一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，屬于艦載機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)的【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明根據(jù)無(wú)人機(jī)初始航向信息、位置信息確定捕獲階段基準(zhǔn)航跡，考慮甲板運(yùn)動(dòng)的影響確定跟蹤階段基準(zhǔn)航跡，采用直接視線法獲取捕獲階段航跡誤差，采用坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化法得到跟蹤階段航跡誤差；根據(jù)航跡誤差計(jì)算縱向、橫向控制信號(hào)指令值，引導(dǎo)艦載無(wú)人機(jī)沿基準(zhǔn)航跡飛行。本發(fā)明提供的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法可實(shí)現(xiàn)性和可操作性高，提高了無(wú)人機(jī)在特定著艦環(huán)境下的著艦性能，并且在著艦跟蹤階段引導(dǎo)算法中直接引入甲板運(yùn)動(dòng)，避免在控制器中加甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器，降低飛控系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高著艦系統(tǒng)的可靠性。
【專利說(shuō)明】一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，屬于艦載機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]由于艦載無(wú)人機(jī)在未來(lái)海戰(zhàn)中的廣闊應(yīng)用前景，各海軍強(qiáng)國(guó)已將其列為面向未來(lái)大中型艦艇的重要裝備之一。目前，大多數(shù)艦載無(wú)人機(jī)從起飛到降落的整個(gè)飛行階段均通過(guò)遙控設(shè)備來(lái)保證穩(wěn)定性和可控性。隨著科技的不斷發(fā)展，海軍強(qiáng)國(guó)要求艦載無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行自主/自動(dòng)起飛、降落，因此對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦技術(shù)的研究顯得尤其重要，其關(guān)鍵技術(shù)是引導(dǎo)無(wú)人機(jī)使其精確著艦回收。由于艦載無(wú)人機(jī)的研究正處于起步階段，且因?yàn)榧夹g(shù)不公開等原因，國(guó)內(nèi)外在這一方面公開報(bào)道的研究成果較少。
[0003]就無(wú)人機(jī)引導(dǎo)而言，典型的陸基無(wú)人機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)，通常針對(duì)目標(biāo)著陸區(qū)設(shè)定最優(yōu)航跡，設(shè)計(jì)控制器精確跟蹤該航跡。然而，艦基無(wú)人機(jī)和陸基無(wú)人機(jī)所處的環(huán)境完全不同。在最后著艦階段，由于受甲板運(yùn)動(dòng)的影響，深海的艦船振蕩會(huì)導(dǎo)致理想著艦區(qū)域產(chǎn)生周期性位移，成為動(dòng)態(tài)目標(biāo)，如果最終的著艦區(qū)域沒有足夠的時(shí)間提前預(yù)測(cè)，那么，在最后階段無(wú)法設(shè)計(jì)出最佳的飛行路線。因此，在無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法設(shè)計(jì)時(shí)，為達(dá)到最佳的引導(dǎo)性能，需根據(jù)無(wú)人機(jī)進(jìn)場(chǎng)著艦的不同階段，設(shè)計(jì)不同的引導(dǎo)算法。
[0004]常規(guī)的引導(dǎo)算法，例如比例引導(dǎo)法、消除偏差法等幾乎都受限于目標(biāo)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化，如果動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，引導(dǎo)性能將顯著下降，此外，一般的智能引導(dǎo)方法仍存在計(jì)算量大、學(xué)習(xí)收斂速度慢的缺點(diǎn)，易增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，工程實(shí)現(xiàn)性較差。因此，設(shè)計(jì)實(shí)際易行，且能滿足著艦回收要求及著艦性能的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法具有非常重要的軍事意義和實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了基于直接視線法和坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化法的艦載無(wú)人機(jī)著艦弓I導(dǎo)方法。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，艦載無(wú)人機(jī)回收方式為撞網(wǎng)回收，無(wú)人機(jī)以恒定速度進(jìn)場(chǎng)著艦，航母直線航行，將艦載無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至著艦點(diǎn)的過(guò)程分成捕獲階段和跟蹤階段，捕獲階段以下滑道頂點(diǎn)為捕獲點(diǎn)，將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至捕獲點(diǎn)，跟蹤階段將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至回收網(wǎng)中點(diǎn)，具體包括如下步驟:
[0008]步驟A，根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)初始航向信息、位置信息確定捕獲階段基準(zhǔn)航跡，考慮甲板運(yùn)動(dòng)的影響確定跟蹤階段基準(zhǔn)航跡；
[0009]步驟B，采用直接視線法確定捕獲階段航跡誤差，采用坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化法確定跟蹤階段航跡誤差；
[0010]步驟C，航跡控制器根據(jù)步驟B確定的捕獲階段航跡誤差或跟蹤階段航跡誤差計(jì)算縱向、橫向姿態(tài)控制信號(hào)指令值；
[0011]步驟D，飛行姿態(tài)控制器根據(jù)接收到的縱向、橫向姿態(tài)控制信號(hào)指令值解算飛行控制律，得到縱向、橫向執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)；
[0012]步驟E，飛行姿態(tài)控制器將縱向、橫向執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱艦載無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)舵面、油門開度，控制艦載無(wú)人機(jī)沿著步驟A所述的捕獲階段基準(zhǔn)航跡或跟蹤階段基準(zhǔn)航跡飛行；
[0013]步驟F，實(shí)時(shí)檢測(cè)艦載無(wú)人機(jī)航跡信息及甲板運(yùn)動(dòng)信息，重復(fù)步驟B至步驟E。
[0014]作為艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟B中所述跟蹤階段航跡誤差采用坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化的方法確定，具體包括如下步驟:
[0015]步驟I，定義地理坐標(biāo)系{L}、動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系{F}，以{T，N, B}表示動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系{F}，所述動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系{F}原點(diǎn)為下滑道頂點(diǎn)，矢量T由下滑道頂點(diǎn)指向回收網(wǎng)中點(diǎn)、矢量N與矢量T水平面的投影垂直、矢量B由矢量T、N根據(jù)右手法則確定；
[0016]下滑道頂點(diǎn)指向回收網(wǎng)中點(diǎn)的矢量T:
[0017]T= (Pm-P0)`||(Pm-P0) ||—1，
【權(quán)利要求】
1.一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，艦載無(wú)人機(jī)回收方式為撞網(wǎng)回收，無(wú)人機(jī)以恒定速度進(jìn)場(chǎng)著艦，航母直線航行，將艦載無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至著艦點(diǎn)的過(guò)程分成捕獲階段和跟蹤階段，捕獲階段以下滑道頂點(diǎn)為捕獲點(diǎn)，將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至捕獲點(diǎn)，跟蹤階段將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至回收網(wǎng)中點(diǎn)，其特征在于，具體包括如下步驟: 步驟A，根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)初始航向信息、位置信息確定捕獲階段基準(zhǔn)航跡，考慮甲板運(yùn)動(dòng)的影響確定跟蹤階段基準(zhǔn)航跡； 步驟B，采用直接視線法確定捕獲階段航跡誤差，采用坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化法確定跟蹤階段航跡誤差； 步驟C，航跡控制器根據(jù)步驟B確定的捕獲階段航跡誤差或跟蹤階段航跡誤差計(jì)算縱向、橫向姿態(tài)控制信號(hào)指令值； 步驟D，飛行姿態(tài)控制器根據(jù)接收到的縱向、橫向姿態(tài)控制信號(hào)指令值解算飛行控制律，得到縱向、橫向執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)； 步驟E，飛行姿態(tài)控制器將縱向、橫向執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱艦載無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)舵面、油門開度，控制艦載無(wú)人機(jī)沿著步驟A所述的捕獲階段基準(zhǔn)航跡或跟蹤階段基準(zhǔn)航跡飛行； 步驟F，實(shí)時(shí)檢測(cè)艦載無(wú)人機(jī)航跡信息及甲板運(yùn)動(dòng)信息，重復(fù)步驟B至步驟E。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，其特征在于:步驟B中所述跟蹤階段航跡誤差采用坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化的方法確定，具體包括如下步驟: 步驟I，定義地理坐標(biāo)系{L}、動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系{F},以{T, N, B}表示動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系{F},所述動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系{F}原點(diǎn)為下滑道頂點(diǎn)，矢量T由下滑道頂點(diǎn)指向回收網(wǎng)中點(diǎn)、矢量N與矢量T水平面的投影垂直、矢量B由矢量T、N根據(jù)右手法則確定； 下滑道頂點(diǎn)指向回收網(wǎng)中點(diǎn)的矢量T:

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，其特征在于，步驟A中所述的捕獲階段基準(zhǔn)航跡確定方法為，根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)的初始位置、初始航向以及高度下降速度選取η個(gè)航路點(diǎn)，再由三次樣條插值或五次樣條插值法形成地理坐標(biāo)系下以第η航路點(diǎn)為起點(diǎn)的捕獲階段基準(zhǔn)航跡，η為自然數(shù)，η個(gè)航路點(diǎn)的選取具體如下: 步驟a,以捕獲點(diǎn)為第I航路點(diǎn)，在以捕獲點(diǎn)為起點(diǎn)的下滑道反向延長(zhǎng)線上選取第2、第3航路點(diǎn)，第I至第3航路點(diǎn)確定的線為航線AL，航線AL指向捕獲點(diǎn)，選取航線AL反向延長(zhǎng)線上與第3航路點(diǎn)距離為RAD的點(diǎn)作為第4航路點(diǎn)，RAD的取值大于最小轉(zhuǎn)彎半徑，將空間以平面S劃分為兩側(cè)區(qū)域，平面S過(guò)第3航路點(diǎn)且與航線AL在水平面上投影線垂直； 步驟b，根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)初始位置、回收網(wǎng)中點(diǎn)的位置關(guān)系選取其余航路點(diǎn): 步驟b-Ι，當(dāng)艦載無(wú)人機(jī)初始位置與回收網(wǎng)中點(diǎn)在同側(cè)區(qū)域時(shí)，根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)初始航向及高度下降速度選取其它k個(gè)參考航路點(diǎn)，n=k+4, 步驟b-2，當(dāng)艦載無(wú)人機(jī)初始位置與回收網(wǎng)中點(diǎn)不在同側(cè)區(qū)域且艦載無(wú)人機(jī)初始位置與平面S的距離小于RAD時(shí)，航路點(diǎn)生成器增加RAD的值以確保艦載無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)第4航路點(diǎn)，再根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)初始航向及高度下降速度選取其它k個(gè)參考航路點(diǎn)，n=k+4, 步驟b-3，當(dāng)艦載無(wú)人機(jī)初始位置與回收網(wǎng)中點(diǎn)不在同側(cè)區(qū)域且艦載無(wú)人機(jī)初始位置與平面S的距離大于RAD時(shí):僅在艦載無(wú)人機(jī)初始位置與第4航路點(diǎn)太近以至于無(wú)法經(jīng)過(guò)第4航路點(diǎn)時(shí)，航路點(diǎn)生成器減小RAD的取值以確保艦載無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)第4航路點(diǎn)，否則，RAD取值不變，此時(shí)，n=4。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，其特征在于，步驟b-1及步驟b-2中根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)初始航向及高度下降速度選取其它k個(gè)參考航路點(diǎn)的具體方法如下: 當(dāng)艦載無(wú)人機(jī)初始航向與航線AL的夾角在0°到180°之間時(shí)，在航線AL右側(cè)選取滿足最小轉(zhuǎn)彎半徑條件的其它k個(gè)參考航路點(diǎn)； 否則，在航線AL左側(cè)選取滿足最小轉(zhuǎn)彎半徑條件的其它k個(gè)參考航路點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)方法，其特征在于，步驟B中所述捕獲階段的航跡誤差由高度誤差和航向誤差組成，高度誤差由艦載無(wú)人機(jī)當(dāng)前的高度信息和基準(zhǔn)聞度息計(jì)算得到，航向誤差按照如下方法獲得: 步驟1，將所述捕獲階段基準(zhǔn)航跡離散化為路徑點(diǎn)序列，每?jī)蓚€(gè)航路點(diǎn)之間取f個(gè)點(diǎn)作為路徑點(diǎn),所述路徑點(diǎn)序列包括N個(gè)路徑點(diǎn)，N= (η-1).f+n, f為自然數(shù)； 步驟2，在地理坐標(biāo)系中，計(jì)算艦載無(wú)人機(jī)位置點(diǎn)到路徑點(diǎn)K的距離矢量B、路徑點(diǎn)K到路徑點(diǎn)K+1的距離矢量(?，K的初始值為1，I≤K〈N ;步驟3，計(jì)算艦載無(wú)人機(jī)位置點(diǎn)到路徑點(diǎn)K的距離矢量在路徑點(diǎn)K到路徑點(diǎn)K+1的距離矢量(?中的投影長(zhǎng)度DB，路徑點(diǎn)K到路徑點(diǎn)K+1的距離矢量(?的長(zhǎng)度CB，若DB < CB時(shí)，進(jìn)入步驟4，否則，K值加1，返回步驟2 ; 步驟4，將艦載無(wú)人機(jī)位置點(diǎn)到路徑點(diǎn)K的距離長(zhǎng)度LePS，K與基準(zhǔn)視線長(zhǎng)度Lpp比較:若LePS，K ^ Lpp,由路徑點(diǎn)K和艦載無(wú)人機(jī)位置點(diǎn)確定基準(zhǔn)航向角；否則，K值加1，繼續(xù)比較艦載無(wú)人機(jī)位置點(diǎn)到路徑點(diǎn)K的距離長(zhǎng)度LePS，K、基準(zhǔn)視線長(zhǎng)度Lpp ； 步驟5，基準(zhǔn)航向角X。與艦載無(wú)人機(jī)航向角X的差值即為航向誤差xOT。
【文檔編號(hào)】G08G5/02GK103700286SQ201310676506
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】鄭峰嬰, 龔華軍, 袁鎖中, 戴文正, 甄子洋, 江駒, 王新華, 周鑫 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)