艦載無人直升機(jī)自主著艦方法研究

摘要：針對(duì)我國(guó)無人直升機(jī)艦上使用不易實(shí)現(xiàn)的問題，在研究無人直升機(jī)自主著艦引導(dǎo)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)著艦過程中直升機(jī)與艦船的位置和狀態(tài)建立模型，提出一種基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)與補(bǔ)償、飛機(jī)與艦船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)匹配的自主著艦引導(dǎo)/控制策略，給出了無人直升機(jī)自主著艦引導(dǎo)系統(tǒng)方法，為實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)自主著艦提供了較為有效的解決方法和技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：無人直升機(jī);自主著艦引導(dǎo);著艦控制;運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)與補(bǔ)償;自抗擾控制

中圖法分類號(hào)：V279文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on autonomous landing method of shipborne unmanned helicopter

YU Miao

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China） Abstract：In purpose of solving problem of the difficult implementation of unmanned helicopter for shipboard use， this paper firstly studies autonomous landing schemes for ship-borne unmanned helicopter， then an autonomous tracking scheme based on ship motion measurement and compensation，aircraft and normal motion is proposed. The method of autonomous landing and receiving system of unmanned helicopter is given， which provides a strategic solution and technical means for autonomous launching of unmanned helicopter.

Key words： unmanned helicopter， autonomous carrier landing， landing control， motion prediction and compensation， active disturbance rejection control

1引言

為了順應(yīng)現(xiàn)代海戰(zhàn)的立體化作戰(zhàn)趨勢(shì)，維護(hù)海洋權(quán)益，保障領(lǐng)海安全，世界各國(guó)都在大力研發(fā)艦載無人機(jī)，以保證在海上制空權(quán)爭(zhēng)奪中占得先機(jī)。艦載無人直升機(jī)能夠靈活起降于艦船上，執(zhí)行護(hù)航、反潛、反艦等作戰(zhàn)任務(wù)，艦船伴隨性好，能夠有效補(bǔ)充?；娇樟α?，提升艦艇編隊(duì)的作戰(zhàn)能力，在未來信息化海戰(zhàn)中占據(jù)著舉足輕重的地位[1]。

相比于傳統(tǒng)的地面起降，艦載無人直升機(jī)在中小型艦船上起降更加困難且危險(xiǎn)[2]。這是因?yàn)樵谂灤掀鸾狄资軓?fù)雜的海面氣象狀況、艦船的六自由度擾動(dòng)、異常復(fù)雜的大氣紊流以及極其有限的甲板長(zhǎng)度等因素的影響，這將直接威脅艦載無人直升機(jī)的著艦安全[3]。因此，研究無人直升機(jī)自主著艦技術(shù)，對(duì)艦載無人機(jī)的安全回收具有重要意義。

世界各國(guó)均在不斷加大對(duì)自主著艦系統(tǒng)的研究投入。歐洲國(guó)家因?yàn)楹＼娛褂玫能娕炏鄬?duì)較小，則更偏向于使用中小型海上無人直升機(jī)系統(tǒng)。歐洲制造商正在加緊為這些系統(tǒng)研制適合的遠(yuǎn)海高海環(huán)境下使用的“自主?垂直起降”（Auto?VTOL）系統(tǒng)。

“甲板搜索者”系統(tǒng)是法國(guó)EADS?Astrium公司研制的一種自主垂直起降系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于空間的 GPS 技術(shù)，通過6顆衛(wèi)星與相應(yīng)的機(jī)載接收機(jī)使無人直升機(jī)在固定和移動(dòng)平臺(tái)上完成全自主起飛和著艦，雖然不能預(yù)測(cè)船舶運(yùn)動(dòng)，但可幫助垂直起降的無人機(jī)找到最佳降落點(diǎn)。該系統(tǒng)包括艦船段和機(jī)載段，艦船段可以臨時(shí)快速部署，或永久安裝在艦船的直升機(jī)起降甲板周圍;機(jī)載段則由兩個(gè)向下導(dǎo)向的天線、一個(gè)輕量級(jí)的接收器和一個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)組成，可以配置在任何重量小于1.2kg 的 VTOL?UAS 上。2011年，德國(guó)用1架安裝了“甲板搜索者”系統(tǒng)的瑞士 NEO S?300 VTOL?UAS 在極冷的條件下于德國(guó)聯(lián)邦警方船“布雷德斯泰特”上進(jìn)行了測(cè)試。

在研究目前著艦系統(tǒng)基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)與補(bǔ)償、飛機(jī)與艦船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)匹配的自主著艦引導(dǎo)/控制策略，給出了無人直升機(jī)自主著艦引導(dǎo)系統(tǒng)方法，為實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)自主著艦提供了較為有效的解決方法和技術(shù)手段。

2系統(tǒng)組成與原理

自主著艦系統(tǒng)主要由機(jī)載著艦控制分系統(tǒng)、艦載著艦引導(dǎo)分系統(tǒng)組成[4～7]。

如圖1所示，當(dāng)無人直升機(jī)飛至母艦附近降落時(shí)：（1）艦載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與艦體運(yùn)動(dòng)傳感器將當(dāng)前艦船的位置、速度、姿態(tài)以及海上環(huán)境信息發(fā)送至著艦引導(dǎo)單元，著艦引導(dǎo)單元將艦船信息整合并通過測(cè)控單元上傳至直升機(jī);（2）著艦控制單元根據(jù)接收到的艦船信息，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、垂直陀螺等機(jī)載設(shè)備獲取的直升機(jī)位置、速度、姿態(tài)信息，計(jì)算出直升機(jī)與艦船的相對(duì)位置、姿態(tài)與速度;（3）機(jī)載艦船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與預(yù)測(cè)軟件將根據(jù)艦船的運(yùn)動(dòng)規(guī)律預(yù)估艦船運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并聯(lián)合艦控制單元隨時(shí)調(diào)整飛行操作指令;（4）著艦控制單元將飛行操作指令發(fā)送至飛控單元，調(diào)整直升機(jī)至跟蹤狀態(tài)，最終使無人機(jī)跟隨艦船做平移運(yùn)動(dòng);（5）當(dāng)無人機(jī)與艦船的相對(duì)位置、姿態(tài)與速度保持穩(wěn)定后，控制下降的速度降低飛行高度，接近著艦區(qū)域;（6）通過考慮艦船的搖擺運(yùn)動(dòng)和沉浮運(yùn)動(dòng)，將直升機(jī)與艦船的相對(duì)速度控制在合適的速度之下，并確保在甲板處于水平或下沉狀態(tài)時(shí)觸艦。

至此，艦載無人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)自主著艦。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)及補(bǔ)償技術(shù)

艦載機(jī)需要在艦艇的飛行甲板上進(jìn)行著艦，但艦體因?yàn)槭艿斤L(fēng)浪的影響，會(huì)產(chǎn)生橫搖、縱搖、升沉等運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致著艦區(qū)域產(chǎn)生六自由度的空間位置變化，嚴(yán)重影響著艦安全。艦船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及預(yù)測(cè)技術(shù)能夠降低艦船與直升機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)著艦的不利影響。

分別建立艦船與艦載直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，直升機(jī)在接觸搖擺甲板的瞬間，對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)起決定性作用的是重心的位置、速度及相對(duì)于重心的角位移，即：

直升機(jī)相對(duì)于艦艇甲板中心的坐標(biāo)為：

假定艦船為規(guī)則搖擺，其橫搖、橫向水平位移、升沉運(yùn)動(dòng)可描述為：

采用功率譜密度法，得到艦體運(yùn)動(dòng)模型。在著艦前，自主著艦控制系統(tǒng)引入艦船運(yùn)動(dòng)因素，確保無人機(jī)可以隨動(dòng)艦船。為了顧及艦船的位置信息，采用卡爾曼最優(yōu)濾波原理設(shè)計(jì)艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)估器。同樣地，為了保障飛機(jī)在著艦的最后時(shí)段跟蹤著艦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[8～9]。兼具艦船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及自主著艦導(dǎo)引系統(tǒng)[10]如圖2所示。

3.2自抗擾控制技術(shù)

由于艦載無人直升機(jī)在著艦過程中，機(jī)上沒有飛行員參與直升機(jī)的應(yīng)急控制，而且直升機(jī)不但受到直升機(jī)本體不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，還會(huì)受到海況特點(diǎn)和艦尾氣流擾動(dòng)的影響，因此采用具有自抗擾功能的導(dǎo)引控制系統(tǒng)。

本文采用二階自抗擾控制器設(shè)計(jì)縱向自主著艦導(dǎo)引系統(tǒng)。它采用非線性結(jié)構(gòu)，利用誤差大小和方向來實(shí)施非線性反饋控制，破除了傳統(tǒng)極點(diǎn)配置弊端[11]。

首先，二階跟蹤微分器的方程為：

其次，擴(kuò)張的狀態(tài)觀測(cè)器的方程為：

式（5）中，z21和 z22分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)輸出 y 及其一階導(dǎo)數(shù) y·的估計(jì);z23為擴(kuò)張的狀態(tài)變量表示系統(tǒng)運(yùn)行中擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)。

最后，形成誤差反饋控制律：

由以上三部分即可組成二階自抗擾控制器（ADRC）?；?ADRC 的縱向自主著艦導(dǎo)引系統(tǒng)[12]如圖3所示。

3.3著艦控制策略與控制算法

自主著艦控制系統(tǒng)控制原理：首先，機(jī)載傳感器將實(shí)時(shí)測(cè)得直升機(jī)飛行高度信息傳遞給艦載計(jì)算機(jī)，艦載計(jì)算機(jī)將其與內(nèi)部存儲(chǔ)的理想高度進(jìn)行計(jì)算得出高度偏差量，之后將此偏差量傳遞給設(shè)計(jì)好的導(dǎo)引規(guī)律，并形成導(dǎo)引指令，此導(dǎo)引指令的目標(biāo)是讓此偏差量朝著變小的方向發(fā)展，之后通過無線電數(shù)據(jù)鏈將導(dǎo)引指令發(fā)送到無人艦載直升機(jī)飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)控制直升機(jī)沿著期望的著艦路徑安全著艦。同時(shí)，要求在著艦過程中，艦載直升機(jī)要與艦船隨動(dòng)?；诖嗽恚诳刂撇呗陨?，對(duì)無人直升機(jī)所處的狀態(tài)進(jìn)行細(xì)化，將艦面運(yùn)動(dòng)干擾和陣風(fēng)減緩進(jìn)行區(qū)分。通過這樣的措施，建立起一個(gè)良好的控制對(duì)象，將系統(tǒng)誤差降低到較小的范圍，為控制器提供一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)空間。

4結(jié)束語

本文結(jié)合艦載無人直升機(jī)自主著艦的機(jī)艦運(yùn)動(dòng)特性與環(huán)境影響因素，提出了一種基于艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)與補(bǔ)償、飛機(jī)與艦船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)匹配的自主著艦引導(dǎo)/控制策略，給出了無人直升機(jī)自主著艦引導(dǎo)系統(tǒng)方法，為實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)自主著艦提供了較為有效的解決方法和技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]高嘉景.海軍艦載無人機(jī)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船電子工程，2004（3）：16?19+25.

[2]唐大全，畢波，王旭尚，等.自主著陸/著艦技術(shù)綜述[ J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，18（5）：550?555.

[3]崔麥會(huì)，周建軍，陳超.無人機(jī)艦載應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].航空科學(xué)技術(shù)，2004（5）：31?33.

[4]謝建東.無人直升機(jī) GPS/INS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[D].南京：南京航天大學(xué)，2005.

[5]杜平，張佳麗.一種艦載直升機(jī)著艦?zāi)Ｐ偷慕⑴c分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（6）：102?106.

[6]王文濤，張志春.直升機(jī)著艦動(dòng)力學(xué)特性仿真[ J].四川兵工學(xué)報(bào)，2009，30（11）：68?70.

[7]烏蘭巴根，胡繼忠，徐元銘.無人直升機(jī)自主著艦系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真試驗(yàn)[ J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（8）：986?990.

[8]余勇，楊一棟.基于卡爾曼濾波理論的甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估技術(shù)研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2002（4）：381?384.

[9]彭秀艷，王志文，吳鑫.艦載機(jī)縱向自動(dòng)著艦控制[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2011，6（2）：172?177.

[10]張永花，周鑫.縱向甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)研究[J].電光與控制，2012，19（4）：18?22.

[11]李冀鑫，侯志強(qiáng)，鄭小洪.艦載飛機(jī)縱向著艦自抗擾導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].飛行力學(xué)，2008（2）：13?15+24.

[12]李冀鑫，侯志強(qiáng)，鄭小洪，等.縱向著艦二階自抗擾導(dǎo)引控制律設(shè)計(jì)[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（2）：139?142.

作者簡(jiǎn)介：

于淼（1967—），本科，高級(jí)工程師，研究方向：新概念武器。