三旋翼無人機在運動甲板上的著艦控制研究

陳懷民, 段曉軍, 韓源

(西北工業大學 無人機特種技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710065)

三旋翼無人機在運動甲板上的著艦控制研究

陳懷民, 段曉軍, 韓源

(西北工業大學 無人機特種技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710065)

在無人機著艦最后階段,艦船的甲板運動嚴重威脅著無人機的著艦安全,其中,沉浮和橫搖運動威脅最大。為了使無人機能夠安全著艦,研究了在運動甲板上著艦的控制策略,該控制策略可以有效減少甲板沉浮和橫搖運動對安全著艦的影響。它通過測量艦船的橫搖和沉浮運動,并根據測量的歷史數據預測未來2～3 s內著艦時的狀態,再配置以穩定的下降控制,使無人機實現安全著艦。另外,為了控制觸艦時飛機與甲板之間的相對垂直速度,采用了2種速率控制方法進行了仿真比較。經過仿真分析驗證,該控制策略下,2種下降控制方法都能使著艦時的性能指標符合要求。

三旋翼無人機；著艦/高度控制策略；控制器；MATLAB

艦船在海面上受到風浪影響會出現六自由度隨機復雜的運動——縱擺、縱蕩、沉浮、橫搖、橫蕩和艏搖運動,且其運動響應會隨著海況等級的提高而加大,對無人機的著艦安全威脅非常大。其中橫搖和沉浮運動對著艦安全威脅最大,所以基于機器視覺著艦的無人機必須能夠測量艦船的橫搖和沉浮運動,并且根據測量的歷史數據信息預測未來2～3 s著艦時的艦的運動,再配置以快速、穩定的著艦控制,才能夠實現安全著艦。

目前研究最多的艦載無人機是固定翼無人機,對固定翼無人機著艦的控制策略研究也比較成熟,而對垂直起降無人機著艦研究較少。垂直起降無人機基于其垂直起降、定點懸停、操作靈活、低空低速飛行等優點,大規模應用到艦載機的潛力非常大。因此,本文研究三旋翼無人機在運動甲板上的著艦控制策略。

1 坐標系的選取

這里我們介紹本文中用到的三旋翼無人機和艦船的坐標系的選取,以便于后續進行控制仿真。建立飛機的數學模型時,必須使用合適的坐標系來描述飛機的空間運動的各種狀態參數。這里,飛機的模型建立采用的是機體坐標系,艦船采用的也是機體坐標系,均采用機體的質心點為坐標原點, 質心和機頭和船頭方向連接線為縱軸正方向。與縱軸垂直,從質心向右為橫軸正方向。通過質心點,與縱軸和橫軸都垂直,并且向上為垂直軸正方向[1]。

著艦控制仿真時采用導航坐標系來研究無人機和艦船之間的相對運動。在這里,我們不對它們之間的轉換作詳細推導,直接給出它們之間的轉換矩陣,如下式所示

所以,機體坐標系下的向量qbody如果要轉換成為其對應的導航坐標系下的向量qnavigation就可以使用如

下式所示的公式進行轉換。

qnavigation=Rqbody

2 抗艦船橫搖/沉浮的著艦控制策略

要想具有實用價值,無人機要有具備在4級海況下安全降落到目標艦船上的能力。在抗艦船橫搖/沉浮方面,本文參考了加拿大RAST、法國的薩馬赫210和英國魚叉直升機助降裝置,無人機至少需要實現在艦船±15°橫搖情況下的起降才能夠達到實用。

針對沉浮和橫搖2種運動對著艦的影響,我們采取如下的控制策略[5,7]:

1) 無人機飛臨甲板著艦點正上方懸停,下降開始前對著艦中心點的沉浮運動進行跟蹤以確保無人機與甲板之間的高度一致,隨時準備下降;

2) 通過預估橫搖運動確定最佳的著艦下降時機;

3) 當甲板橫搖運動預估器預估到橫搖角為零時,觸發無人機開始最后階段下降過程,保證與甲板接觸時艦船的橫搖角為零,實現安全著艦。

為了后續對著艦仿真結果進行分析,檢驗上述著艦策略是否合理,我們根據目標艦船甲板的情況,并參考了大量文獻以及其他一些型號飛機的指標要求,提出如下的著艦技術指標[4]:

1) 觸艦瞬間,無人機與艦船甲板的相對速度不超過1.5 m/s;

2) 無人機能容忍艦船±15°橫搖;

3) 著艦瞬間,無人機與甲板平面的相對傾角不超過5°。

3 下降著艦控制

根據上述的著艦控制策略,我們采用橫搖運動預估器確定最佳著艦時機,預估器能夠預估的時間即是下降所需的時間。又由于預估器預估的時間越長,預估的誤差就會越大,因此,我們這里僅采用2 s預估器進行預估。由于預估的時間較短,為了使觸艦瞬間無人機與甲板的相對速度滿足要求,我們將高度的下降過程分為3個階段:

下降第1階段 無人機到達甲板著艦點正上方15 m后開始以一定的速率勻速下降到著艦點正上方3 m處。

下降第2階段 無人機在甲板著艦點正上方3 m處懸停,并開始跟蹤甲板沉浮運動,與著艦點之間保持高度一致。

下降第3階段 當橫搖運動預估器預估到2 s后甲板橫搖角為零時,觸發無人機開始以一定的下降速率著艦。并保證2 s后觸艦,使觸艦時與甲板的相對速度小于1.5 m/s。

3.1 下降第1階段

本文采取的下降第1階段為無人機從甲板著艦點正上方15 m處以一定的速率緩慢勻速下降到3 m高處,其下降速率控制律為

式中，hcur為飛機的當前高度,hpre為下降起始高度(15 m),t為當前時刻,t1為下降起始時刻。

3.2 下降第2階段

將飛機的實際高度與預期高度進行比較,當有誤差時,通過改進PD控制實現高度的穩定[2]。

由于三旋翼在跟蹤甲板沉浮運動過程中會產生一定的滯后現象,所以我們采取預估補償的方法來提高跟蹤的精度[6],如圖1所示。

圖1 跟蹤沉浮運動框圖

3.3 下降第3階段

第3階段是最關鍵的一個下降階段。由橫搖運動預估器確定無人機的最佳著艦時機,在預估器預測到2 s后甲板橫搖角為零時,立即啟動無人機第3階段下降模態進行下降著艦,使飛機能夠在2 s的時間內下降到指定著艦點。

為了控制觸艦時飛機與甲板之間的相對垂直速度,我們采用2種速率控制方法來進行仿真比較。即下降速率是高度的函數和下降速率是時間的函數2種控制方法[3]。

3.3.1 下降速率控制是高度的函數

為了使下降速度能夠隨高度降低而成比例減小,確保觸艦速率符合指標要求(不大于1.5 m/s),我們采用下降速率與下降高度成正比的指數下降規律[8]。

在我們華夏民族悠久的陶瓷文化歷史里，各式各樣的陶瓷作品層出不窮，其中各種彩類更是五花八門。而生活陶藝也是眾多陶瓷作品中的一種，也是離普通老板姓接觸最多的一種。據考證，在江西省萬年仙人洞中，就有考古學家發現過遠古時期的生活陶藝殘片，在這些殘片周圍還留下木炭化石的痕跡，可以斷定這就是曾經生活在這里的遠古人生活中儲存食物的器皿。而另一種時代久遠的生活陶藝就是——彩陶，我們現在還能在博物館里看到我們祖先所留下的這種文化遺產，這種彩陶出現在我國黃河流域。

指數下降規律的速率控制律為

圖2 飛機高度與著艦點高度變化比較圖

圖2為飛機實際高度變化與著艦點高度變化圖。從圖2中可以看出,飛機先是在著艦點上方15 m處懸停,然后勻速下降至3 m高處,在197.98 s時刻之前一直在3 m高處跟蹤艦船沉浮運動,在197.98 s時橫搖運動預估器預估到2 s后橫搖角為零,啟動第3階段下降著艦,在200.04 s時飛機觸艦,用時約2.06 s。

圖3為無人機與艦船著艦點之間的垂向相對速度,從圖中可見,第3下降階段,速度逐漸增大然后再減小的過程,在觸艦瞬間,垂向相對速度為0.954 5 m/s,符合前述的不大于1.5 m/s的著艦安全指標。

圖3 無人機與艦船的垂向相對速度

圖4 2 s預估器預估結果

圖4為艦船橫搖角2 s預估器的預估結果比較圖,從圖中可見,2 s預估器的預估效果很好,觸艦瞬間,艦船甲板橫搖角為1°,符合不大于5°的著艦安全指標。

3.3.2 下降速率控制是時間的函數

為了使觸艦時的相對速度符合要求,第2種方法我們采用飛機的下降速度是時間的函數,總下降時間tfall=2 s,在下降過程中飛機先加速再減速,在tfall/2時達到最大速度vhmax,然后開始減速,使觸艦時的速度為零。

根據上述要求,我們可以得到下降速度需要滿足的條件

滿足上述條件的速度方程為

由下降速度和高度之間的積分關系可以得到

下降時間tfall=2 s,下降起始高度h=3 m, 可以求得最大下降速度vhmax=3.26 m/s。

圖5 下降高度與著艦點高度變化比較圖

由圖5可見,同樣在197.98 s時橫搖運動預估器預估到2 s后橫搖角為零,在200.1 s時飛機觸艦,用時約2.12 s。

由圖6可見,觸艦時的速度為1.046 8 m/s,也符合前述的不大于1.5 m/s的著艦安全指標。但是

根據仿真圖可見,第1種方案對下降時間以及觸艦速度的控制更好些。

圖6 相對垂向速度變化

4 結 論

本文提出了一種三旋翼無人機在運動甲板上的著艦控制策略以及安全著艦的控制指標,在指標的控制下,設計了最后著艦過程的下降控制律,并在MATLAB/SIMULINK下做了仿真驗證,通過仿真分析得知,該策略是可行的。對最后一個階段的控制采用了2種方法進行比較,得出第一種方案更佳一些。

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Researchon the Control of Tri-Rotor UAV Landing on Moving Deck

Chen Huaimin, Duan Xiaojun, Han Yuan

(National Key Laboratory of Special Technology on UAV, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710065, China)

In the final stages of landing, the deck motion becomes a serious threat to the safety of landing. Among them, the greatest threat is the heave and roll motion of deck.In order to be capable of accurately secure landing, we studied the control strategy of landing on moving deck,the control strategy can effectively reduce the impact of decks heave and rolling motion on the safety landing. By measuring the deck′s roll and heave motion, and predict the ship motion information within the next 2～3 seconds based on historical datas,only in this way it can be able to secure landingwith configured stablelanding control.In addition, in order to control the relative vertical velocity between the UAV and the deck when touching the ship, we used two rate control methods for simulation comparison. After simulation analysis and verification, with this control strategy, the two rate control methods all can make the landing performance meet the requirements.

tri-rotor UAV; landing/altitude control strategy; controller;MATLAB

2016-04-02

陳懷民(1963—)，西北工業大學教授，主要從事飛行控制與仿真技術研究。

V249

A

1000-2758(2016)06-1040-05