CN109358645B - 一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路及制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路，包括于无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的回收航路和调整航路；所述回收航路为由航点4和航点3连接成的线性航路，所述航点4为舰艇绳钩回收架所在点位，所述航点3为沿舰艇航向反向800‑1000m的位置点；所述调整航路为依次由航点3、航点2、航点1和航点0连接成的非线性航路，所述航点2为沿舰艇航向反向加90°或减90º距航点3距离100‑300m的位置点，且航点3和航点2间成半圆形航路；所述航点1为沿舰艇航向距航点2距离500‑700m位置点；所述航点1为无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的位置点。本发明适用于舰载无人机绳钩回收段制导，满足无人机绳钩回收高精度和特定方向性回收的需求。

Description

一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路及制导方法

技术领域

本发明涉及小型舰载无人机自适应精确绳钩回收制导技术领域，具体涉及一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路及制导方法。

背景技术

无人机绳钩回收是一种理想的新型精确定点回收方式，特别适合小型固定翼无人机在狭窄回收场地或舰船上使用，可认为它是一种零距离回收方式：即在导引装置指引下，控制无人机回收航迹，使机翼翼尖小钩捕获悬挂在回收***吊杆上的拦阻绳，实现无人机平稳、准确地完成垂绳拦阻回收。

目前，制导与控制相关文献集中于撞网回收。而相比撞网回收，绳钩回收对控制精度要求更高。

现有技术中，《舰载无人机撞网回收自适应制导技术》在借鉴导弹比例导引方法，形成无人机撞网回收纵向自适应制导方案。比例导引在动目标跟踪上具有通用性，但是绳钩回收其绳钩设置在舰艇一侧，无人机只能从特定方向跟踪接近回收网，而采用比例导引无人机接近目标时具有不确定方向，因此无人机容易撞到舰桥等舰上高大建筑物。

对于采用比例导引无人机接近目标时，由于飞行方向的不确定性，无人机容易撞到舰桥等舰上高大建筑物的问题，文献《基于相对航迹预测的无人机垂直撞网回收制导律设计》中采用航迹预测的方式以解决无人机撞网需要特定方向的问题。但是，文中只描述了无人机相对舰艇直线尾追段横侧向导引与控制，没有进一步提出无人机在远离舰艇初始速度方向返航回收时，如何引导无人机进入直线尾追回收段的方法。此外，文中采用基于侧偏距和航迹误差角生成滚转角指令，该方法为常规线性PID方法，航迹跟踪精度较低。因此为提高航迹跟踪精度采用改进的非视线导引方法完成期望航迹的精准跟随。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路及制导方法，在无人机绳钩回收过程中，提供一种无人机返航回收时的制导航路及制导方法，无人机在任意位置都可依据本制导航路及制导方法返航。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路，包括于无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的回收航路和调整航路；

所述回收航路为由航点4和航点3连接成的线性航路，所述航点4为舰艇绳钩回收架所在点位，所述航点3为沿舰艇航向反向800-1000m的位置点；

所述调整航路为依次由航点3、航点2、航点1和航点0连接成的非线性航路，所述航点2为沿舰艇航向反向加90°或减90°距航点3距离100-300m的位置点，且航点3和航点2间成半圆形航路；

所述航点1为沿舰艇航向距航点2距离500-700m位置点；

所述航点1为无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的位置点。

进一步地，在地球平面直角坐标系中，无人机返航时刻t₀的位置坐标为(x_m,y_m)，舰艇航向角为ψ_ship，航点4和航点3的距离为L₂，航点3和航点2间半圆形航路的直径为D，航点2和航点1的距离为L₀；

航点3的位置坐标(x₃,y₃)可表达如下：

航点2的位置坐标(x₂,y₂)可表达如下：

航点1的位置坐标(x₁,y₁)可表达如下：

进一步地，所述航点4为舰艇绳钩回收架所在点位，高度为理想撞绳点高度；

所述航点3为航点4沿舰艇航向反向900m的点，高度为相对甲板25m；

所述航点2为沿舰艇航向反向加90°或减90°距航点3距离200m的点，高度为相对甲板25m；

所述航点1为沿舰艇航向距航点2距离600m的点，高度为相对甲板50m；

所述航点0为无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的位置，高度为无人机当前高度。

进一步地，所述航点4的理想撞绳点高度为距离甲板10m。

本发明的另一技术方案，一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，包括上述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路。

进一步地，还包括用于调整无人机实际飞行轨迹至期望轨迹的控制律；

所述控制律包括横侧向航迹跟踪控制和纵向高度跟踪控制。

进一步地，所述横侧向航迹跟踪控制方法包括如下步骤：

(1)依据期望轨迹、无人机的当前地速矢量V_g、无人机的前方视线L₁以及无人机的当前地速矢量V_g与前方视线L₁的视线角η，其中，无人机的前方视线L₁的起点与当前地速矢量V_g的起点重合、无人机的前方视线L₁的终点相交于期望轨迹；计算出圆弧C，所述圆弧C的两端分别与前方视线L₁的起点和终点重合，且圆弧C的一端与当前地速矢量V_g相切

(2)计算出期望的侧向加速度为：

(3)根据侧向加速度与靶机滚转角计算出滚转角指令为：

γ_g＝tan^-1(a_cmd/g)

进一步计算得：

(4)依据滚转角计算出：

副翼舵：

其中：

为滚转角控制增益，γ为滚转角，γ_g为滚转角指令，

为滚转角速率控制增益，ω_x为无人机滚转角速率；

方向舵：

其中：

其中，

为偏航角速率控制增益，ω_y为无人机偏航角速率，g为重力加速度，V为当前无人机速度。

进一步地，所述纵向高度跟踪控制方法包括调整航路控制律和回收航路控制律；

(1)调整航路控制律为：从航点0→航点1→航点2→航点3的控制律：

其中，

为俯仰角控制增益，

为俯仰阻尼控制增益，

为高度控制增益，

为高度变化率控制增益，

为纵向通道滚转补偿增益，

为俯仰角，

为俯仰角给定指令，ω_z俯仰角速率，H为无人机高度，H_g为高度给定指令，

为高度变化率，γ为滚转角；

(2)回收航路控制律为：从航点3→航点4控制律：

升降舵：

其中，

为俯仰角控制增益，θ为俯仰角，θ_g为俯仰角给定指令，

为指数曲线高度控制增益，H为无人机高度，H_e为指数曲线装订高度，

为指数曲线高度变化率控制增益，

为高度变化率，

为指数曲线高度变化率装订值，

为俯仰阻尼控制增益，ω_z为俯仰角速率，

为纵向通道滚转补偿增益，γ为滚转角。

进一步地，H_e的计算方法为：H_e＝H₂+(H₁-H₂)·e^-t/τ；

的计算方法为：

H₁＝H₂+15；

其中，H₁为截获高度，H₂为拉平高度，τ为时间常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明适用于舰载无人机绳钩回收段制导，满足无人机绳钩回收高精度和特定方向性回收的需求，即无人机在回收捕获段需要具备自适应航路调整能力，使之能够与舰船导引***对接成功并顺利进入预定的回收区；本发明对绳钩回收无人机回收制导与控制具有普适性；

(2)本发明是一种基于动态航路生成与视线导引相结合的自适应绳钩回收制导方法；在无人机横侧向平面内基于动态航路生成方法设计特定方向(尾追方向)的绳钩回收制导策略；待无人机进入尾追回收段设计非线性视线导引律，完成动态即时航路的高精度跟踪与控制；本发明通过多次舰载无人机水上动基站绳钩回收飞行应用试验，验证了本发明方法的有效性；

附图说明

图1为无人机绳钩回收示意图；

图2为无人机实时动态回收航路图；

图3为无人机回收时相对甲板的高度示意图；

图4为视线导引原理图；

图5为无人机绳钩回收阶段遥测数据图；

图6为无人机绳钩回收阶段侧偏距遥测数据图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路，包括于无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时根据舰艇当前的位置和航向角生成的自适应动态回收制导航路，所述自适应动态回收制导航路包括回收航路和调整航路；

所述回收航路为由航点4和航点3连接成的线性航路；所述调整航路为依次由航点3、航点2、航点1和航点0连接成的非线性航路；

其中，所述航点4为舰艇绳钩回收架所在点位，高度为距离甲板上方10m处，所述航点4也可称为撞绳点；

所述航点3根据航点4生成，为航点4沿舰艇航向反向900m的点，高度为相对甲板上方25m，所述航点3也可称为捕获点；

所述航点2根据航点3生成，为沿舰艇航向反向加90°(左转回收)或减90°(右转回收)距航点3距离200m的点，且航点3和航点2间成半圆形航路，高度为相对甲板上方25m；所述航点2也可称为转弯点；从而形成航点2到航点3的转弯直径D＝200m：

所述航点1根据航点2生成，为沿舰艇航向距航点2距离600m的点，高度为相对甲板上方50m；

所述航点0为无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的位置，高度为无人机当前高度，航点0的数据仅在返航的初始时刻采集一次；

在无人机进入回收模态后，无人机按照航点0、航点1、航点2、航点3飞行；调整航路0→1→2→3用于无人机对准舰艇回收方向调整；

当无人机未过航点3时，考虑到舰艇行进速度相对无人机较小，因此调整航路0→1→2→3可按照低实时性要求设计，此航路每1分钟刷新一次；

当无人机过航点3后，航点3和航电4组成回收航路3→4，该航路对实时性要求高，因此该航路根据航点4的即时位置和舰艇航向按照测控上行链路80ms刷新生成一次；

无人机通过给定上述动态航路生成，完成外回路轨迹制导，实现精确绳钩回收。

在设定的某一地球平面直角坐标系中，依据无人机回收制导航路由舰艇经度、纬度、高度和航向，即：无人机返航时刻t₀的位置坐标为(x_m,y_m)，舰艇航向角为ψ_ship，航点4和航点3的距离为L₂，航点3和航点2间半圆形航路的直径为D，航点2和航点1的距离为L₀；

航点3的位置坐标(x₃,y₃)可表达如下：

航点2的位置坐标(x₂,y₂)可表达如下：

航点1的位置坐标(x₁,y₁)可表达如下：

本发明所述的一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，包括上述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路；

还包括用于调整无人机实际飞行轨迹至期望轨迹的控制律；所述控制律包括横侧向航迹跟踪控制和纵向高度跟踪控制；

1)所述横侧向航迹跟踪控制方法包括如下步骤：

(1)基于视线导引的航迹跟踪控制方法是引入无人机的前方视线L₁以及无人机的当前地速矢量与前方视线L₁的视线角η，通过空间几何关系以及机体运动学方程，推导出一种非线性连续圆弧跟踪控制的航迹算法。基本原理如图3所示，其中V_g为无人机在水平面的地速矢量，C为半径为R的圆弧与无人机相切，L₁为无人机前方视线矢量并与圆弧C以及期望航迹相交，根据几何关系与运动学机理，可以得出期望的侧向加速度为

(2)为了实现航迹跟踪控制，通过选择视线长度|L₁|并实时计算视线角η，在满足协调转弯的基础上，根据侧向加速度与靶机滚转角之间关系可以得到给定的滚转角指令为：

γ_g＝tan^-1(a_cmd/g)

进一步计算得：

(3)横侧向控制律如下：

副翼舵：

其中：

为滚转角控制增益，γ为滚转角，γ_g为滚转角指令，

为滚转角速率控制增益，ω_x为无人机滚转角速率；

方向舵：

其中：

其中，

为偏航角速率控制增益，ω_y为无人机偏航角速率，g为重力加速度，V为当前无人机速度。

2)所述纵向高度跟踪控制方法包括调整航路控制律和回收航路控制律；

其中，调整航路控制律为：从航点0→航点1→航点2→航点3的控制律：

其中，

为俯仰角控制增益，

为俯仰阻尼控制增益，

为高度控制增益，

为高度变化率控制增益，

为纵向通道滚转补偿增益，

为俯仰角，

为俯仰角给定指令，ω_z俯仰角速率，H为无人机高度，H_g为高度给定指令，

为高度变化率，γ为滚转角；

(2)回收航路控制律为：从航点3→航点4控制律：

为实现快速追踪回收航路3→4快速下高和精准高度跟踪，航点3到航点4高度下降采用指数曲线下滑方式，快速追踪回收航路3→4高度跟踪控制律如下：

升降舵：

其中，

为俯仰角控制增益，θ为俯仰角，θ_g为俯仰角给定指令，

为指数曲线高度控制增益，H为无人机高度，H_e为指数曲线装订高度，

为指数曲线高度变化率控制增益，

为高度变化率，

为指数曲线高度变化率装订值，

为俯仰阻尼控制增益，ω_z为俯仰角速率，

为纵向通道滚转补偿增益，γ为滚转角；

H_e的计算方法为：H_e＝H₂+(H₁-H₂)·e^-t/τ；

的计算方法为：

H₁＝H₂+15；

其中，H₁为截获高度，H₂为拉平高度，τ为时间常数。

其中，θ_g为8°，H₁＝H₂+15，H₂＝10(由实际回收高度决定)，τ＝5s，

当

时，

当

时，

在某绳钩回收无人机上采用如上方法，进行科研试飞时，其高度和侧偏距遥测数据如图5和图6所示。由图5和图6可知，该制导方法能够自适应调整回收方向，快速修正航迹和高度，满足撞绳精度要求。

由于舰船的运动以及舰船甲板空间的要求，无人机回收过程的进场方位需要进行控制，以防无人机对舰船造成威胁。因此，无人机在回收捕获段需要具备航路调整能力，使之能够与舰船导引***对接成功并顺利进入预定的回收区。当无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令后，无人机进入回收模态。本发明适用于舰载无人机绳钩回收段制导，满足无人机绳钩回收高精度和特定方向性回收的需求，即无人机在回收捕获段需要具备自适应航路调整能力，使之能够与舰船导引***对接成功并顺利进入预定的回收区。该方法对绳钩回收无人机回收制导与控制具有普适性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，其特征在于：包括小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路，所述小型舰载无人机自适应绳钩回收制导航路包括于无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的回收航路和调整航路；

所述回收航路为由航点4和航点3连接成的线性航路，所述航点4为舰艇绳钩回收架所在点位，所述航点3为沿舰艇航向反向800-1000m的位置点；

所述调整航路为依次由航点3、航点2、航点1和航点0连接成的非线性航路，所述航点2为沿舰艇航向反向加90°或减90°距航点3距离100-300m的位置点，且航点3和航点2间成半圆形航路；

所述航点1为沿舰艇航向距航点2距离500-700m位置点；

所述航点0为无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的位置点；

还包括用于调整无人机实际飞行轨迹至期望轨迹的控制律；所述控制律包括横侧向航迹跟踪控制和纵向高度跟踪控制；

所述横侧向航迹跟踪控制方法包括如下步骤：

(1)依据期望轨迹、无人机的当前地速矢量V_g、无人机的前方视线L₁以及无人机的当前地速矢量V_g与前方视线L₁的视线角η，其中，无人机的前方视线L₁的起点与当前地速矢量V_g的起点重合、无人机的前方视线L₁的终点相交于期望轨迹；计算出圆弧C，所述圆弧C的两端分别与前方视线L₁的起点和终点重合，且圆弧C的一端与当前地速矢量V_g相切

(2)计算出期望的侧向加速度为：

(3)根据侧向加速度与靶机滚转角计算出滚转角指令为：

γ_g＝tan^-1(a_cmd/g)

进一步计算得：

(4)依据滚转角计算出：

副翼舵：

其中：

为滚转角控制增益，γ为滚转角，γ_g为滚转角指令，

为滚转角速率控制增益，ω_x为无人机滚转角速率；

方向舵：

其中：

其中，

为偏航角速率控制增益，ω_y为无人机偏航角速率，g为重力加速度，V为当前无人机速度。

2.根据权利要求1所述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，其特征在于：在地球平面直角坐标系中，无人机返航时刻t₀的位置坐标为(x_m,y_m)，舰艇航向角为ψ_ship，航点4和航点3的距离为L₂，航点3和航点2间半圆形航路的直径为D，航点2和航点1的距离为L₀；

航点3的位置坐标(x₃,y₃)可表达如下：

航点2的位置坐标(x₂,y₂)可表达如下：

航点1的位置坐标(x₁,y₁)可表达如下：

3.根据权利要求2所述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，其特征在于：所述航点4为舰艇绳钩回收架所在点位，高度为理想撞绳点高度；

所述航点3为航点4沿舰艇航向反向900m的点，高度为相对甲板25m；

所述航点2为沿舰艇航向反向加90°或减90°距航点3距离200m的点，高度为相对甲板25m；

所述航点1为沿舰艇航向距航点2距离600m的点，高度为相对甲板50m；

所述航点0为无人机完成任务航路飞行或接收到“返航”指令时的位置，高度为无人机当前高度。

4.根据权利要求3所述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，其特征在于：所述航点4的理想撞绳点高度为距离甲板10m。

5.根据权利要求1所述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，其特征在于，所述纵向高度跟踪控制方法包括调整航路控制律和回收航路控制律；

(1)调整航路控制律为：从航点0→航点1→航点2→航点3的控制律：

其中，

为俯仰角控制增益，

为俯仰阻尼控制增益，

为高度控制增益，

为高度变化率控制增益，

为纵向通道滚转补偿增益，

为俯仰角，

为俯仰角给定指令，ω_z俯仰角速率，H为无人机高度，H_g为高度给定指令，

为高度变化率，γ为滚转角；

(2)回收航路控制律为：从航点3→航点4控制律：

升降舵：

其中，

为俯仰角控制增益，θ为俯仰角，θ_g为俯仰角给定指令，

为指数曲线高度控制增益，H为无人机高度，H_e为指数曲线装订高度，

为指数曲线高度变化率控制增益，

为高度变化率，

为指数曲线高度变化率装订值，

为俯仰阻尼控制增益，ω_z为俯仰角速率，

为纵向通道滚转补偿增益，γ为滚转角。

6.根据权利要求5所述的小型舰载无人机自适应绳钩回收制导方法，其特征在于：

H_e的计算方法为：H_e＝H₂+(H₁-H₂)·e^-t/τ；

的计算方法为：

H₁＝H₂+15；

其中，H₁为截获高度，H₂为拉平高度，τ为时间常数。

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