[發(fā)明專利]一種基于預(yù)演機(jī)動(dòng)規(guī)則系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)近距格斗決策方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710617458.5
• 申請(qǐng)日: 2017-07-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107390706B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-01-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段海濱;薛強(qiáng);鄧亦敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 11232 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

1.一種基于預(yù)演機(jī)動(dòng)規(guī)則系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)近距格斗決策方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

步驟一：建立無(wú)人機(jī)近距格斗規(guī)則庫(kù)

根據(jù)分析總結(jié)現(xiàn)有的有人作戰(zhàn)飛機(jī)近距格斗空戰(zhàn)戰(zhàn)法戰(zhàn)術(shù)，應(yīng)用知識(shí)工程中知識(shí)建立，知識(shí)表示的數(shù)學(xué)方法，建立面向格斗空戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)規(guī)則庫(kù)，從而給出在不同態(tài)勢(shì)下應(yīng)該選取的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)；空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)包括了單機(jī)的飛行高度、飛行速度，以及我機(jī)與敵機(jī)的相對(duì)幾何位置關(guān)系和能量對(duì)比關(guān)系；典型的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作包括爬升、俯沖、轉(zhuǎn)彎、盤(pán)旋、桶滾；通過(guò)建立不同態(tài)勢(shì)下選擇戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)的規(guī)則，構(gòu)成近距格斗規(guī)則庫(kù)；

步驟二：根據(jù)飛機(jī)的機(jī)敏性設(shè)計(jì)預(yù)演機(jī)動(dòng)指令集

首先根據(jù)飛機(jī)的飛行控制律構(gòu)型，選定預(yù)演機(jī)動(dòng)的控制指令類型組合；然后對(duì)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性進(jìn)行測(cè)試，得到相應(yīng)的飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性測(cè)試數(shù)據(jù)；最后根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)進(jìn)行分組，在不同組中，根據(jù)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)飛機(jī)在給定時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到的不同的預(yù)演機(jī)動(dòng)指令組合，所有預(yù)演機(jī)動(dòng)指令組合構(gòu)成預(yù)演機(jī)動(dòng)集，用于作為后續(xù)進(jìn)行預(yù)演機(jī)動(dòng)選擇的候選機(jī)動(dòng)；

預(yù)演機(jī)動(dòng)指令集包含一系列的機(jī)動(dòng)指令組合[n_z,c,φ_c]，即為飛機(jī)在[T₀,T₀+ΔT]時(shí)間內(nèi)采取的機(jī)動(dòng)指令，n_z,c為法向過(guò)載指令，φ_c為滾轉(zhuǎn)角指令，ΔT為決策周期；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)我機(jī)的飛行狀態(tài)和敵我雙機(jī)的相對(duì)幾何態(tài)勢(shì)，將預(yù)演機(jī)動(dòng)指令庫(kù)分為四類進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是：安全高度類、安全速度類、純追蹤類、規(guī)避類；具體的指令示例如下：

φ_c＝0

式中，為最大法向過(guò)載變化率；

步驟一和步驟二是決策方法的基礎(chǔ)，通過(guò)步驟一和步驟二建立了規(guī)則庫(kù)和預(yù)演機(jī)動(dòng)集；整個(gè)決策方法采用固定周期的決策方式，固定周期的典型值為1～3秒，在每一決策時(shí)刻節(jié)點(diǎn)即固定周期時(shí)刻點(diǎn)，進(jìn)行以下步驟：

步驟三：敵機(jī)三維位置和航跡姿態(tài)的擬合外推

利用多項(xiàng)式擬合的方法給出敵方在下一決策時(shí)刻T₀+ΔT的三維位置預(yù)測(cè)值和速度矢量預(yù)測(cè)值；其中，T₀為當(dāng)前決策時(shí)刻，ΔT為決策周期，為敵機(jī)的位置外推值，

為敵機(jī)的速度矢量預(yù)測(cè)值，為敵機(jī)的航跡傾角外推值，為敵機(jī)的航跡偏角外推值；具體的算法如下：

假設(shè)敵方飛機(jī)的飛行軌跡滿足：

x_p(t)＝a_xt²+b_xt+c_x y_p(t)＝a_yt²+b_yt+c_y h_p(t)＝a_ht²+b_ht+c_h

式中，[x_p y_p h_p]^T為敵機(jī)的三維位置坐標(biāo)，t為時(shí)間，a_x,b_x,c_x,a_y,b_y,c_y,a_h,b_h,c_h為敵機(jī)位置坐標(biāo)擬合多項(xiàng)式的系數(shù)；

利用敵方當(dāng)前坐標(biāo)和前兩個(gè)決策時(shí)刻即T₀-ΔT時(shí)刻與T₀-2ΔT時(shí)刻的坐標(biāo)信息，求取坐標(biāo)插值關(guān)系式的系數(shù)如下：

c_x＝x₀

式中，x₀為敵機(jī)當(dāng)前位置的x軸坐標(biāo)，x_-1為敵機(jī)在前一決策時(shí)刻T₀-ΔT位置的x軸坐標(biāo)，x_-2為敵機(jī)在前兩個(gè)決策時(shí)刻T₀-2ΔT位置的x軸坐標(biāo)；

同理可以求取[a_y,b_y,c_y]和[a_h,b_h,c_h]；

由此，得到敵機(jī)的外推坐標(biāo)為：

敵機(jī)的速度外推為：

步驟四：作戰(zhàn)雙機(jī)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)特征參數(shù)計(jì)算

根據(jù)我機(jī)的三維坐標(biāo)參數(shù)和姿態(tài)以及航跡姿態(tài)信息，結(jié)合敵機(jī)的三維位置和航跡姿態(tài)信息計(jì)算表征戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)的相關(guān)特征參數(shù)，包括相對(duì)距離R、相對(duì)距離變化率相對(duì)高度ΔH、進(jìn)入角λ、偏離角ε，通過(guò)計(jì)算相關(guān)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)特征參數(shù)，進(jìn)行后續(xù)的算法流程；具體的計(jì)算公式如下：

ΔH＝h-h_p

上式中，為敵機(jī)相對(duì)我機(jī)的位置矢量在地面系下的坐標(biāo)，為敵機(jī)相對(duì)我機(jī)的位置矢量在我機(jī)機(jī)體軸系下的坐標(biāo)，為我機(jī)相對(duì)敵機(jī)的位置矢量在敵機(jī)機(jī)體軸系下的坐標(biāo)，T_i^b為地面系到我機(jī)機(jī)體軸系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T_i^p為地面系到敵機(jī)機(jī)體軸系的旋轉(zhuǎn)矩陣；

步驟五：機(jī)動(dòng)混合決策

機(jī)動(dòng)混合決策過(guò)程采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)前時(shí)刻需要進(jìn)行決策時(shí)，首先進(jìn)行基于規(guī)則庫(kù)的推理，根據(jù)步驟四中計(jì)算的特征參數(shù)，對(duì)規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行順序匹配，直到匹配成功則進(jìn)入相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)的執(zhí)行程序；當(dāng)所有規(guī)則均匹配失敗時(shí)，則采用預(yù)演機(jī)動(dòng)選擇算法確定當(dāng)前決策時(shí)刻T₀到下一決策時(shí)刻T₀+ΔT的機(jī)動(dòng)指令；具體流程如下：

(1)近距格斗規(guī)則推理

步驟一中已經(jīng)建立相應(yīng)的近距格斗規(guī)則庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)步驟四中計(jì)算的作戰(zhàn)雙方戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)特征參數(shù)，采用順序匹配的方法，對(duì)規(guī)則庫(kù)中的所有規(guī)則進(jìn)行匹配，一旦匹配成功，則停止匹配并輸出該條規(guī)則作為決策結(jié)果，飛機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，否則進(jìn)入預(yù)演機(jī)動(dòng)選擇流程；

(2)預(yù)演機(jī)動(dòng)選擇

在預(yù)演機(jī)動(dòng)選擇中，首先采用如下的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)三自由度模型，對(duì)我機(jī)在預(yù)演機(jī)動(dòng)庫(kù)中的不同機(jī)動(dòng)指令組合下的下一決策時(shí)刻T₀+ΔT的位置和速度矢量進(jìn)行預(yù)測(cè)：

式中，各參數(shù)的定義為：[x_g,y_g,h_g]^T為飛機(jī)的三維位置坐標(biāo)，V為飛機(jī)的速度，μ為飛機(jī)的航跡傾角，χ為飛機(jī)的航跡偏角，n_x為飛機(jī)的切向過(guò)載，n_z,k為飛機(jī)的法向過(guò)載，γ_s為飛機(jī)的速度軸滾轉(zhuǎn)角；

由于飛機(jī)進(jìn)行小側(cè)滑飛行，因此在進(jìn)行解算時(shí)，航跡系飛參采用機(jī)體系飛參量近似計(jì)算是完全合理的，而且結(jié)果表明近似精度很高；以當(dāng)前決策時(shí)刻的位置和速度矢量作為初值，通過(guò)上述的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)三自由度模型進(jìn)行積分，計(jì)算得到在下一決策時(shí)刻T₀+ΔT我機(jī)的位置矢量和速度矢量其中為我機(jī)在下一決策時(shí)刻T₀+ΔT的航跡傾角預(yù)測(cè)值，為我機(jī)在下一決策時(shí)刻T₀+ΔT的航跡偏角預(yù)測(cè)值；

結(jié)合步驟三所得到的敵機(jī)在決策周期下一時(shí)刻T₀+ΔT的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用表征戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)的角度優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)我機(jī)和敵機(jī)在決策周期下一時(shí)刻T₀+ΔT的相對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并選擇角度優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)函數(shù)最大時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)指令組合，作為這一決策時(shí)刻的決策輸出；采用如下的角度優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)函數(shù)S_A：

所使用的角度優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)函數(shù)S_A越大，表明我方的優(yōu)勢(shì)越明顯，反之則我方的優(yōu)勢(shì)越小；

整個(gè)決策方法采用固定周期運(yùn)行方式，以固定的周期進(jìn)行機(jī)動(dòng)或機(jī)動(dòng)指令決策，在每一決策時(shí)刻執(zhí)行步驟三～步驟五，即可完成該決策周期的決策任務(wù)，如此循環(huán)，直至退出本次戰(zhàn)斗。