亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于數(shù)字地圖的亞音速飛行器最優(yōu)地形跟隨

        2021-12-01 07:41:18黃鵬程唐超穎魏東輝
        計算機測量與控制 2021年11期
        關鍵詞:系統(tǒng)

        董 超,王 彪,黃鵬程,唐超穎,魏東輝

        (1.南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106;2.復雜系統(tǒng)控制與智能協(xié)同技術重點實驗室,北京 100074)

        0 引言

        軍用飛行器常常需要貼地起伏飛行以利用地形躲避防空系統(tǒng)的探測,這種飛行方式稱為“地形跟隨”。地形跟隨技術大致可以分為兩類[1],一類是角指令法,另一類為參考航跡法。早期地形跟隨系統(tǒng)多采用角指令法[2],利用飛行器與地形的相對位置關系生成航跡控制指令。參考航跡法基于數(shù)字地圖生成飛行參考航跡,再通過航跡跟蹤實現(xiàn)地形跟隨,航跡跟蹤是該地形跟隨方案的關鍵部分,控制系統(tǒng)需要具備較高的跟蹤精度以保證地形跟隨的安全性。在低空高速狀態(tài)下,PID難以提供良好的跟蹤性能,也很難處理實際系統(tǒng)的物理限制[3]。L1[4]、矢量場[5]等非線性導引律對變曲率航跡的跟蹤效果較差。針對這些問題,滾動時域控制(RHC)在航跡跟蹤領域正受到越來越多的關注。RHC又稱“模型預測控制(MPC)”,作為一種基于模型的控制策略,它可以顯著提高控制性能,其控制目標是使跟蹤誤差最小化[6],從而使航跡控制成為有約束系統(tǒng)的輸出跟蹤問題。文獻[7]采用基于狀態(tài)擴展的雙反饋MPC設計固定翼無人機航跡跟蹤控制器,取得了比較精確的跟蹤效果。文獻[8-9]則使用非線性MPC作為控制策略,為了減小計算量,對模型進行了簡化以確保實時性。文獻[10]所設計的線性MPC可將閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置在單位圓內(nèi),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前多數(shù)文獻在設計跟蹤控制器時均使用直線或圓弧航跡作為參考輸入,雖然這種做法簡單便于應用,但航跡在航跡點處是不光滑的,跟蹤誤差會發(fā)生突變,從而使舵角容易產(chǎn)生飽和。文獻[11]針對變曲率曲線航跡設計了一個MPC控制器,但簡單的運動學模型并不適合高速飛行器,為了提高飛行器在高速飛行時的可靠性,控制策略必須考慮飛行動力學的影響,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時,充分發(fā)揮飛行器的潛力。

        本文針對亞音速飛行器地形跟隨問題,首先基于數(shù)字地圖進行最優(yōu)航跡規(guī)劃,再將滾動時域優(yōu)化策略用于航跡跟蹤控制器設計,提高高速飛行器對復雜航跡的跟蹤能力。在真實山區(qū)地形數(shù)據(jù)上進行仿真驗證,通過與基于適應角導引的地形跟隨方法對比,驗證本文地形跟隨方法的有效性。圖1為本文地形跟隨系統(tǒng)框圖。

        圖1 地形跟隨系統(tǒng)結構圖

        1 問題建立

        1.1 飛行器模型與參考航跡

        使用六自由度非線性動力學方程描述飛行器的運動,忽略機體y軸所受的力以及滾轉、偏航力矩,其縱向運動方程為[12-13]:

        (1)

        (2)

        (3)

        式中,u,w分別是飛行器速度沿機體x,z軸的分量;θ為俯仰角,q為機體俯仰角速度;T,X,Z分別為推力、機體x軸和z軸的氣動力,推力沿機體縱軸,M為俯仰力矩。有關飛行器的參數(shù)詳見[14]。

        由圖1可知,需要根據(jù)數(shù)字地圖生成參考航跡。本文參考文獻[15],采用最優(yōu)航跡規(guī)劃算法生成參考航跡,參考航跡由分段三次樣條表示,優(yōu)化目標為航跡與地形的貼合程度。與[15]不同的是,本文在目標函數(shù)中添加了法向加速度平方項,從而減少飛行器大幅度機動的次數(shù),使飛行更加平穩(wěn)。圖2顯示了這兩種不同規(guī)劃方法的區(qū)別。

        圖2 最優(yōu)航跡規(guī)劃結果

        1.2 航跡跟蹤控制問題描述

        如圖3所示,航跡跟蹤控制的目的是選擇合適的控制輸入,使位置誤差向量ep漸進收斂至0:

        圖3 航跡跟蹤示意圖

        ep=(d-p)×Td

        (4)

        式中,Td為參考航跡點d處的單位切線矢量,p為飛行器當前位置,同時速度方向與航跡的方向Td一致,使:

        eγ=γd-γ

        (5)

        式(4)和式(5)表明,只要根據(jù)飛行器當前位置選擇一個參考點,并求出沿航跡切線方向的向量,就可以使用此目標公式設計滾動時域控制的目標函數(shù),因此它適合于任何航跡,而不局限于直線或圓弧等特定形式的航跡。

        2 航跡跟蹤控制器設計

        2.1 控制目標

        根據(jù)1.2節(jié)的討論,航跡控制的目標是最小化控制輸入與跟蹤誤差:

        (6)

        由圖3可知,為了達到控制目標,正確選取預測時域內(nèi)的參考航跡點d是提高控制器性能的關鍵,本文根據(jù)當前位置p(k)和速度矢量V(k),使用歐拉法對未來的位置p(k+i)進行預測,并在慣性系下定義未來有限時域內(nèi)的參考航跡點,如圖4所示。這種方法的思想來源于駕駛員對車輛的操縱:駕駛員總是相對于車輛縱軸來預判未來的位置[16]。

        圖4 預測時域內(nèi)參考航跡點的選取

        2.2 滾動時域控制

        RHC航跡控制器是系統(tǒng)穩(wěn)定、快速跟蹤參考航跡的關鍵,在進行控制器設計時,首先將飛行器方程(1)~(3)在平衡點處進行線性化,再按一定采樣周期進行離散化處理,得離散狀態(tài)方程:

        x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)

        y(k)=Cx(k)

        (7)

        式中,狀態(tài)量、被控量和控制量依次為:

        x= [V,α,q,θ,pow,h]T

        y=[V,γ,h]T

        u=[δt,δe]T

        (8)

        式中,γ=θ-α為航跡傾斜角,pow為發(fā)動機功率水平。V為飛行器總速度,δe、δt分別表示升降舵偏轉角和油門開度。為了對控制增量進行限制,避免控制量突變,需要將式(7)轉換成以控制增量Δu(k)為輸入的形式,定義狀態(tài)增量與控制增量:

        Δx(k)=x(k)-x(k-1)

        Δu(k)=u(k)-u(k-1)

        (9)

        增廣狀態(tài)向量:

        (10)

        建立以ξ(k)為狀態(tài)量、Δu(k)為控制輸入的積分增廣狀態(tài)空間表達式[17]:

        (11)

        Y(k)=Fξ(k)+ΦΔU(k)

        (12)

        飛行器的控制量在控制時域內(nèi)定義為:

        umin(k+j)≤u(k+j)≤umax(k+j)

        Δumin(k+j)≤Δu(k+j)≤Δumax(k+j)

        j=0,1,…,Nc-1

        (13)

        類似地,狀態(tài)約束在預測時域內(nèi)定義為:

        xmin(k+j)≤x(k+j)≤xmax(k+j)

        j=0,1,…,Np-1

        (14)

        定義了目標函數(shù)(6)和約束(13)~(14)后,可使用二次規(guī)劃算法求解該優(yōu)化問題,生成最優(yōu)控制指令序列后使用其中第一個作為最優(yōu)控制輸入,而下一時刻的控制量則根據(jù)下一時刻的狀態(tài)反饋重新計算。

        3 仿真結果與分析

        3.1 撞地概率計算

        使用撞地概率指標對地形跟隨系統(tǒng)進行評價。假設t時刻飛行器的海拔高度為h(t),地形海拔高度為T(t),飛行器與地形之間的凈高度差為he(t)=h(t)-T(t),預設的安全高度為H0,定義高度誤差為Δh(t)=H0-he(t),將飛行器看作一個質(zhì)點,則撞地事件可以用如下公式表示[18]:

        Δh(ti)≥H0

        (15)

        滿足式(15)的所有時刻ti均視為撞地。統(tǒng)計全過程中所有的ti,得到每次撞地事件所經(jīng)歷的時間tpi,最后根據(jù)總仿真時間ttotal,得到本文使用的撞地概率計算公式:

        (16)

        除了計算相對實際地形的撞地概率,本文還考慮了離地Hsafe處“虛擬地形”的撞地概率,即選取不同的離地高度Hsafe,當飛行器滿足:

        Δh(ti)≥H0-Hsafe

        (17)

        時表示飛行器撞上了離地Hsafe處的“地形”,其撞地概率同樣用公式(16)計算。

        3.2 仿真結果

        本文的地形數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云平臺上得到,如圖5所示,該地形在起伏度分級上屬于“高山起伏”[19]。飛行器初始速度V=200 m/s,初始高度h=80 m,RHC采樣周期Ts=0.1 s,預測時域Np=20,控制時域Nc=20,RHC控制器的權矩陣設置為:

        圖5 50 km地形剖面

        Q= diag[0.01,200,0.01]

        R= diag[2000,15]

        (18)

        升降舵以一階慣性環(huán)節(jié)表示其動態(tài),增益為1/0.049 5,偏轉幅度為±25°,偏轉速率限制為±60°/s。

        仿真1:圖6顯示了50 km的地形上進行地形跟隨的結果,可以看出,飛行器的實際飛行航跡與參考航跡貼合十分緊密,顯示了較高的跟蹤精度,即使在某些坡度較大的地方也不會有撞地的危險,這是因為RHC可以根據(jù)前方航跡的變化提前動作以減小過峰谷時的過沖。圖7為飛行器的各個狀態(tài)隨時間的變化曲線,包括航跡傾斜角γ、迎角α和速度V,可以看到迎角處于約束范圍[-10°,45°]內(nèi),速度保持在200 m/s附近。圖8為高度、航跡角誤差曲線及執(zhí)行器輸入,高度誤差最大5.80 m,平均值0.10 m,標準差1.26 m,結果表明航跡控制方法有效完成了地形跟隨任務。

        圖6 地形跟隨結果

        圖7 狀態(tài)曲線

        仿真2:為了驗證系統(tǒng)在存在導航誤差時的跟蹤效果,在水平與高度方向均存在導航誤差的情況下進行了多次仿真。導航誤差來自GPS,呈高斯分布,方差為1,誤差水平(均值)有不同等級。一般GPS的導航誤差最大為10 m,本文增設了20 m與30 m的誤差水平。RHC參數(shù)設置保持不變,每個誤差水平下進行50次仿真,記錄其跟蹤誤差數(shù)據(jù)及撞地概率。除了計算相對實際地形的撞地概率,還計算離地10 m、20 m處“虛擬地形”的撞地概率,取所記錄數(shù)據(jù)的平均值作為最終結果,將不同誤差水平下的平均誤差及撞地概率數(shù)據(jù)記錄在表1中。圖9為某一次仿真的結果。

        從表1中可以看出,隨著導航誤差增大,跟蹤誤差也隨之增大,但在誤差水平達到30 m時才有可能出現(xiàn)撞地事故,這意味著飛行器實際飛行過程中的某些位置離地面不到10 m,但對于實際地形,撞地概率依舊為0,從圖9中也可以看出這一點。

        表1 水平與高度方向均存在導航誤差的地形跟隨結果

        圖9 30 m導航誤差水平下的地形跟隨結果(29~35 km)

        表2為只有水平方向的導航誤差時的統(tǒng)計數(shù)據(jù),在30 m誤差范圍內(nèi)均不存在撞地危險,顯然只有水平導航誤差時的系統(tǒng)性能要比存在高度導航誤差的情況好得多。從表1與表2的數(shù)據(jù)可以看出,高度方向的導航誤差對地形跟隨撞地概率的影響遠遠大于水平方向,因此從地形跟隨的安全角度來說,應盡量減小高度測量誤差,除了使用GPS外,最好添加氣壓計或無線高度表等額外傳感器作為輔助。

        表2 只有水平方向存在導航誤差的撞地概率統(tǒng)計

        仿真3:與基于適應角導引的地形跟隨系統(tǒng)進行對比實驗。適應角法是傳統(tǒng)地形跟隨中使用最廣泛的方法,在利用前視傳感器獲得前方地形信息后,通過適應角可以得到航跡傾斜角的指令。角指令由如下公式給出[20]:

        (19)

        式中,Kθ為增益,F(xiàn)s為抑制函數(shù)。本文的抑制函數(shù)分為三段,分別對應飛行器在地形跟隨中的3個階段,以飛行器與障礙物/地形的相對位置劃分為:末段沖刺、中程拉起和遠程下滑。斜距在3個階段有著不同的值,分別為3 500 m、3 900 m、4 627 m,雷達對前方地形的探測角度為±8°,參數(shù)Kθ為1.12。

        圖10顯示了適應角法地形跟隨的結果,可以發(fā)現(xiàn),與本文基于數(shù)字地圖的地形跟隨系統(tǒng)相比,該方法的貼地效果較差,在過峰后的過沖較大,增加了飛行器暴露的時間,而在某些地方飛行器離地面非常近,增加了撞地概率。在實際應用中,基于適應角導引的地形跟隨系統(tǒng)通常會犧牲貼地性能以保證安全性,這是其缺陷所在。對比仿真表明,本文所使用的地形跟隨方法具有更優(yōu)異的貼地性能以及更好的安全性。

        圖10 地形跟隨結果比較

        4 結束語

        本文設計了亞音速飛行器地形跟隨控制系統(tǒng)。使用最優(yōu)航跡規(guī)劃算法生成參考航跡,該航跡能夠在貼近地形的同時減少不必要的飛行機動。針對精確航跡跟蹤問題,基于RHC設計了一個航跡跟蹤控制器,即使存在導航誤差時該控制器也具有良好的跟蹤性能。討論了目標函數(shù)的設計,以及預測時域內(nèi)參考航跡點的選取,提高飛行器對復雜曲線航跡的跟蹤性能。最后,與使用適應角法的地形跟隨系統(tǒng)進行對比仿真,結果表明,本文所設計的系統(tǒng)具有良好的安全性和優(yōu)異的貼地性能,非常適合在高山地形上執(zhí)行地形跟隨任務。

        猜你喜歡
        系統(tǒng)
        Smartflower POP 一體式光伏系統(tǒng)
        WJ-700無人機系統(tǒng)
        ZC系列無人機遙感系統(tǒng)
        北京測繪(2020年12期)2020-12-29 01:33:58
        基于PowerPC+FPGA顯示系統(tǒng)
        基于UG的發(fā)射箱自動化虛擬裝配系統(tǒng)開發(fā)
        半沸制皂系統(tǒng)(下)
        FAO系統(tǒng)特有功能分析及互聯(lián)互通探討
        連通與提升系統(tǒng)的最后一塊拼圖 Audiolab 傲立 M-DAC mini
        一德系統(tǒng) 德行天下
        PLC在多段調(diào)速系統(tǒng)中的應用
        一区欧美在线动漫| 无码av永久免费大全| 欧美v日韩v亚洲综合国产高清| 少妇性l交大片免费快色| 亚洲男人av天堂久久资源| 国产a级毛片久久久精品毛片| 蜜臀av无码人妻精品| 亚洲一区二区观看播放| 欧美a在线播放| 亚洲第一区无码专区| 亚洲精品一区二在线观看| 亚洲第一幕一区二区三区在线观看 | 亚洲熟妇av日韩熟妇av| 国产午夜福利小视频在线观看| 日本在线一区二区三区四区| 成人一区二区三区激情视频| 97se亚洲国产综合在线| 女人被狂躁到高潮视频免费网站| 国产乱人伦偷精品视频| 亚洲第一区无码专区| 九九精品国产亚洲av日韩| 免费观看国产短视频的方法| 天天噜日日噜狠狠噜免费| 91尤物视频在线观看| 九色精品国产亚洲av麻豆一| 久久精品国产9久久综合| 妃光莉中文字幕一区二区| 精品视频无码一区二区三区| 中文字幕乱码人妻一区二区三区 | 久久亚洲免费精品视频| 中文字幕人妻第一区| 精品国产福利一区二区在线| 午夜精品一区二区久久做老熟女 | 日本岛国大片不卡人妻| 青青草在线免费播放视频| 日韩人妻无码精品久久免费一| 国产乱子伦精品免费无码专区| 国产精品无码mv在线观看| 亚洲一区二区三区99| 粗大的内捧猛烈进出小视频| 纯爱无遮挡h肉动漫在线播放|