基于多傳感器融合的兩棲突擊車火力控制算法優(yōu)化?

（海軍陸戰(zhàn)隊(duì)訓(xùn)練基地 廣州 510430）

1 引言

隨著高性能的兩棲突擊車列裝海軍陸戰(zhàn)部隊(duì)，對(duì)兩棲突擊車的火力攻擊的穩(wěn)定性提出了更高的要求，兩棲突擊車的火力控制涉及到兩棲突擊車的車身調(diào)整控制、位姿參量控制、彈藥裝填控制、彈藥出管控制以及人機(jī)融合控制等各個(gè)方面，兩棲突擊車火力控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)能提高兩棲突擊車的生存能力和作戰(zhàn)能力，研究?jī)蓷粨糗嚮鹆刂苾?yōu)化方法在海軍裝備革新和作戰(zhàn)效果優(yōu)化中具有很好的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)的控制算法研究受到人們的極大重視［1］。

兩棲突擊車的火力控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性動(dòng)力系統(tǒng)，控制算法的優(yōu)化過程是對(duì)控制參量的優(yōu)化調(diào)整和信息融合過程，采用傳感器進(jìn)行兩棲突擊車的位姿參量、彈藥進(jìn)出管參量以及攻擊相位角等參數(shù)的優(yōu)化采集和信息融合處理［2］，結(jié)合自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)火力控制系統(tǒng)的優(yōu)化。典型的控制算法優(yōu)化模糊PID算法、自適應(yīng)誤差修正算法、非線性反演控制算法等［3～5］，上述算法在進(jìn)行兩棲突擊車的火力控制中存在非線性失真和模型參數(shù)不確定性等問題，導(dǎo)致控制過程的收斂性不好，全局不穩(wěn)定性效果不佳。針對(duì)上述問題，本文提出一種基于多傳感器融合和微慣性彈藥出管調(diào)整的兩棲突擊車火力控制算法，采用陀螺儀測(cè)量?jī)x等敏感傳感器元件進(jìn)行兩棲突擊車火力攻擊姿態(tài)數(shù)據(jù)的信息采集，利用微慣性傳感系統(tǒng)讀取兩棲突擊車火力攻擊和兩棲突擊車的車身位姿數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器量化融合方法進(jìn)行火力攻擊中的控制約束參量調(diào)節(jié)和自適應(yīng)誤差補(bǔ)償，采用卡爾曼濾波處理處理方法進(jìn)行火力控制中的參數(shù)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)兩棲突擊車的火力控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測(cè)試，展示了本文方法進(jìn)行兩棲突擊車火力控制中的優(yōu)越性能。

2 控制約束參量分析和控制對(duì)象描述

2.1 控制約束參量分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩棲突擊車火力控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用傳感器、加速度計(jì)以及磁力計(jì)等敏感元件進(jìn)行控制參數(shù)采集，采集的兩棲突擊車的火力控制約束參數(shù)有姿態(tài)信息、火力攻擊位姿信息、角度信息、出管彈藥量信息等，在姿態(tài)載體運(yùn)動(dòng)約束模型下，結(jié)合多傳感器量化融合和Kalman濾波方法［6］，進(jìn)行火力控制參量調(diào)節(jié)和信息融合處理，實(shí)現(xiàn)兩棲突擊車火力控制，得到兩棲突擊車火力控制的總體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩棲突擊車火力控制的總體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

考慮由N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建的控制參數(shù)采集系統(tǒng)，采用多傳感器信息融合方法進(jìn)行兩棲突擊車的火力控制優(yōu)化，構(gòu)建兩棲突擊車火力控制的模糊線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用相應(yīng)的誤差融合方法，得到兩棲突擊車火力控制問題描述為

其中，x(k)∈Rn×1為兩棲突擊車的車位狀態(tài)，A(k)∈Rn×n為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，兩棲突擊車火力控制的干擾項(xiàng)w(k)是均值為零且方差為Q(k)的高斯白噪聲，Γ(k)為表示傳感器數(shù)據(jù)的采樣矩陣。zi(k)∈Rp×1為第i個(gè)傳感器采集的兩棲突擊車火力控制的彈藥輸出測(cè)量值，Hi(k)∈Rp×n為相應(yīng)的測(cè)量矩陣，火力控制的模糊約束參量ui(k)∈Rp×1是均值為零且方差為Di(k)的高斯白噪聲。結(jié)合模糊決策和自適應(yīng)控制方法［7］，對(duì)w(k)與ui(k)進(jìn)行慣性誤差修正，得到兩棲突擊車火力控制的慣性調(diào)節(jié)函數(shù)為

在限定初始狀態(tài)下，得到誤差修正的測(cè)量函數(shù)x(0)均值為x0，方差為P0，將陀螺儀采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Kalman濾波處理，得到輸出的測(cè)量參數(shù)獨(dú)立于w(k)和ui(k)，i=1'2'…'N。當(dāng)兩棲突擊車處于非加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將加速度和磁力計(jì)采集的原始數(shù)據(jù)作為原始輸入?yún)?shù)，進(jìn)行參量融合和跟蹤識(shí)別，提高控制輸出的穩(wěn)定性。

2.2 控制對(duì)象分析及微慣性傳感調(diào)節(jié)

采用陀螺儀測(cè)量?jī)x等敏感傳感器元件進(jìn)行兩棲突擊車火力攻擊姿態(tài)數(shù)據(jù)的信息采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制對(duì)象分析，利用微慣性傳感系統(tǒng)讀取兩棲突擊車火力攻擊和兩棲突擊車的車身位姿數(shù)據(jù)，使用小擾動(dòng)理論進(jìn)行分段控制［8］，得到兩棲突擊車的火力系統(tǒng)傾斜操縱機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)函數(shù)描述為

上式中，Δi(k'r)表示k時(shí)刻第i個(gè)微慣性傳感器的測(cè)量值，采用增量調(diào)節(jié)方法，得到第r個(gè)分量的量化步長(zhǎng)，r=1'2'…'p。在小擾動(dòng)的前提下進(jìn)行火力抖振的誤差補(bǔ)償和反饋調(diào)節(jié)［9］，得到火力控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)輸出為

考慮兩棲突擊車火力控制模型的非線性，得到火力控制系統(tǒng)微慣性傳感調(diào)節(jié)特性遞推公式計(jì)算：

結(jié)合傳感器量化融合方法進(jìn)行火力攻擊中的控制約束參量調(diào)節(jié)和自適應(yīng)誤差補(bǔ)償［10］，結(jié)合模糊控制方法進(jìn)行兩棲突擊車的火力控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 控制算法優(yōu)化

在上述采用陀螺儀測(cè)量?jī)x等敏感傳感器元件進(jìn)行兩棲突擊車火力攻擊姿態(tài)數(shù)據(jù)的信息采集，利用微慣性傳感系統(tǒng)讀取兩棲突擊車火力攻擊和兩棲突擊車的車身位姿調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行火力控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文提出一種基于多傳感器融合和微慣性彈藥出管調(diào)整的兩棲突擊車火力控制算法，用卡爾曼濾波處理處理方法進(jìn)行火力控制中的參數(shù)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)［11］，得到火力控制的輸出穩(wěn)態(tài)概率密度特征量P(k|k)的信息矩陣為

構(gòu)建Lyapunov函數(shù)進(jìn)行兩棲突擊車火力控制的出管誤差調(diào)節(jié)［12］，采用反演積分補(bǔ)償方法，得到兩棲突擊車火力控制的慣性姿態(tài)參量融合信息矩陣為

設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，采用誤差反饋調(diào)節(jié)方法進(jìn)行反演控制［13］，得到兩棲突擊車火力控制輸出的模型參數(shù)為

結(jié)合信息狀態(tài)進(jìn)行多傳感信息融合，根據(jù)信息融合結(jié)果，進(jìn)行兩棲突擊車火力控制的過程優(yōu)化，得到控制律：

其中，火力控制中的參數(shù)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)向量為

在兩棲突擊車處于多管火力攻擊狀態(tài)下，火力攻擊輸出的控制參數(shù)經(jīng)閉環(huán)系統(tǒng)后的狀態(tài)矩陣滿足：

當(dāng)姿態(tài)反饋校正時(shí)延τk大于一個(gè)采樣周期時(shí)，結(jié)合信息狀態(tài)向量估計(jì)值的，得到優(yōu)化的控制律為

結(jié)合Lyapunov穩(wěn)定性原理，得到本文設(shè)計(jì)的兩棲突擊車火力控制算法的穩(wěn)定收斂的。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文的算法在實(shí)現(xiàn)兩棲突擊車火力攻擊穩(wěn)定性控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，搭建硬件平臺(tái)包括三軸陀螺儀L3G4200D、三軸電子羅盤LSM303DLH以及兩棲突擊車火力集成系統(tǒng)AMS，控制算法采用Matlab 7設(shè)計(jì)，設(shè)置兩棲突擊車的火力控制傳感信息采樣周期為0.02s，自適應(yīng)控制參量調(diào)節(jié)周期為0.50s，模糊控制的迭代步數(shù)分 別 設(shè) 定 為 μ=A 5000， μ=A 10000 μ=A 15000，擾動(dòng)強(qiáng)度設(shè)定為-12dB，相關(guān)系數(shù)選取為 η12=0.6，η23=0.4，η13=0.2，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，分別采用本文方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行控制性能仿真測(cè)試，傳統(tǒng)方法分別為PID控制算法、反演控制算法和積分控制算法，分別記為A1，A2和A3，分別測(cè)試三種算法進(jìn)行兩棲突擊車火力控制的速度和位置控制曲線如圖2所示。

圖2 三種控制算法對(duì)兩棲突擊車火力控制位置和速度估計(jì)曲線

分析圖2得知，采用本文方法進(jìn)行兩棲突擊車火力控制，對(duì)火力攻擊點(diǎn)的位置控制精度較好，對(duì)兩棲突擊車的自身速度和火力輸出速度的控制跟蹤性較好，提高對(duì)對(duì)敵目標(biāo)的攻擊能力。進(jìn)一步測(cè)試不同方法進(jìn)行火力控制的誤差，得到對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3得知，本文方法進(jìn)行兩棲突擊車火力控制，降低了攻擊誤差，提高了火力攻擊的準(zhǔn)確性，在攻擊目標(biāo)的初始狀態(tài)為下進(jìn)一步測(cè)試火力控制性能，得到結(jié)果如圖4所示。

分析圖4得知，在目標(biāo)位置突變的情況下，采用本文方法進(jìn)行兩棲突擊車火力控制，能準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)位置和速度，提高了火力攻擊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，火力控制效能較好。

圖3 火力控制的誤差估計(jì)曲線

圖4 不同算法的控制性能估計(jì)曲線

5 結(jié)語

研究?jī)蓷粨糗嚮鹆刂苾?yōu)化方法在海軍裝備革新和作戰(zhàn)效果優(yōu)化中具有很好的應(yīng)用價(jià)值，為了提高兩棲突擊車的火力攻擊穩(wěn)定性，本文提出一種基于多傳感器融合和微慣性彈藥出管調(diào)整的兩棲突擊車火力控制算法。采用陀螺儀測(cè)量?jī)x等敏感傳感器元件進(jìn)行兩棲突擊車火力攻擊姿態(tài)數(shù)據(jù)的信息采集，利用微慣性傳感系統(tǒng)讀取兩棲突擊車火力攻擊和兩棲突擊車的車身位姿數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器量化融合方法進(jìn)行火力攻擊中的控制約束參量調(diào)節(jié)和自適應(yīng)誤差補(bǔ)償，采用卡爾曼濾波處理方法進(jìn)行火力控制中的參數(shù)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，采用該方法進(jìn)行兩棲突擊車火力控制的穩(wěn)定性較好，兩棲突擊車的位姿調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，輸出參量誤差較小，對(duì)目標(biāo)的火力攻擊準(zhǔn)確性較好，提高火力控制的品質(zhì)。