[发明专利]一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统及方法，属于飞行控制、无人机着舰等技术领域。

背景技术

舰载无人机自动着舰问题一直是舰载机、无人机、飞行控制研究领域中的热点和难点。2011年2月，美国海军高调宣布，一款能够从航母上起飞的新型无人机——X-47B无人侦察攻击机完成首次试飞。X-47B无人战斗机将是世界上第一种陆基和航母都能使用的无人侦察攻击机，由美国海军和空军共同参与研发。这一事件受到世界各国的广泛关注，标志着舰载无人机的时代已经到来。

由于舰载无人机的着舰过程不仅要克服普通飞机着陆时都会面临的控制系统误差、环境干扰影响，还要克服甲板运动对理想着舰点的影响、舰尾气流扰动对飞行轨迹的干扰。更为重要的是，在着舰过程中要求自动着舰控制系统保持精确的着舰三维基准轨迹跟踪，才能保证最终着陆在面积狭小的甲板跑道上或回收网中，因此，精确控制与制导是舰载无人机实现成功着舰的关键技术。

然而，国外早在二十世纪五六十年代就对舰载飞机的相关技术展开研究，但是对无人机着舰技术的研究起步较晚，可查到的文献甚少，对相关技术成果的公开报道也很少。国内对舰载无人机的研究刚处于起步阶段，已有研究主要集中在对舰载无人机的着舰方案设计，但对舰载无人机的精确飞行轨迹控制问题的研究鲜有报道。本课题组从事舰载飞机着舰引导与控制技术研究已愈二十余载，取得了丰硕的研究成果。近年来，本课题组正重点研究舰载无人机的引导与控制技术，实现了基于经典控制与非线性控制的着舰控制方案。然而，上述控制方法的设计依赖于无人机的数学模型，而在实际应用中给设计带来一定难度。

因此，本发明针对舰载无人机自动着舰三维轨迹精确跟踪问题，首次将模型参考自适应控制应用于舰载无人机自动着舰系统中，使得飞控系统的设计不依赖于无人机模型。采用SISO模型参考自适应控制理论，分别设计了升降舵、油门、副翼和方向舵控制通道的自适应控制律。数值仿真结果表明，基于模型参考自适应飞行控制方法下的无人机具有较精确的着舰轨迹跟踪性能。该发明的技术方法适用于固定翼无人机的撞网回收、跑道着舰回收等场合。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制方法，以实现轨迹跟踪误差信号转化为姿态跟踪指令信号的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种GPS引导的无人机自动着舰自适应控制系统，包括GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块、纵向引导律模块、侧向引导律模块以及飞行控制回路，其中，

所述GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块用于将GPS测得的信号输入，并以理想着舰点为原点的地面坐标系建立基准轨迹，最后输出信号；

所述纵向引导律模块是以俯仰姿态作为内回路，通过飞机高度信息与期望高度信号求差，得到高度误差信号，通过抑制高度误差来实现飞行高度的控制；

所述侧向引导律模块用于通过将指定的侧偏信号与实际侧偏信号相减得到误差信号，消除这一误差信号，不断修正飞行轨迹；

所述飞行控制回路分为四个通道：油门控制通道控制律模块、升降舵控制通道控制律模块、副翼控制通道控制律模块、方向舵控制通道控制律模块。

所述GPS引导基准轨迹生成与轨迹误差计算模块的输入信号包括：GPS测得的飞行高度H、垂向速率地面坐标系下侧向位置y、侧向速率信号输入；输出信号包括：无人机与基准下滑轨迹的高度差H_er、无人机与基准下滑轨迹的侧向偏距y_er、飞机下滑速度指令V_c、飞机侧滑角指令β_c，其中，将无人机与基准下滑轨迹的高度差H_er输出到纵向引导律模块，无人机与基准下滑轨迹的侧向偏距y_er输出到侧向引导律模块，飞机下滑速度指令V_c输出到油门控制通道，飞机侧滑角指令β_c输出到方向舵控制通道。

所述纵向引导律模块内有α-β滤波器、α₁滤波器、α₂滤波器，其传递函数表达式为：