無人直升機艦面自動起飛控制技術研究

鮮 勇，單俊杰，賴水清

(1.海裝武漢局，湖北 武漢市 430064；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

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無人直升機艦面自動起飛控制技術研究

鮮 勇1，單俊杰1，賴水清2

(1.海裝武漢局，湖北 武漢市 430064；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

針對無人直升機艦面自動起飛的特點和需求，研究艦面自動起飛控制策略，設計艦面自動起飛軌跡控制，并通過仿真試驗進行驗證。

無人直升機；艦面自動起飛

0 引言

無人直升機不需要復雜的起飛與降落輔助設備，特別適合艦面起降，具有其它無人飛行器無可比擬的優勢。國內軍用及民用艦船對配備無人直升機的需求越來越多，主要用于執行海上偵察、反潛、監視、測繪和勘探等任務。無人直升機的海上使用首先需要解決艦面自動起降控制技術，其意義主要體現在以下幾個方面：

1) 艦面自動起降是無人直升機海上使用的關鍵，該功能的實現可擴大無人直升機海上使用的范圍；

2) 可降低艦船對無人直升機操作手的要求，克服無人直升機飛行中人的因素；

3) 可用于無人直升機的夜間與能見度差時的艦面自動起降，大大擴展無人直升機的使用時間范圍；

4) 可有效地避免人員傷亡，節約成本，降低無人直升機海上使用風險。

與陸地自動起降相比，無人直升機艦面自動起降難度大大增加，主要原因如下：

1) 艦船隨風浪搖擺和升沉。由于海上的風浪條件惡劣，整個艦船船體的運動復雜，主要為六自由度的平移與轉動：縱蕩、橫蕩、垂蕩(升沉)、縱搖、橫搖和搖艏運動，其中對無人直升機的自動起降影響較大的為縱搖、橫搖與升沉運動。

2) 艦面氣流紊亂。直升機的旋翼誘導下洗氣流與艦面的建筑結構以及甲板的海面側的流場復雜，此外由于風浪引起的艦體復雜運動也會造成艦面的氣流紊亂。

3) 海面氣象瞬息多變。遠洋航行的多變氣象威脅無人直升機的起降安全，無人直升機在執行任務前可能風平浪靜，執行任務后卻波濤洶涌、狂風暴雨。

因此，如何安全、魯棒地實現自動起降是艦載無人直升機飛行控制系統的關鍵。本文針對無人直升機艦面自動起飛控制進行設計與仿真驗證。

1 艦面自動起飛控制策略設計

無人直升機艦面自動起飛過程具體可以分為兩個階段：一是由艦面至脫離地效區的安全高度；二是由安全高度穩定爬升至懸停高度。其中需要解決三個關鍵問題：

1) 無人直升機離開艦面的時機選擇

由于艦面運動的復雜性，無人直升機艦面起飛過程較為困難，需要判斷可以起飛的時機。甲板運動時無人直升機起飛會疊加運動，通常甲板運動分為平移與轉動，應盡量避免在甲板轉動時起飛。在復雜海浪運動與大風環境下，甲板的轉動通常可以分解為各種頻率與振幅的正弦波疊加，通過判斷，在甲板振蕩零位時起飛，盡可能地緩解甲板轉動對無人直升機自動起飛的不利影響。如果無人直升機起飛時疊加著甲板的平移速度，因為甲板的平移速度可以限制，對其影響不大，通過帶速度反饋的位置控制，可消除起飛后的平移速度。

2) 離開艦面時總距不確定性問題

無人直升機的高度控制是通過總距操縱實現的。總距的大小決定了旋翼升力的大小，然而在離開艦面時總距的不確定將會影響離艦的安全性，所以要保證離艦時的適應性，需要采用總距前饋控制、高度反饋控制、時間約束保護/補償以及高度判斷等手段綜合處置。

3) 起飛過程兩個階段的銜接問題

無人直升機艦面自動起飛分為兩個階段，需要實現第一階段與第二階段的銜接平滑過渡，主要體現在速度的平滑和總距量平滑，即離地時總距通道前饋量的門限以及反饋通道的控制方式。

國外有些先進無人直升機已成功實現艦面自動起降，圖1、圖2分別為“S-100”及“火力偵察兵”無人直升機艦面自動起飛試驗。

圖1 “S-100”艦面自動起飛

圖2 “火力偵察兵”艦面自動起飛

參考國外無人直升機艦面自動起飛控制技術[1]，將艦面自動起飛設計為一個完整的模態。控制策略流程圖見圖3。具體控制策略如下：

1) 起飛準備，發動機達到額定轉速，進行靜息期判斷，滿足條件后接入速度保持和姿態保持，同時給定縱向周期變距，保證無人直升機離開艦面時與艦船速度保持同步；

2) 無人直升機以一定的速度增加配平總距，在增加總距的過程中，當高度大于設定值，表明無人直升機即將離地，此時高度通道接通升降速率反饋，進入下一步；

3) 無人直升機繼續以一定的速率增加配平總距，若高度大于另一設定值，表明無人直升機離地，接入高度反饋，并且停止增加配平總距，進入下一步；

4) 無人直升機向上爬升，當達到懸停高度完成穩定懸停后，自動起飛模態完畢。

圖3 無人直升機艦面自動起飛控制策略流程圖

2 艦面自動起飛控制指令設計

無人直升機艦面自動起飛接通條件是總距達到額定轉速,并判斷出起飛時刻艦船處于靜息期內；結束條件是達到懸停高度并完成穩定懸停。飛行軌跡設計如圖4所示。

圖4 無人直升機艦面自動起飛飛行軌跡

相應的控制指令設計如圖5-圖8所示。

圖5 縱向速度控制指令 圖6 縱向位移控制指令

圖7 垂直速度控制指令 圖8 高度控制指令

3 控制律仿真

在MATLAB環境下對艦面自動起飛控制律設計[2]進行仿真，分別設定垂直加速度為0.5m/s2和1m/s2，垂直爬升速度為1m/s、2m/s和3m/s，進行6種情況下的仿真。仿真結果表明控制律設計滿足指標要求(圖9-圖12)。

圖9 艦面自動起飛控制律仿真曲線1

圖10 艦面自動起飛控制律仿真曲線2

圖11 艦面自動起飛控制律仿真曲線3

4 半物理仿真試驗

以飛控計算機為核心，在半實物環境下對艦面自動起飛進行模擬試驗，分別對艦船不同航行速度和不同海況進行了仿真，試驗結果如圖13-圖16所示。

圖12 艦面自動起飛控制律仿真曲線4

圖13 艦面自動起飛半物理仿真曲線1

圖14 艦面自動起飛半物理仿真曲線2

圖15 艦面自動起飛半物理仿真曲線3

圖16 艦面自動起飛半物理仿真曲線4

5 結 論

通過半物理仿真試驗結果分析，并與控制律數字仿真結果進行對比，表明半物理仿真結果和控制律數字仿真結果一致，驗證了艦面自動起飛控制設計滿足要求。

[1] Elliott S, Jor W. Autonomous landing system for a UAV[R].ADA422364,2004.

[2] 薛定宇.反饋控制系統設計與分析[M].北京：清華大學出版社，2000.

Control Technique Research of Automatic Carrier Takeoff for Unmanned Helicopter

XIAN Yong1，SHAN Junjie1，LAI Shuiqing2

(1.Wuhan Military Representative Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China；2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

This paper aimed at the characteristics and requirements of automatic carrier takeoff for unmanned helicopter, the control strategy of unmanned helicopter automatic carrier takeoff was researched, then the design of automatic carrier takeoff track control was developed, finally the control strategy of automatic carrier takeoff was validated by simulation.

unmanned helicopter; autonomous carrier takeoff

2014-12-17

鮮 勇(1974-)，男，四川巴中人，碩士，工程師，研究方向無人直升機。

1673-1220(2015)01-029-05

V249.12； V279

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