转角指令，γ
c
是爬升角指令，γ是爬升角，T
γ
是期望的等效爬升角速率响应时间常数，n
c
是过载指令，V是空速，g是重力加速度。
[0022]进一步的，所述对称平面内机动和垂直对称平面机动基于本机机体轴坐标系的目标相对位置进行控制，所述近距空中对抗的输入为：
[0023]a)目标在本机对称面内投影与本机机头指向所构成的角度期望值ρ
c
；
[0024]b)目标与本机对称平面所构成角度的期望值σ
c
[0025]所述近距空中对抗的输出为飞机过载指令和滚转角速度指令。
[0026]进一步的，基于本机机体轴坐标系的目标相对位置控制包括如下步骤：
[0027]1)相对坐标计算
[0028]通过从地面坐标系到机体坐标系的变换，求得目标位置在本机机体轴坐标系下的坐标，公式如下：
[0029][0030]其中，x
r
、y
r
、z
r
是目标机位置在本机机体坐标系下的坐标，x
t
、y
t
、z
t
是目标机位置在地面坐标系下的坐标，x
m
、y
m
、z
m
是本机位置在地面坐标系下的坐标，G
be
是xx。
[0031]2)对称平面内控制
[0032]计算目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角ρ：
[0033][0034]根据与指令角度的偏差，解算出所需要的过载指令增量大小Δnc：
[0035]Δn
c
＝K
n
*(ρ
c
‑
ρ)
[0036]其中，ρ
c
是目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角期望指令，Kn是过载通道比例系数。
[0037]3)垂直对称平面内控制
[0038]求得目标机与本机对称平面所构成的角度μ：
[0039][0040]根据目标机与本机对称平面期望的角度指令，利用比例控制解算出本机滚转角速度指令p
c
：
[0041]p
c
＝K
p
*μ
[0042]其中，K
p
是滚转通道比例控制系数，P
c
是绕速度轴滚转的角速率指令。
[0043]另一方面，本申请提供了一种无人机空中对抗机动控制器，所述控制器包括中远距空中对抗机动控制器和近距空中对抗机动控制器，所述中远距空中对抗机动控制器和近距空中对抗机动控制器按照如上任一所述的无人机空中对抗机动动作控制器设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述方法包括：根据无人机空中对抗战术语义，将无人机空中对抗分解为中远距空中对抗和近距空中对抗；在中远距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，所述水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，所述垂直机动用于控制无人机相对于地面坐标系的爬升角；在近距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为对称平面内机动和垂直对称平面机动，所述对称平面内机动通过改变过载来控制目标在本机对称平面内的投影与本机机头指向所构成的角度，所述垂直对称平面机动通过滚转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。2.如权利要求1所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在中远距空中对抗中，所述相对航向表征无人机在当前态势下是选择进攻还是防守。3.如权利要求2所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在中远距空中对抗中，除了需要确定机动的目标方向外，还需要确定机动烈度，所述机动烈度体现无人机对当前空中对抗态势紧急程度的认知，通过机动过程的过载指令体现机动烈度战术语义。4.如权利要求1所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述垂直机动体现敌我双方在能量域上的博弈，爬升将减少飞机动能，俯冲将增加飞机动能，同时俯冲也能更快降低敌方导弹的能量。5.如权利要求1至4中任一所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在中远距空中对抗中，执行水平机动和垂直机动战术语义时，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制。6.如权利要求5所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制的过程包括：控制无人机以给定的过载和爬升角转弯，转到给定航向后，保持航向和爬升角，这个过程分为两个阶段：第一阶段——航向开环控制阶段，中远距空中对抗机动控制器同时响应过载指令和爬升角指令，控制无人机以某个给定的爬升角转弯，此阶段实现了过载和爬升角的同时控制；第二阶段——航向闭环控制阶段，当本机航向与给定航向小于给定阈值时，认为无人机完成转弯，进行航向闭环控制，此时同时响应航向和爬升角指令。7.如权利要求6所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在无人机中远距空中对抗实现过载和爬升角的同时控制中，利用如下公式的滚转角控制爬升角：其中，是滚转角指令，γ
c
是爬升角指令，γ是爬升角，T
γ
是期望的等效爬升角速率响应时间常数，n<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊男，郝一行，孙智孝，卢长谦，彭宣淇，朴海音，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：