[發明專利]基于預見控制的無人直升機自動著艦控制系統

有效

• 申請號: 201711186859.6
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107957686B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 甄子洋;侯敏;廖智麟;江駒;黃一敏
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 楊楠

本發明公開了一種基于預見控制的無人直升機自動著艦控制系統，屬于航空航宇推進控制技術領域。本發明針對無人直升機自動著艦的基準軌跡跟蹤控制問題，并考慮了甲板運動干擾對跟蹤控制性能的影響，根據直升機的氣動特性將控制系統劃分為四個子系統，利用預見控制方法依次求取控制信號，控制直升機安全精確地著艦。進一步地，本發明還針對甲板運動模型難以獲取的問題，采用自適應AR模型預估算法，利用甲板運動歷史數據對甲板運動未來數據進行預估，保證直升機的著艦精度。本發明可以保證閉環系統的全局穩定，并且使系統擁有良好的跟蹤性能性能。

技術領域

本發明涉及飛行器控制系統，尤其涉及一種無人直升機自動著艦控制系統，屬于航空航宇推進控制技術領域。

背景技術

無人直升機具有可垂直起降、定點懸停、不需要專用發射回收裝置、對環境依賴程度低、易于對目標實施近距離精確偵察、定位、低空低速性好等一系列一般無人飛行器所不具備的優點，為海陸空各兵種所青睞。在未來戰爭中，無人直升機是信息網絡中心的一個重要節點，負責對低空、超低空、大區域地、海面戰場進行實時、近距離、全時段戰術偵察。對于現代海上作戰來講，艦載無人直升機能夠實現空間作戰、電子戰、預警、偵察、通信中繼、超視距目標指示、搜索、救援、探測攻擊潛艇等多項作戰任務。綜合考慮無人直升機自身的優點和海軍發展的需求，無人直升機才是艦載無人機的最佳選擇。

無人直升機是一個高階、多變量、強耦合的系統，且由于旋翼機的氣動特性，因此無人直升機具有穩定性差，不確定性強和易受環境干擾等特點。然而，要求無人直升機執行的任務比較復雜多樣化，而且在艦載使用時，海況變化多端，這些因素都要求飛控系統具有解耦能力和較強的魯棒性。傳統的經典控制方法無法很好地滿足直升機著艦系統的精確的跟蹤性能，這極大地推動了先進的控制方法和控制理論關鍵技術的發展。

無人直升機著艦系統主要需要解決的問題是基準軌跡跟蹤問題和甲板運動干擾補償問題。直升機著艦的飛行環境和著艦的高精度要求對自動著艦系統的設計帶來了很多技術上的難點。第一，飛行控制系統必需滿足基準軌跡追蹤的精度要求。無人直升機著艦需要解決的最關鍵的問題之一就是基準軌跡的追蹤問題，基準軌跡追蹤的精度將直接影響無人直升機著艦的精度。第二，自動著艦系統必需考慮甲板運動的補償和預估問題。當直升機在高海況下自主下降著艦時，需要根據甲板運動的情況來確定最佳的下降時間，和最佳著艦速率。同時甲板運動通過改變理想著艦點位置使得預先制定的基準軌跡發生變化，從而影響直升機的著艦安全和著艦精度，所以在著艦最后階段，直升機需要跟蹤甲板運動作用后的理想著艦軌跡。

針對無人直升機的飛行控制，國內外學者進行了廣泛的研究，從經典PID控制到現代控制理論再到人工智能控制，在理論上和實際型號應用上都取得了一定成果。目前主要的控制方法有：魯棒控制、特征結構配置、模型預測控制、神經網絡控制等。PID控制工程應用范圍廣，但其抗干擾能力較弱，并不能滿足直升機自動著艦系統的要求。模型預測控制、神經網絡控制計算量大，計算過程復雜，對機載電腦的性能要求較高。

傳統的控制方法因計算機運算和數據傳輸存在一定的時延滯后，所以追蹤效果會存在一定的滯后，上述現有控制技術均難以達到較好的控制效果。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種基于預見控制的無人直升機自動著艦控制系統，可有效解決直升機著艦軌跡跟蹤問題。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

基于預見控制的無人直升機自動著艦控制系統，用于生成無人直升機的控制輸入量u，以保證無人直升機的飛行高度H，橫向飛行位置Y，縱向飛行位置X能快速跟蹤到輸入的飛行參考軌跡：飛行參考高度H_c，橫向飛行參考位置Y_c，縱向飛行參考位置X_c；該控制系統利用預見控制方法設計而成，具體包括高度控制系統、縱向控制系統、橫向控制系統和航向控制系統；

所述高度控制系統的控制律如下：