無人直升機自主著艦的航線生成與跟蹤控制

摘 要：為實現無人直升機自主返航著艦，根據無人直升機與艦船的位置信息，設計了一種無人直升機自主生成返航航線的方法，并將生成的參考航線離散成路徑點，每個路徑點都包含了無人機直升機著艦返航要求達到的位置和速度信息。采用視線引導的方法設計了無人直升機制導律，內回路采用基于顯模型跟蹤與PID相結合的方法，實現了無人直升機對軌跡與速度的跟蹤控制。數值仿真表明所設計的系統具有良好的性能。

關鍵詞：無人直升機； 軌跡生成； 跟蹤控制； 自主著艦； 視線引導

中圖分類號：TN96?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）01?0005?04

0 引 言

無人駕駛直升機具有直升機能夠垂直起降、空中懸停、轉彎迅速靈活的優點，在配置了專門設備之后，就可以完成有人駕駛直升機無法執行的某些空中作業，又可完成固定翼無人駕駛飛機無法完成的某些任務。由于其占用面積小，起降方便靈活，特別適合艦載使用。美國的“火力偵察兵”于2006年實現了自主著艦[1]，而國內目前無人直升機自主著艦未見報道。

為了實現無人直升機自主著艦，文獻[1]提出了將著艦過程分為兩步，第一步是無人直升機自主返航接近艦船，直至位于艦船附近一固定點并與艦船同速同向飛行。第二步為無人直升機以水平側飛的方式飛行到甲板降落臺正上方，再選擇適當時機，相對于航行中的艦船垂直降落。文獻[1]在第一步中只考慮了無人直升機位于艦船正后方某一點處的著艦引導，并沒有提當無人直升機位于其他位置時的著艦引導方法。本文為了解決這個問題，參考文獻[2]提出的方法，對著艦引導的第一步——進場引導進行了研究。

為了實現無人直升機的進場引導，本文首先根據直升機目前的空間位置、速度、航向設定航路點，生成參考航線，基于視線制導的思想，形成引導指令，采用顯模型跟蹤與PID控制的方法設計了飛行控制系統，跟蹤參考航線，實現自主返航著艦。

1 無人直升機的著艦過程

根據文獻[2]提出的有人直升機著艦的過程，無人直升機著艦過程如下：首先根據無人直升機與艦船當前的空間位置、速度和航向信息，實時生成返航航路點，通過三次樣條插值法將航路點插補成一條平滑的參考航線，采用視線制導方法形成引導指令，通過飛行控制系統控制無人直升機跟蹤航線與速度指令，實現自主返航著艦。其結構如圖1所示。

文獻[2]中規定了直升機接近艦船的高度下降線，即美海軍規定的直升機著艦進場規范，因此本文無人直升機著艦返航接近艦船也采用該方式。無人直升機首先要以一個較快的速度到達進場線起始位置，并且速度控制在60 m/s以下，高度控制在122 m，為了控制航向為進場線的方向，無人直升機必須采用協調轉彎的方法轉彎。在進場時，必須同時控制速度緩慢減小，高度沿進場線下降，并保持無人直升機的姿態穩定。最終完成進場時，必須使無人直升機的速度方向與艦船速度方向一致，即無人直升機位于艦船附近一固定點并與艦船并行平飛。

2 無人直升機著艦參考航線的生成

本文的參考航線建立在艦船坐標系上，即坐標原點固定于艦船上，x軸為艦船行駛方向，y軸指向艦船右側，z軸指向艦船下方。艦船以一個固定的速度向前行駛，參考航線相對與艦船保持不變。

2.1 航路點的生成

航路點即為飛行器在空中飛行時必須跟蹤的一個點或一系列的點。這些跟蹤點在物理上必須是可實現的。

一般航路點包含三個部分，即航路點的位置信息、無人直升機在航路點附近時的速度信息和無人直升機通過航路點時的航向。因此航路點的生成應考慮6個方面：即無人直升機初始位置、無人直升機的最終位置、起始航向、航路的可行性與安全性以及無人直升機以要求速度接近航路點時的最小轉彎半徑和無人直升機接近艦船時的高度要求。

根據無人直升機的起始位置，航路點生成可分為3種情況，如圖2所示。圖2中，點AL1，AL2與AL3為與艦船固連的航路點，這三點連成的直線為下降線AL，下降線AL與x軸存在15°的進場角r。HL1過點AL1并與AL垂直，HL2平行于HL1。無人直升機在著艦的最后階段必須首先進入AL1點，然后沿著點AL1，AL2與AL3構成的航線進場著艦。根據無人直升機的初始位置的不同，將無人直升機返航區域分成A，B，C三個區域。無人直升機位于不同的區域，生成航路點不同。

當無人直升機位于A區域時，航路點生成器除了生成已有下降航路線上的點以外增加了3個點。這3個航路點放在進場線的哪一邊，取決于無人直升機的初始航向。當無人直升機航向在r～r+180°之間時，取R1，R2和F這3個航路點；當無人直升機航向在0～r和r+180°～360°之間時，取L1，L2和F這3個航路點。航路點R1，R2和L1，L2關于AL對稱。

當無人直升機位于B區域時，此時航路點生成器會增加“RAD”這段距離，使輔助線HL2下移。再與情況A一樣設置三個輔助航路點時，可使這三個輔助航路點進一步遠離直升機。這樣就能使直升機總能到達第二個航路點。

當無人直升機位于C區域時，如圖3所示，只設置一個航路點F且設置在下降線AL的延長線上，延長線的距離為“RAD”。當無人直升機起始位置與HL2太近時，航路點生成器會減小“RAD”這段距離，使直升機能經過航路點F。此航路點F設置目的是為了確定直升機具有正確的航線。

以起始位置為（-3 500，-2 000，-1 000）m，起始航向為50°，最小轉彎半徑取500 m時為例，此時直升機的起始位置位于C區域，生成的航路點如圖3所示。圖3中航路點AL1，AL3所連線段為進場線，航路點1為起點，航路點AL3為終點。航路點1，2所連線段的方向為起始航向。

2.2 參考航線的生成

為了將航路點連成一條光滑的曲線，可以采用插值函數。由于采用高階多項式的插值往往會產生病態的結果，本文就采用了三次樣條插值。

三次樣條插值是一種考慮到了各個航路點處的速度和加速度不能產生跳變，即無人直升機在接近航路點時的速度和加速度與離開航路點時的速度和加速度要相等的插值方法。在三次樣條插值中，要尋找三次多項式，以逼近每對航路點間的曲線，再通過約束航路點處的斜率和曲率是連續的，使得兩點確定惟一的三次多項式。因此，給定N個航路點，就會有N-1個三次多項式。

3 無人直升機著艦的軌跡跟蹤與控制

為了實現無人直升機對參考航線的跟蹤，采用視線法生成制導指令，采用顯模型跟蹤實現無人直升機對角速率的跟蹤，PID控制形成速度的控制。

3.1 視線導引法

在生成的參考航線上，每兩個航路點之取100個點作為路徑點，如圖5所示。圖5中無人直升機正位于路徑點1附近，而無人直升機的視線指向距離直升機為[LPP]的路徑點3，本文中就把視線的方向定位參考航向。再通過與反饋信號航跡偏轉角比較，通過PID控制顯模型的滾轉角和偏航角，通過協調轉彎來控制航向。