基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的無(wú)人機(jī)著艦航向指令修正方法

華藝欣 肖奔

摘要：本文提出一種基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的無(wú)人機(jī)航向指令修正方法，以實(shí)時(shí)估算艦船所遭遇海浪的幅值與頻率，在線(xiàn)預(yù)計(jì)艦船運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)著艦時(shí)的艦船狀態(tài)信息，并利用這些信息生成無(wú)人機(jī)的航向與航跡角修正指令，以使著艦時(shí)無(wú)人機(jī)與理想著艦點(diǎn)之間的偏差最小。最后利用該方法給出了典型艦船動(dòng)態(tài)特性的高精度仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：自主著艦系統(tǒng)，艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè);實(shí)時(shí)估算;指令修正;理想觸艦點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：V429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在自主著艦的過(guò)程中，由于理想著艦點(diǎn)、進(jìn)艦速度、航向和俯仰姿態(tài)等有嚴(yán)格限制，艦載無(wú)人機(jī)自主著艦具有極大的難度。若要在陣風(fēng)擾動(dòng)、通信丟失、高海況、艦船運(yùn)動(dòng)等情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確著艦，則面臨更大的挑戰(zhàn)[1]。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的無(wú)人機(jī)航向指令修正方法，包括艦船運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和決定無(wú)人機(jī)著艦最優(yōu)軌跡的算法，主要目標(biāo)是利用著艦前l(fā)os預(yù)測(cè)的艦船狀態(tài)，來(lái)修正無(wú)人機(jī)著艦階段航向與航跡角等。

假定滿(mǎn)足如下要求[2]：（1）算法對(duì)中等以下海況有效;（2）艦船轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)速率不大于0.5（°）/s;（3）飛控系統(tǒng)具有抗風(fēng)擾著艦?zāi)芰?，艦船甲板風(fēng)影響可以忽略;（4）算法需要利用船體軸系下含有當(dāng)前艦船姿態(tài)、速率和加速度信號(hào)，在距艦船18km范圍內(nèi)可以獲取這些信號(hào)，并按20Hz頻率接收;（5）在這些信號(hào)瞬時(shí)丟失時(shí)，艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型是穩(wěn)定的。

1 艦船運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)

1.1 頻率估算

要得到準(zhǔn)確的艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)計(jì)模型，就必須準(zhǔn)確估算海浪頻率。由于從開(kāi)始進(jìn)場(chǎng)到著艦有相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間段，所以可以采用傅里葉變換估算波浪頻率。傅里葉變換（FFT）廣泛用于有噪信號(hào)的多頻率估算。圖1給出了從有噪信號(hào)（如圖1（a）所示）中獲取的波浪頻率（如圖1（b）所示），頻率估算誤差如圖1（c）所示。由圖1可知，F(xiàn)FT可得到精確的頻率估算。

1.2 幅值估算

一旦頻率已知，波浪模型的幅值等參數(shù)變?yōu)榫€(xiàn)性，許多參數(shù)估算技術(shù)可以用來(lái)估算幅值。這里選擇最小二乘算法，因?yàn)槠渚雀?，運(yùn)算簡(jiǎn)便。估算結(jié)果如圖2所示。

2 相對(duì)船體軌跡的優(yōu)化算法

這種優(yōu)化算法的主要目標(biāo)是利用艦船運(yùn)動(dòng)模型來(lái)預(yù)測(cè)并修正著艦參數(shù)從而得到甲板運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上還可以修正對(duì)準(zhǔn)跑道的中心線(xiàn)、下滑道、俯仰角等來(lái)獲得著艦點(diǎn)在漂移限制范圍內(nèi)的精確著陸。最終目標(biāo)是獲取艦載機(jī)進(jìn)艦著艦的最優(yōu)軌跡。

設(shè)計(jì)算法時(shí)假定以下條件成立：

（1）在進(jìn)艦過(guò)程的最后20s內(nèi)，艦船運(yùn)動(dòng)盡可能穩(wěn)定;

（2）對(duì)于相同的艦船運(yùn)動(dòng)和引言規(guī)定的海況，算法有效;

（3）若著艦之前的 5s內(nèi)艦船數(shù)據(jù)鏈中斷后，飛機(jī)繼續(xù)進(jìn)艦和逃逸時(shí)，算法有效。

甲板運(yùn)動(dòng)時(shí)的下滑道與對(duì)中修正示意圖如圖3所示。逃逸時(shí)，指令發(fā)生器產(chǎn)生期望的速度（全加力）和對(duì)中，以便安全復(fù)飛。

3 無(wú)人機(jī)理想運(yùn)動(dòng)模型

與陸基飛機(jī)著陸不同，艦載機(jī)著艦下滑不經(jīng)過(guò)平飄，而是沿一特定軌道進(jìn)行帶動(dòng)力勻速直線(xiàn)下滑[3，4]。假定無(wú)人機(jī)以相對(duì)艦船的恒定速度v*進(jìn)艦，則無(wú)人機(jī)相對(duì)斜角甲板坐標(biāo)系的理想位置定義如下：式中：x_ca為艦船位置，d為無(wú)人機(jī)與艦船之間的初始距離。

由式（1）～式（3）可以得到無(wú)人機(jī)的理想速度：

同樣，由式（4）～式（6）可以得到無(wú)人機(jī)的理想加速度：

4 用于艦船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕嵌刃拚?/p>

下面分析用于艦船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)[5]。

由于艦船升沉、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，著艦點(diǎn)的實(shí)際位置X_ca，y_ca和z_ca不同于理想位置。補(bǔ)償這一誤差可以分為兩部分：飛行航跡角修正和無(wú)人機(jī)最終著陸階段的航向修正。在著艦前10s執(zhí)行修正。z軸方程形式如下：式中：t_F為理想著艦時(shí)刻。

著艦時(shí)的理想z值為：

將艦船升沉、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致著艦點(diǎn)z向坐標(biāo)的復(fù)合擾動(dòng)標(biāo)注為△Z_N。航跡角補(bǔ)償中各變量關(guān)系如圖4所示。

圖4中，d_N=10v*，據(jù)此則有：

式（7）～式（10）忽略了實(shí)際著艦與理想著艦之間的時(shí)差影響。假如時(shí)差大，可用迭代方法計(jì)算著艦時(shí)刻t_F的實(shí)際著艦點(diǎn)。

5 仿真結(jié)果

仿真由高逼真度的艦船動(dòng)力學(xué)模型和8個(gè)不同頻率正弦函數(shù)疊加的海浪動(dòng)力學(xué)模型組成。海浪運(yùn)動(dòng)影響艦船的縱搖、升沉和橫搖運(yùn)動(dòng)及其速率，滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航及其速率。由圖5可知，根據(jù)艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)能準(zhǔn)確估算所有變量（實(shí)線(xiàn)為實(shí)際變量，虛線(xiàn)為預(yù)測(cè)變量）。為驗(yàn)證預(yù)測(cè)能力，將著艦前的最后10s曲線(xiàn)放大，如圖6所示（實(shí)線(xiàn)為實(shí)際變量，虛線(xiàn)為預(yù)測(cè)變量）?？梢钥吹?0s內(nèi)的所有變化均可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出來(lái)，并且確保誤差均在要求范圍內(nèi)。著艦時(shí)的預(yù)測(cè)誤差及誤差要求見(jiàn)表1，由表可知預(yù)測(cè)誤差滿(mǎn)足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了讓艦載無(wú)人機(jī)在各種不利條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確著艦，本文提出了基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的無(wú)人機(jī)航向指令修正方法，包括艦船運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和決定無(wú)人機(jī)著艦最優(yōu)軌跡的算法，主要目標(biāo)是利用著艦前l(fā)os預(yù)計(jì)的艦船狀態(tài)來(lái)修正無(wú)人機(jī)著艦階段航向與航跡角等。仿真結(jié)果表明，艦船運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可以準(zhǔn)確估算所有變量，從而對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)有實(shí)際的應(yīng)用參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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