陳懷民, 段曉軍, 韓源

(西北工業(yè)大學(xué) 無人機(jī)特種技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065)

三旋翼無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)甲板上的著艦控制研究

陳懷民, 段曉軍, 韓源

(西北工業(yè)大學(xué) 無人機(jī)特種技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065)

在無人機(jī)著艦最后階段,艦船的甲板運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重威脅著無人機(jī)的著艦安全,其中,沉浮和橫搖運(yùn)動(dòng)威脅最大。為了使無人機(jī)能夠安全著艦,研究了在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)對安全著艦的影響。它通過測量艦船的橫搖和沉浮運(yùn)動(dòng),并根據(jù)測量的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測未來2～3 s內(nèi)著艦時(shí)的狀態(tài),再配置以穩(wěn)定的下降控制,使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)安全著艦。另外,為了控制觸艦時(shí)飛機(jī)與甲板之間的相對垂直速度,采用了2種速率控制方法進(jìn)行了仿真比較。經(jīng)過仿真分析驗(yàn)證,該控制策略下,2種下降控制方法都能使著艦時(shí)的性能指標(biāo)符合要求。

三旋翼無人機(jī)；著艦/高度控制策略；控制器；MATLAB

艦船在海面上受到風(fēng)浪影響會(huì)出現(xiàn)六自由度隨機(jī)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)——縱擺、縱蕩、沉浮、橫搖、橫蕩和艏搖運(yùn)動(dòng),且其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)隨著海況等級的提高而加大,對無人機(jī)的著艦安全威脅非常大。其中橫搖和沉浮運(yùn)動(dòng)對著艦安全威脅最大,所以基于機(jī)器視覺著艦的無人機(jī)必須能夠測量艦船的橫搖和沉浮運(yùn)動(dòng),并且根據(jù)測量的歷史數(shù)據(jù)信息預(yù)測未來2～3 s著艦時(shí)的艦的運(yùn)動(dòng),再配置以快速、穩(wěn)定的著艦控制,才能夠?qū)崿F(xiàn)安全著艦。

目前研究最多的艦載無人機(jī)是固定翼無人機(jī),對固定翼無人機(jī)著艦的控制策略研究也比較成熟,而對垂直起降無人機(jī)著艦研究較少。垂直起降無人機(jī)基于其垂直起降、定點(diǎn)懸停、操作靈活、低空低速飛行等優(yōu)點(diǎn),大規(guī)模應(yīng)用到艦載機(jī)的潛力非常大。因此,本文研究三旋翼無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)甲板上的著艦控制策略。

1 坐標(biāo)系的選取

這里我們介紹本文中用到的三旋翼無人機(jī)和艦船的坐標(biāo)系的選取,以便于后續(xù)進(jìn)行控制仿真。建立飛機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí),必須使用合適的坐標(biāo)系來描述飛機(jī)的空間運(yùn)動(dòng)的各種狀態(tài)參數(shù)。這里,飛機(jī)的模型建立采用的是機(jī)體坐標(biāo)系,艦船采用的也是機(jī)體坐標(biāo)系,均采用機(jī)體的質(zhì)心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn), 質(zhì)心和機(jī)頭和船頭方向連接線為縱軸正方向。與縱軸垂直,從質(zhì)心向右為橫軸正方向。通過質(zhì)心點(diǎn),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(shí)采用導(dǎo)航坐標(biāo)系來研究無人機(jī)和艦船之間的相對運(yùn)動(dòng)。在這里,我們不對它們之間的轉(zhuǎn)換作詳細(xì)推導(dǎo),直接給出它們之間的轉(zhuǎn)換矩陣,如下式所示

所以,機(jī)體坐標(biāo)系下的向量qbody如果要轉(zhuǎn)換成為其對應(yīng)的導(dǎo)航坐標(biāo)系下的向量qnavigation就可以使用如

下式所示的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

qnavigation=Rqbody

2 抗艦船橫搖/沉浮的著艦控制策略

要想具有實(shí)用價(jià)值,無人機(jī)要有具備在4級海況下安全降落到目標(biāo)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(jī)助降裝置,無人機(jī)至少需要實(shí)現(xiàn)在艦船±15°橫搖情況下的起降才能夠達(dá)到實(shí)用。

針對沉浮和橫搖2種運(yùn)動(dòng)對著艦的影響,我們采取如下的控制策略[5,7]:

1) 無人機(jī)飛臨甲板著艦點(diǎn)正上方懸停,下降開始前對著艦中心點(diǎn)的沉浮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤以確保無人機(jī)與甲板之間的高度一致,隨時(shí)準(zhǔn)備下降;

2) 通過預(yù)估橫搖運(yùn)動(dòng)確定最佳的著艦下降時(shí)機(jī);

3) 當(dāng)甲板橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)估器預(yù)估到橫搖角為零時(shí),觸發(fā)無人機(jī)開始最后階段下降過程,保證與甲板接觸時(shí)艦船的橫搖角為零,實(shí)現(xiàn)安全著艦。

為了后續(xù)對著艦仿真結(jié)果進(jìn)行分析,檢驗(yàn)上述著艦策略是否合理,我們根據(jù)目標(biāo)艦船甲板的情況,并參考了大量文獻(xiàn)以及其他一些型號飛機(jī)的指標(biāo)要求,提出如下的著艦技術(shù)指標(biāo)[4]:

1) 觸艦瞬間,無人機(jī)與艦船甲板的相對速度不超過1.5 m/s;

2) 無人機(jī)能容忍艦船±15°橫搖;

3) 著艦瞬間,無人機(jī)與甲板平面的相對傾角不超過5°。

3 下降著艦控制

根據(jù)上述的著艦控制策略,我們采用橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)估器確定最佳著艦時(shí)機(jī),預(yù)估器能夠預(yù)估的時(shí)間即是下降所需的時(shí)間。又由于預(yù)估器預(yù)估的時(shí)間越長,預(yù)估的誤差就會(huì)越大,因此,我們這里僅采用2 s預(yù)估器進(jìn)行預(yù)估。由于預(yù)估的時(shí)間較短,為了使觸艦瞬間無人機(jī)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(gè)階段:

下降第1階段 無人機(jī)到達(dá)甲板著艦點(diǎn)正上方15 m后開始以一定的速率勻速下降到著艦點(diǎn)正上方3 m處。

下降第2階段 無人機(jī)在甲板著艦點(diǎn)正上方3 m處懸停,并開始跟蹤甲板沉浮運(yùn)動(dòng),與著艦點(diǎn)之間保持高度一致。

下降第3階段 當(dāng)橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)估器預(yù)估到2 s后甲板橫搖角為零時(shí),觸發(fā)無人機(jī)開始以一定的下降速率著艦。并保證2 s后觸艦,使觸艦時(shí)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(jī)從甲板著艦點(diǎn)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(jī)的當(dāng)前高度,hpre為下降起始高度(15 m),t為當(dāng)前時(shí)刻,t1為下降起始時(shí)刻。

3.2 下降第2階段

將飛機(jī)的實(shí)際高度與預(yù)期高度進(jìn)行比較,當(dāng)有誤差時(shí),通過改進(jìn)PD控制實(shí)現(xiàn)高度的穩(wěn)定[2]。

由于三旋翼在跟蹤甲板沉浮運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的滯后現(xiàn)象,所以我們采取預(yù)估補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吒櫟木萚6],如圖1所示。

圖1 跟蹤沉浮運(yùn)動(dòng)框圖

3.3 下降第3階段

第3階段是最關(guān)鍵的一個(gè)下降階段。由橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)估器確定無人機(jī)的最佳著艦時(shí)機(jī),在預(yù)估器預(yù)測到2 s后甲板橫搖角為零時(shí),立即啟動(dòng)無人機(jī)第3階段下降模態(tài)進(jìn)行下降著艦,使飛機(jī)能夠在2 s的時(shí)間內(nèi)下降到指定著艦點(diǎn)。

為了控制觸艦時(shí)飛機(jī)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(jìn)行仿真比較。即下降速率是高度的函數(shù)和下降速率是時(shí)間的函數(shù)2種控制方法[3]。

3.3.1 下降速率控制是高度的函數(shù)

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(biāo)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(shù)下降規(guī)律[8]。

在我們?nèi)A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(jù)考證，在江西省萬年仙人洞中，就有考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)過遠(yuǎn)古時(shí)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(jīng)生活在這里的遠(yuǎn)古人生活中儲(chǔ)存食物的器皿。而另一種時(shí)代久遠(yuǎn)的生活陶藝就是——彩陶，我們現(xiàn)在還能在博物館里看到我們祖先所留下的這種文化遺產(chǎn)，這種彩陶出現(xiàn)在我國黃河流域。

指數(shù)下降規(guī)律的速率控制律為

圖2 飛機(jī)高度與著艦點(diǎn)高度變化比較圖

圖2為飛機(jī)實(shí)際高度變化與著艦點(diǎn)高度變化圖。從圖2中可以看出,飛機(jī)先是在著艦點(diǎn)上方15 m處懸停,然后勻速下降至3 m高處,在197.98 s時(shí)刻之前一直在3 m高處跟蹤艦船沉浮運(yùn)動(dòng),在197.98 s時(shí)橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)估器預(yù)估到2 s后橫搖角為零,啟動(dòng)第3階段下降著艦,在200.04 s時(shí)飛機(jī)觸艦,用時(shí)約2.06 s。

圖3為無人機(jī)與艦船著艦點(diǎn)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(biāo)。

圖3 無人機(jī)與艦船的垂向相對速度

圖4 2 s預(yù)估器預(yù)估結(jié)果

圖4為艦船橫搖角2 s預(yù)估器的預(yù)估結(jié)果比較圖,從圖中可見,2 s預(yù)估器的預(yù)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(biāo)。

3.3.2 下降速率控制是時(shí)間的函數(shù)

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

根據(jù)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(guān)系可以得到

下降時(shí)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(diǎn)高度變化比較圖

由圖5可見,同樣在197.98 s時(shí)橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)估器預(yù)估到2 s后橫搖角為零,在200.1 s時(shí)飛機(jī)觸艦,用時(shí)約2.12 s。

由圖6可見,觸艦時(shí)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(biāo)。但是

根據(jù)仿真圖可見,第1種方案對下降時(shí)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(jié) 論

本文提出了一種三旋翼無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)甲板上的著艦控制策略以及安全著艦的控制指標(biāo),在指標(biāo)的控制下,設(shè)計(jì)了最后著艦過程的下降控制律,并在MATLAB/SIMULINK下做了仿真驗(yàn)證,通過仿真分析得知,該策略是可行的。對最后一個(gè)階段的控制采用了2種方法進(jìn)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(yè)大學(xué)教授，主要從事飛行控制與仿真技術(shù)研究。

V249

A

1000-2758(2016)06-1040-05