[发明专利]一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，它利用舰载机着舰状态的纵向及横侧向小扰动运动方程建立预测模型；将舰艉流的模型作为已知的不可控输入引入预测模型中，利用预测模型预测舰载机未来时刻的轨迹变化；在线实时计算舰载机横向通道及纵向通道的最优控制量，实现在控制舰载机沿理想下滑线着舰的同时，抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹的干扰；最后，引入反馈校正，以舰载机的姿态角及其角速度、气流角作为反馈量，校正预测模型的预测状态与舰载机实际状态的偏差，进一步提高舰载机对理想下滑线的跟踪精度。本发明有利于提高舰载机着舰的成功率与安全性。

技术领域

本发明涉及舰载机着舰控制的技术领域，具体涉及一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，用于控制舰载机沿理想下划轨迹着舰并抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹的影响，以提高舰载机着舰的成功率。

背景技术

舰载机着舰是处于不同介质中两个六自由度运动体间的相对导航和交汇问题。相对于地面着陆，舰载机着舰条件苛刻，干扰强，风险高。舰载机在甲板上的着舰区域小，允许的着舰偏差小，对飞行控制系统的精度要求高；舰机相对速度大，航母航行方向与着舰跑道存在夹角，且着舰点跟随甲板时刻运动，着舰难度大；舰载机在着舰时，处于低动压反区状态，操控性能降低。

此外，舰载机在飞抵舰艉前，有数秒时间会遇到舰艉流干扰，造成舰载机姿态、速度等飞行状态的不稳定，使舰载机偏离理想下滑轨迹，最终导致着舰失败，甚至撞舰坠海。舰艉流是航母在顶风行驶过程中，经过航母甲板上方的海上气流在舰艉向海面下沉然后再上升形成的，水平方向上同样存在着由舰岛造成的舰艉流分量。当舰载机在舰艉流干扰区域飞行时，其飞行品质会发生急剧恶化，严重时甚至会超出飞机的性能边界。研究表明，单就艉流中的一种常值分量雄鸡艉流而言，如果舰载机飞行员不采取任何应对措施，雄鸡艉流将造成约2m 的高度着舰偏差和约39m的水平着舰偏差，可能导致撞舰、坠海等险情。

舰艉流的存在进一步加大了舰载机着舰的难度和风险，对驾驶员的技术和心理都提出了极高的要求，也使得如何在舰艉流环境下抑制气流干扰，提高舰载机的稳定性和操纵性能，自主/半自主地控制舰载机沿理想下滑线下滑并着舰，成为了发展舰载机/航母战斗体系必须解决的关键技术。相关的研究表明，传统的飞行控制方法不能满足着舰的高精度要求，且国内外针对舰载机着舰控制的研究大多未考虑舰艉流本身的特性及其对着舰轨迹产生的影响。针对上述问题，本发明提出了基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，将舰艉流模型作为已知的不可控输入，引入预测控制中，以抑制舰艉流的影响，减小舰载机着舰点的散布范围，提高舰载机着舰的安全性和成功率。

发明内容

本发明提出一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，将预测控制应用到舰载机的控制系统中，并在控制律中引入了舰艉流模型，使其能够提前抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹造成的影响，减小舰载机着舰点的散布范围，提高舰载机着舰的安全性及成功率。

本发明采用的技术方案为：一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，具体步骤如下：

步骤一、针对舰载机着舰，首先根据舰载机着舰状态的小扰动方程分别建立舰载机的纵向和横侧向的预测模型，用以预测未来时刻舰载机的姿态角、迎角、侧滑角、空速等状态的变化；

步骤二、根据舰载机的实时状态和期望的状态值，实时状态包括姿态角、迎角、侧滑角、空速，以及最优化性能指标函数，对当前时刻所需的控制量进行优化求解，以此控制舰载机跟踪理想下滑轨迹下滑；

步骤三、控制量作用后，舰载机状态发生变化，更新预测模型的状态量，并将舰艉流的干扰作为已知的不可控输入，引入到预测模型中，使预测模型预测到的未来状态包含舰艉流的信息，进而滚动优化得到的控制量可抑制舰艉流对着舰轨迹的干扰；

步骤四、校正舰载机实际状态与预测模型预测状态的之间误差，将校正后的状态作为下一时刻的状态，再滚动优化求解，循环更新，直至着舰完成。