[發明專利]考慮全捷聯導引頭視場約束的彈群協同制導控制一體化設計方法

在審

• 申請號: 202110939218.3
• 申請日: 2021-08-16
• 公開（公告）號: CN114138000A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 趙斌;周軍;黃曉陽
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

1.一種考慮全捷聯導引頭視場約束的彈群協同制導控制一體化設計方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：建立彈群全捷聯導引頭視線解耦模型、二維空間內導彈-目標的相對運動模型以及彈體姿態控制系統模型

(a)建立彈群全捷聯導引頭視線解耦模型

其中，下標i表示彈群第i枚導彈，N表示彈群總數量；q_BLi表示體視線角，表示體視線角速率，q_Li表示慣性系下飛行平面內彈-目相對視線角，表示慣性系下的彈-目相對視線角速率，d_1i表示導彈不確定性，ω_zi表示俯仰角速率；

(b)建立彈群-目標的相對運動模型

其中，分別是相對于慣性系的彈目視線角和視線角速率；分別是導彈-目標相對距離和相對速度；A_T是目標受到的側向加速度；θ_Mi，θ_T分別是導彈與目標的飛行航跡角；和為導彈氣動參數；m_i，S_i，q_i分別表示彈群第i枚導彈的質量、參考面積以及飛行動壓；α_i，δ_i分別表示導彈攻角和舵偏角；和分別表示第i枚導彈側向力系數對α_i和δ_i的偏導數；d_2i表示由目標不確定機動、未建模動態和氣動不確定性等引起的干擾項；

(c)建立彈群姿態控制系統模型

其中，M_zi，J_zi分別是俯仰力矩和俯仰轉動慣量；d_αi，d_ωi是空氣動力系數引起的不確定；表示導彈氣動力及氣動力矩系數；L_i為參考長度；分別是俯仰力矩系數對攻角α_i、舵偏角δ_i以及無量綱化的俯仰角速度的偏導數；V_Mi為導彈飛行速度；ω_zi為俯仰角速度；d_qMi、d_3i、d_4i表示未知的干擾項；

步驟2：選擇狀態變量和系統輸入變量，建立考慮視場角約束的彈群制導控制一體化狀態空間數學模型

選擇狀態變量分別為x_1i＝q_BLi，x_3i＝α_i，x_4i＝ω_zi，系統的輸入u_i＝δ_i，得到彈群系統的狀態空間模型如下：

為了便于區分領彈和從彈，后續推導中給領彈的狀態變量加后綴L，從彈的狀態變量加后綴C，如x_{1i_L}代表第i枚領彈的第1個狀態，如x_{3i_C}代表第i枚從彈的第3個狀態；

步驟3：選定彈群中的領彈與從彈，給定彈間的通訊拓撲架構

在由N枚同構或異構導彈組成的彈群中，選定其中領彈m枚，從彈n枚；定義第1枚到第m枚導彈為領彈，第m+1枚到第N枚導彈為從彈；記為彈群通訊拓撲圖的鄰接矩陣，記L表示彈群通訊拓撲圖的Laplace矩陣；

步驟4：在給定視場角約束邊界下，計算領彈與從彈的虛擬控制量x_{2i_L}與x_{2i_C}

(1)計算彈群中領彈x_{2i_L}的虛擬控制律

計算第i枚領彈的狀態跟蹤誤差變量s_{1i_L}為：

s_{1i_L}＝x_{1i_L}-x_{1ci_L}，i＝1，2，...，m

其中，x_{1ci_L}表示狀態x_{1i_L}的虛擬控制量，在本文設計的方法中是一個常值；Q_c為全捷聯導引頭視場范圍；計算x_{2ci_L}為：

其中，為第i枚導彈不確定項d_{1i_L}的估計值，k_1l，k_11l為設計參數；

計算第i枚領彈向相鄰從彈發送的協同指令信息為：

(2)計算彈群中第i枚從彈x_{2i_C}的虛擬控制律

計算第i枚從彈的誤差變量s_{1i_C}為：

其中，l_ij為Laplace矩陣第i行第j列的元素；計算虛擬控制指令x_{2ci_C}為：

其中，R_{i_C}是第i枚從彈與目標的相對距離；o_{i_C}為中間變量；c_{i_C}為從彈協同指令信息；表示第i枚導彈與其相鄰從彈對其自身干擾項d_{1i_C}估計值的上界；k_1f，k_11f為設計參數；e為自然常數；根據下式對模型不確定性進行估計：

其中，與為干擾觀測器引入的中間變量，κ_1f，κ_1l為設計參數；

計算一階濾波器的輸出x_{2di_L}及其微分

其中，τ_2f，τ_2l為設計參數；

步驟5：計算狀態x_3i的虛擬控制量x_{3ci_L}與x_{3ci_C}

計算彈群中領彈與從彈的誤差變量s_{2i_L}與s_{2i_C}如下：

分別計算狀態x_{3i_L}與x_{3i_C}的虛擬控制量x_{3ci_L}與x_{3ci_C}如下：

其中，為領彈觀測器對干擾d_{2i_L}的觀測值；為從彈觀測器對干擾d_{2i_C}的觀測值，k_2f，k_21f，k_2l，k_21l為設計參數；根據下式估計模型不確定性：

其中，與為干擾觀測器引入的中間變量，κ_2l，κ_2f為設計參數；

計算一階濾波器的輸出x_{3di_L}及其微分

其中，τ_3l，τ_3f為設計參數；

步驟6：計算x_{4i_L}與x_{4i_C}的虛擬控制量

計算領彈與從彈的誤差變量s_{3i_L}與s_{3i_C}如下：

計算x_{4i_L}與x_{4i_C}的虛擬控制量如下：

其中，k_3f，k_31f，k_3l，k_31l為設計參數，為領彈觀測器對干擾d_{3i_L}的觀測值；為從彈觀測器對干擾d_{3i_C}的觀測值；根據下式估計模型的不確定性：

其中，與為干擾觀測器引入的中間變量，κ_3l，κ_3f為設計參數；

計算一階濾波器的輸出x_{4di_L}及其微分

其中，τ_4l，τ_4f為設計參數；

步驟7：計算彈群制導控制一體化的舵偏角指令

計算領彈與從彈的狀態跟蹤誤差變量s_{4i_L}與s_{4i_C}如下：

計算領彈與從彈控制律u_{i_L}、u_{i_C}為：

其中，為零彈干擾d_{4i_L}的觀測值；為從彈干擾d_{4i_C}的觀測值；k_41l，k_4l，k_41f，k_4f為設計參數；根據下式對模型的不確定性進行估計：

其中，與為干擾觀測器引入的中間變量，κ_4l，κ_4f為設計參數；

步驟8：結合步驟4～步驟7綜合得到最終考慮全捷聯導引頭視場角約束的彈群制導控制一體化設計結果；給出最終的控制器表達式如下：

(1)彈群中領彈的控制器表達式

(2)彈群中從彈的控制器表達式