基于模糊控制的UAV操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)*

張艷霞，張安，王強(qiáng)

（西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710129）

基于模糊控制的UAV操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)*

張艷霞，張安，王強(qiáng)

（西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710129）

針對(duì)無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，采用模糊控制原理，實(shí)現(xiàn)將任務(wù)系統(tǒng)解算出的瞄準(zhǔn)偏差轉(zhuǎn)化為控制無(wú)人機(jī)飛行的三通道控制指令。采用Vega Prime和VS 2005對(duì)整個(gè)攻擊過(guò)程進(jìn)行三維視景仿真，應(yīng)用蒙特卡洛法對(duì)多次仿真結(jié)果進(jìn)行處理，得到火控攻擊精度。最后對(duì)影響攻擊精度的兩個(gè)誤差源進(jìn)行分析，定量地給出了各誤差源對(duì)攻擊精度的影響。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

操控引導(dǎo)，自主攻擊，模糊控制，視景仿真，蒙特卡洛法

0 引言

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)受到各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注。在無(wú)人機(jī)對(duì)地攻擊模式下，目前大部分國(guó)家無(wú)人機(jī)的攻擊過(guò)程往往需要地面控制人員的參與，雖然這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸有延遲，導(dǎo)引控制信號(hào)并不能及時(shí)有效地控制無(wú)人機(jī)的飛行，當(dāng)條件惡劣，一旦數(shù)據(jù)鏈路不再可靠和暢通，后果將不堪預(yù)料［1-2］。所以研究無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，最大程度地給無(wú)人機(jī)賦予智能，實(shí)現(xiàn)其自主飛行、自主攻擊，就顯得尤為重要。

文獻(xiàn)［3］提出了無(wú)人機(jī)自主控制技術(shù)，文獻(xiàn)［4］對(duì)自主攻擊型無(wú)人機(jī)的導(dǎo)引技術(shù)進(jìn)行了研究，本文在其基礎(chǔ)上利用模糊控制設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從探測(cè)目標(biāo)信息到投放炸彈整個(gè)攻擊過(guò)程的自主完成。

1 操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)分析

無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)組成框圖如下頁(yè)圖1所示。無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載雷達(dá)或地面指揮站獲得目標(biāo)信息、本機(jī)信息，火控解算出瞄準(zhǔn)偏差，把瞄準(zhǔn)偏差分別輸入綜合顯示器和火控/飛控耦合器，由火控/飛控耦合器產(chǎn)生3個(gè)通道的飛行控制指令，并將控制指令送給飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)操縱指令，操縱無(wú)人機(jī)飛行，使瞄準(zhǔn)偏差趨近于零，當(dāng)瞄準(zhǔn)偏差小于允許值時(shí)，實(shí)施攻擊和武器投放。

圖1 無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)組成框圖

無(wú)人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)傳感器得到地信息及當(dāng)前選擇的攻擊模式，根據(jù)CCRP瞄準(zhǔn)原理解算出無(wú)人機(jī)當(dāng)前的瞄準(zhǔn)偏差［5］。無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前瞄準(zhǔn)偏差解算出無(wú)人機(jī)3個(gè)通道的飛行控制指令，即3個(gè)方向的過(guò)載。其中：切向過(guò)載nx可以控制無(wú)人機(jī)速度大小，作為推力控制信號(hào)；法向過(guò)載ny可以控制無(wú)人機(jī)的航向，作為方向舵控制信號(hào)；俯仰通道中，豎直方向過(guò)載nz可以控制無(wú)人機(jī)的高度，作為升降舵控制信號(hào)。在之后的仿真過(guò)程中假設(shè)無(wú)人機(jī)的速度大小不變，故對(duì)推力矢量控制通道不作研究。

模糊控制不需要掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別適合非線性控制，它對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并可以加入一些人為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使控制可以按照人的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以本文將選用模糊控制，來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)［6］，使得無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有很強(qiáng)地適應(yīng)性。

基于模糊控制的無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊過(guò)程流程圖如圖2所示。無(wú)人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前信息解算出的瞄準(zhǔn)偏差，判斷無(wú)人機(jī)當(dāng)前瞄準(zhǔn)偏差是否大于允許值時(shí)，如果大于，則利用模糊控制解算出相應(yīng)的控制指令，否則，相應(yīng)的控制指令設(shè)為0，將控制指令傳送給飛控系統(tǒng)，控制無(wú)人機(jī)飛行，直至無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定投彈點(diǎn)，投放武器，計(jì)算攻擊精度。

圖2中：ΔK、ΔD、ΔH分別為方向瞄準(zhǔn)偏差、距離瞄準(zhǔn)偏差、高度瞄準(zhǔn)偏差；ΔKmin、ΔDmin、ΔHmin分別為方向瞄準(zhǔn)偏差、距離瞄準(zhǔn)偏差、高度瞄準(zhǔn)偏差的最大允許值；ny、nz分別為方位通道、俯仰通道控制信號(hào)。

2 操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊火控/飛控耦合器設(shè)計(jì)

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：變量模糊化、模糊規(guī)則的制定以及控制量的去模糊化［8］。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊過(guò)程流程圖

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

本文利用模糊控制原理設(shè)計(jì)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)包括方位和俯仰兩個(gè)通道的控制，其中方位通道以方向偏差ev、方向偏差變化率ev'作為輸入信號(hào)，以方向舵控制信號(hào)ny作為輸出，來(lái)消除方向瞄準(zhǔn)偏差；俯仰通道以高度偏差eu、高度偏差變化率eu'作為輸入信號(hào)，升降舵控制信號(hào)nz作為輸出，來(lái)消除高度偏差。

無(wú)人機(jī)俯仰通道的控制過(guò)程與方位通道控制相似，所以下面僅對(duì)方位通道控制過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

根據(jù)模糊控制原理，設(shè)計(jì)出的無(wú)人機(jī)方位通道控制系統(tǒng)如圖4所示［8-9］，從圖中可以看出，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制過(guò)程，就要解決輸入值的模糊化、模糊規(guī)則的制定、輸出值的去模糊化等問(wèn)題。

圖4 無(wú)人機(jī)方位通道控制過(guò)程流程圖

為了兼顧系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性，對(duì)輸入信號(hào)模糊化選用的隸屬函數(shù)為三角函數(shù)，瞄準(zhǔn)偏差的模糊子集選擇7個(gè)等級(jí)，分別為“負(fù)大（NB）”、“負(fù)中（NM）”、“負(fù)小（NS）”、“零（0）”、“正?。≒S）”、“正中（PM）”、“正大（PB）”，瞄準(zhǔn)偏差變化率的模糊子集選擇5個(gè)等級(jí)。分別為“負(fù)大（NB）”、“負(fù)?。∟S）”、“零（0）”、“正?。≒S）”、正大（PB）”。其分布如圖5、圖6所示。

圖5 ev論域的模糊子集分布

圖6 ev'論域的模糊子集分布

根據(jù)以下2條原則：①當(dāng)方向瞄準(zhǔn)偏差較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除方向瞄準(zhǔn)偏差為主要目的；②當(dāng)方向瞄準(zhǔn)偏差較小時(shí)，選擇控制量主要防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要目的，再根據(jù)無(wú)人機(jī)的一般性控制規(guī)則及專家經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識(shí)制定的方位通道的模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)方位通道模糊控制規(guī)則表

本文采用面積重心法去模糊化，輸出控制方向舵信號(hào)的法向過(guò)載ny選取5個(gè)模糊子集，所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值為NB，NM，0，PM，PB。其隸屬函數(shù)都選用高斯分布函數(shù)，分布如圖7所示。

圖7 ny論域的模糊子集分布

當(dāng)輸入值變化不大時(shí)，輸出變化也不是很多，所以可以將輸入變量離散化，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)地輸出值，對(duì)應(yīng)輸入輸出關(guān)系如圖8所示。該方法將復(fù)雜模糊計(jì)算離散化，省去大量的計(jì)算時(shí)間，并使控制變得簡(jiǎn)單明確。從圖中可以看出設(shè)計(jì)出的模糊控制器符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 方位通道輸入輸出對(duì)照?qǐng)D

2.2 無(wú)人機(jī)飛行控制過(guò)程

方位通道模糊控制器根據(jù)當(dāng)前方向瞄準(zhǔn)偏差及其變化率解算出無(wú)人機(jī)方向舵控制信號(hào)ny。根據(jù)式（1）可以由ny計(jì)算出無(wú)人機(jī)每一時(shí)刻的航向旋轉(zhuǎn)角速度，根據(jù)式（2）可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)每個(gè)步長(zhǎng)（ΔT）應(yīng)調(diào)整的航向角φ，當(dāng)方向瞄準(zhǔn)偏差的絕對(duì)值小于允許值時(shí)，無(wú)人機(jī)航向旋轉(zhuǎn)角速度為0，航向不變，無(wú)人機(jī)直飛。

俯仰通道控制器根據(jù)當(dāng)前高度偏差解算出無(wú)人機(jī)升降舵控制信號(hào)nz。根據(jù)式（3）可由nz計(jì)算出每一時(shí)刻的俯仰角旋轉(zhuǎn)角速度，根據(jù)式（4）可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)每個(gè)步長(zhǎng)應(yīng)調(diào)整的航向角θ，根據(jù)式（5）解算出由當(dāng)前俯仰角θ以一定過(guò)載n開(kāi)始恢復(fù)平飛時(shí)所需要地調(diào)整高度。當(dāng)該高度與高度偏差相差不大時(shí)（絕對(duì)值小于允許值），無(wú)人機(jī)開(kāi)始恢復(fù)平飛。

3 三維視景仿真及誤差分析

3.1 三維視景仿真

采用Vega Prime和VS 2005對(duì)整個(gè)攻擊過(guò)程進(jìn)行三維視景仿真。

仿真過(guò)程中利用北東地地理坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)始仿真時(shí)，設(shè)定無(wú)人機(jī)攜帶某型炸彈，設(shè)定要求飛行高度為1 500 m，設(shè)定風(fēng)速為10 m/s，風(fēng)向?yàn)?0 °，選擇轟炸模式（水平轟炸、俯沖轟炸、俯沖拉起轟炸、水平拉起轟炸）。獲取無(wú)人機(jī)信息：初始位置為（118.96°，27.21°），速度為300 m/s。無(wú)人機(jī)獲取目標(biāo)位置為（119.69°，26.96°），速度為0 m/s。

當(dāng)無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行高度2 000 m時(shí)，無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行高度高于要求飛行高度，無(wú)人機(jī)高度調(diào)節(jié)過(guò)程如圖9、圖10所示。從圖9、圖10中可以看出在高度調(diào)節(jié)的同時(shí)無(wú)人機(jī)也進(jìn)行方位調(diào)節(jié)。

圖9 無(wú)人機(jī)向下俯沖以調(diào)節(jié)自身高度

仿真開(kāi)始時(shí)需要選擇轟炸方式，根據(jù)所選擇地轟炸方式，無(wú)人機(jī)在投彈前作相應(yīng)地姿態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程分別如圖11～圖14所示。

圖11 水平轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程

圖12 俯沖轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程

圖13 俯沖拉起轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程

圖14 水平拉起轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程

無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定投彈點(diǎn)，投放炸彈，投放炸彈后無(wú)人機(jī)恢復(fù)平飛，安全返航，過(guò)程如圖15所示。

圖15 轟炸完成后返航

3.2 誤差分析

3.2.1 仿真結(jié)果分析

在水平轟炸模式下，對(duì)整個(gè)轟炸過(guò)程進(jìn)行100次仿真，在地理坐標(biāo)系下，得到每次仿真的橫向偏差［10］如圖16所示，縱向偏差如圖17所示。從圖中可以看出在這100次仿真試驗(yàn)中橫向偏差分布在-40～-15范圍內(nèi)，縱向偏差分布在-20～-10范圍內(nèi)。

利用蒙特卡洛法，求得炸彈彈著點(diǎn)的相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量如表2所示［10］。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出轟炸過(guò)程是有效的。

圖16 每次仿真的橫向偏差

圖17 每次仿真的縱向偏差

表2 彈著點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量

3.2.2 影響攻擊精度的誤差源分析

在無(wú)人機(jī)整個(gè)轟炸過(guò)程中影響最終轟炸精度的誤差源有很多，本文主要考慮兩個(gè)誤差源：一是傳感器探測(cè)誤差（只研究目標(biāo)相對(duì)無(wú)人機(jī)的距離誤差）；二是時(shí)間延遲誤差。兩個(gè)誤差源誤差增大時(shí)引起攻擊精度的變化情況分別如圖18、圖19所示。兩個(gè)圖縱軸均表示μx和Ex的變化情況。其中μx為橫向偏差的數(shù)學(xué)期望，Ex為橫向概率偏差，Ex不僅表示彈著點(diǎn)的散布程度，而且表示在x方向上半數(shù)落點(diǎn)的著陸范圍［11］。

從圖18，圖19可以看出兩個(gè)誤差源誤差增大時(shí)，橫向概率偏差基本不變，但橫向偏差的數(shù)學(xué)期望都有不同程度的增大，從圖18可以看出橫向偏差的數(shù)學(xué)期望隨著傳感器誤差的增大近似線性增大，所以要提高最終的攻擊精度就要采用精度更高的傳感器，降低傳感器的探測(cè)誤差；從圖19可以看出很小的時(shí)間延遲就會(huì)引起較大的投彈誤差，而且時(shí)間延遲越長(zhǎng)，對(duì)投彈誤差的影響越大。所以要提高最終攻擊精度就要減小時(shí)間延遲，最大程度地提高無(wú)人機(jī)的自主攻擊能力，減小無(wú)人機(jī)與地面控制站之間的信息交互；如果必須進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，也應(yīng)盡量提高數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾能力，以求盡量縮短延遲時(shí)間。

圖18 攻擊精度隨傳感器誤差變化圖

圖19 攻擊精度隨時(shí)間延遲的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建模仿真及最后誤差分析可知，利用模糊控制設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，可以通過(guò)兩個(gè)通道的模糊控制器對(duì)無(wú)人機(jī)整個(gè)攻擊過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在多種攻擊模式下的自主攻擊，最終使轟炸精度符合系統(tǒng)要求。而且自主攻擊過(guò)程減少數(shù)據(jù)鏈的時(shí)間延遲，大大提高攻擊精度，所以整個(gè)系統(tǒng)具有一定的可行性。同時(shí)也為今后無(wú)人機(jī)自主攻擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考價(jià)值。

［1］唐強(qiáng)，朱志強(qiáng)，王建元.國(guó)外無(wú)人機(jī)自主飛行控制研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26（3）：418-422.

［2］張安，曹璐，郭鳳娟.無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)偵察/打擊一體化自主控制關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.電光與控制，2010，17（1）：1-6.［3］孔韜，魏瑞軒，劉月.自主攻擊型無(wú)人機(jī)的導(dǎo)引技術(shù)研究［J］.飛行力學(xué)，2009，27（4）：93-96.

［4］張安.周志剛.航空綜合火力控制原理［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［5］張化光，何希勤.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［6］尹茂旸，陳哨東，張安，等.無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)操控/自主CCRP攻擊系統(tǒng)建模與仿真［J］.電光與控制，2013，20（2）：1-4.

［7］Nikolos I K，Doitsidis L，Christopoulos V N，et al.Roll Control of Unmanned Aerial Vehicles Using Fuzzy Logic［J］. WSEAS Transactions on Systems，2003，4（2）：1039-1047.

［8］Kurnaz S，Cetin O，Kaynak O.Fuzzy Logic Based Approach to Design of Flight Control and Navigation Tasks for Autonomous Unmanned Aerial Vehicles［J］.Journal of Intelligent and Robotic Systems，2009，54（3）：229-244.

［9］張安，何勝?gòu)?qiáng)，張耀中.飛機(jī)空面精確打擊武器火控系統(tǒng)精度仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（7）：1569-1573.

［10］劉存，湯志荔，張安.大型運(yùn)輸機(jī)空投條件對(duì)落點(diǎn)概率偏差的影響［J］.電光與控制，2013，19（12）：34-37.

Research on Unmanned Aircraft Controlled and Autonomous Attack System Based on Fuzzy Control Theory

ZHANG Yan-xia，ZHANG An，WANG Qiang
（School of Electrical Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

A new system using Fuzzy Control Algorithm is designed with regard to UAV controlled and autonomous attack system，which can converts the aiming deviation calculated by mission system to overloads of three channels which is the UAV flight control commands.The whole bombing process is simulated by Vega Prime and Visual 2005 with three-dimensional.Then bombing error is obtained by dealing with several simulation results through Monte Carlo method.At last，the error sources which influencethebombingprecisionareanalyzed，andtheerrorsourceinfluencesareobtained quantificationally.Simulation results show that the system meet the design requirements.

manipulation guide，autonomous attack，fuzzy control，visual simulation，Monte Carlo method

V249

A

1002-0640（2015）12-0044-04

2014-12-13

2015-02-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61573283）

張艷霞（1989-），女，河南開(kāi)封人，碩士研究生。研究方向：先進(jìn)控制理論與應(yīng)用。