无人直升机自主着舰航线生成及跟踪控制

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1、无人直升机自主着舰航线生成及跟踪控制摘要：为实现无人直升机自主返航着舰，根据无人直升机与舰船的位置信息，设计了一种无人直升机自主生成返航航线的方法，并将生成的参考航线离散成路径点，每个路径点都包含了无人机直升机着舰返航要求达到的位置和速度信息。采用视线引导的方法设计了无人直升机制导律，内回路采用基于显模型跟踪与PID相结合的方法，实现了无人直升机对轨迹与速度的跟踪控制。数值仿真表明所设计的系统具有良好的性能。关键词：无人直升机；轨迹生成；跟踪控制；自主着舰；视线引导中图分类号：TN96734文献标识码：A文章编号：10047373

2、X(2013)01?0005?040引言无人驾驶直升机具有直升机能够垂直起降、空中悬停、转弯迅速灵活的优点，在配置了专门设备之后，就可以完成有人驾驶直升机无法执行的某些空中作业，又可完成固定翼无人驾驶飞机无法完成的某些任务。由于其占用面积小，起降方便灵活，特别适合舰载使用。美国的“火力侦察兵”于2006年实现了自主着舰[1],而国内目前无人直升机自主着舰未见报道。为了实现无人直升机自主着舰，文献［1］提出了将着舰过程分为两步，第一步是无人直升机自主返航接近舰船，直至位于舰船附近一固定点并与舰船同速同向飞行。第二步为无人直升机以水平

3、侧飞的方式飞行到甲板降落台正上方，再选择适当时机，相对于航行中的舰船垂直降落。文献［1］在第一步中只考虑了无人直升机位于舰船正后方某一点处的着舰引导，并没有提当无人直升机位于其他位置时的着舰引导方法。本文为了解决这个问题，参考文献［2］提出的方法,对着舰引导的第一步一一进场引导进行了研究。为了实现无人直升机的进场引导，本文首先根据直升机目前的空间位置、速度、航向设定航路点，生成参考航线，基于视线制导的思想，形成引导指令，采用显模型跟踪与PID控制的方法设计了飞行控制系统，跟踪参考航线，实现自主返航着舰。1无人直升机的着舰过程根据文

4、献［2］提出的有人直升机着舰的过程，无人直升机着舰过程如下：首先根据无人直升机与舰船当前的空间位置、速度和航向信息，实时生成返航航路点，通过三次样条插值法将航路点插补成一条平滑的参考航线，采用视线制导方法形成引导指令，通过飞行控制系统控制无人直升机跟踪航线与速度指令，实现自主返航着舰。其结构如图1所示。文献［2］中规定了直升机接近舰船的高度下降线，即美海军规定的直升机着舰进场规范，因此本文无人直升机着舰返航接近舰船也采用该方式。无人直升机首先要以一个较快的速度到达进场线起始位置，并且速度控制在60m/s以下,高度控制在122m,为

5、了控制航向为进场线的方向，无人直升机必须采用协调转弯的方法转弯。在进场时，必须同时控制速度缓慢减小，高度沿进场线下降，并保持无人直升机的姿态稳定。最终完成进场时，必须使无人直升机的速度方向与舰船速度方向一致，即无人直升机位于舰船附近一固定点并与舰船并行平飞。2无人直升机着舰参考航线的生成本文的参考航线建立在舰船坐标系上，即坐标原点固定于舰船上，x轴为舰船行驶方向，y轴指向舰船右侧，z轴指向舰船下方。舰船以一个固定的速度向前行驶，参考航线相对与舰船保持不变。2.1航路点的生成航路点即为飞行器在空中飞行时必须跟踪的一个点或一系列的点。

6、这些跟踪点在物理上必须是可实现的。一般航路点包含三个部分，即航路点的位置信息、无人直升机在航路点附近时的速度信息和无人直升机通过航路点时的航向。因此航路点的生成应考虑6个方面：即无人直升机初始位置、无人直升机的最终位置、起始航向、航路的可行性与安全性以及无人直升机以要求速度接近航路点时的最小转弯半径和无人直升机接近舰船时的高度要求。根据无人直升机的起始位置，航路点生成可分为3种情况，如图2所示。图2中，点AL1,AL2与AL3为与舰船固连的航路点，这三点连成的直线为下降线AL,下降线AL与x轴存在15°的进场角roHL1过点AL1

7、并与AL垂直，HL2平行于HL1。无人直升机在着舰的最后阶段必须首先进入AL1点，然后沿着点AL1,AL2与AL3构成的航线进场着舰。根据无人直升机的初始位置的不同，将无人直升机返航区域分成A,B,C三个区域。无人直升机位于不同的区域，生成航路点不同。当无人直升机位于A区域时，航路点生成器除了生成已有下降航路线上的点以外增加了3个点。这3个航路点放在进场线的哪一边，取决于无人直升机的初始航向。当无人直升机航向在r•〜r+180°之间时，取Rl,R2和F这3个航路点；当无人直升机航向在0〜r和r+180°〜360°之间时，取LI,L

8、2和F这3个航路点。航路点Rl,R2和LI,L2关于AL对称。当无人直升机位于B区域时，此时航路点生成器会增加“RAD”这段距离，使辅助线HL2下移。再与情况A一样设置三个辅助航路点时，可使这三个辅助航路点进一步远离直升机。这样就能使直升机总能到达