計(jì)算機(jī)仿真下艦載無人機(jī)姿態(tài)跟蹤探究

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摘要:艦載無人機(jī)是近年來海上軍事作戰(zhàn)中的重要武器，由于海上的氣象條件惡劣，艦船又處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，因此，艦載無人機(jī)的起落對(duì)自身的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)控制有非常高的要求。本文建立艦載無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究艦載無人機(jī)的姿態(tài)控制技術(shù)，最后結(jié)合Simulink軟件平臺(tái)對(duì)艦載無人機(jī)的姿態(tài)跟蹤控制效果進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，提高了艦載無人機(jī)跟蹤控制水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；無人機(jī)；姿態(tài)跟蹤控制；Simulink

0引言

近年來，隨著陸地戰(zhàn)略資源的不斷枯竭，世界各國都將目光瞄準(zhǔn)了海上豐富的戰(zhàn)略資源，在不斷爭(zhēng)取海洋領(lǐng)土，進(jìn)行海上資源勘測(cè)的同時(shí)，積極發(fā)展海上軍事戰(zhàn)斗力量，形成海上軍事威懾力。我國海洋疆域面蘊(yùn)藏著豐富的煤、石油、有色金屬等重要的戰(zhàn)略自然資源，因此，提高海上軍事作戰(zhàn)能力，發(fā)展海洋軍事國防具有深遠(yuǎn)的意義。艦載無人機(jī)能夠使艦船的作戰(zhàn)與打擊范圍大幅擴(kuò)大，彌補(bǔ)了艦船自身導(dǎo)彈系統(tǒng)的射程不足等問題，基于艦載無人機(jī)的海上軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)成為世界軍事大國的重點(diǎn)研究內(nèi)容。現(xiàn)在無人機(jī)作戰(zhàn)面臨的挑戰(zhàn)包括：1）由于艦船與無人機(jī)均處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此無人機(jī)的起飛和著艦過程的動(dòng)力學(xué)特性是一大難點(diǎn)[1]；2）無人機(jī)的智能化控制水平；3）無人機(jī)的續(xù)航能力，主要受限于蓄電池的容量和性能。本文的研究主要針對(duì)艦載無人機(jī)的起飛與著艦過程的動(dòng)力學(xué)問題，設(shè)計(jì)了一種艦載無人機(jī)的姿態(tài)跟蹤與控制系統(tǒng)。

1艦載無人機(jī)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)建模

o−xyz為了準(zhǔn)確描述艦載無人機(jī)的姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)特征，本文首先建立了無人機(jī)運(yùn)動(dòng)的地面坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，其中，地面坐標(biāo)系的原點(diǎn)為海面一個(gè)定點(diǎn)，ox軸指向船舶的航行方向，oz軸與船舶的甲板垂直方向平行，oy軸根據(jù)右手法則確定[2]。艦載無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系o−lmn原點(diǎn)為無人機(jī)的質(zhì)心位置，om軸指向無人機(jī)的機(jī)頭位置，on軸指向機(jī)身的左側(cè)，ol軸根據(jù)右手法則確定。艦載無人機(jī)的坐標(biāo)系如圖1所示。Fig.1CoordinatesystemdiagramofShipborneUAV坐標(biāo)系o−xyz和坐標(biāo)系o−lmn的轉(zhuǎn)換矩陣如下式：Wab=cosαcosβcosαsinαcosβ−cosβsinβ000cosα，式中：α為迎角，β為側(cè)滑角。針對(duì)艦載無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，建立無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型，在建模之前，首先根據(jù)艦載無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行幾點(diǎn)假設(shè)：1）建模過程不考慮地球的曲率半徑，地球的曲率會(huì)在無人機(jī)運(yùn)動(dòng)的om軸方向產(chǎn)生距離誤差，此處可以忽略。2）忽略地球的自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)會(huì)使靜坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的水平軸發(fā)生位移，影響計(jì)算精度。建立無人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型如下：∑F=d(mv)dt，∑M=d(L)dt。式中：F/M分別為艦載無人機(jī)受到的力和力矩矢量之和；m為無人機(jī)的質(zhì)量；v為速度矢量；L為動(dòng)量[3]，將艦載無人機(jī)受到的力和力矩矢量按照坐標(biāo)軸分解，可得：其中：Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為合力在坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)軸的TSTaDYLGSbLMNlxlylzLaMaNa分量；為艦載發(fā)動(dòng)機(jī)的推力；為阻力系數(shù)；，，分別為艦載無人機(jī)受到的阻力、側(cè)向力和升力；為無人機(jī)的重力，為重力系數(shù)。、、分別為力矩在3個(gè)坐標(biāo)軸的分量，為無人機(jī)的質(zhì)心坐標(biāo)，為3個(gè)方向的氣動(dòng)力矩。無人機(jī)在靜坐標(biāo)系的動(dòng)量模型為：vlvmvn式中：為ol軸方向的速度；為om軸方向的速度；為on軸方向的速度。

2基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的艦載無人機(jī)姿態(tài)跟蹤研究

2.1艦載無人機(jī)姿態(tài)跟蹤與控制系統(tǒng)

艦載無人機(jī)在著艦過程中對(duì)姿態(tài)控制有非常高的要求，主要包括以下幾個(gè)方面：1）側(cè)向偏差的控制無人機(jī)著艦時(shí)，著艦點(diǎn)與艦船甲板的中心線偏差必須要保證在3m之內(nèi)；2）航向角控制艦船甲板上含有各類建筑物和設(shè)備，為了防止無人機(jī)與障礙物碰撞，必須要保證無人機(jī)航向與甲板中心線的夾角偏差在±3°。3）穩(wěn)定性控制無人機(jī)著艦時(shí)飛行速度迅速降低，此時(shí)機(jī)翼受到的氣動(dòng)載荷會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，造成穩(wěn)定性降低。因此，無人機(jī)著艦時(shí)需要滿足穩(wěn)定性控制要求，機(jī)翼振幅控制在正負(fù)100mm。本文結(jié)合無人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的需求，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)姿態(tài)跟蹤和控制系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)以無人機(jī)的側(cè)滑角度β為輸入控制信號(hào)[3]，主要是因?yàn)闊o人機(jī)的側(cè)滑角度會(huì)影響其航向、穩(wěn)定性等，建立姿態(tài)控制器模型為：δpδ∗prαKαKβ式中：為跟蹤控制器設(shè)置的初始側(cè)滑角度；為側(cè)滑角的偏差；，分別為無人機(jī)水平方向的位移；為無人機(jī)的航向角；，為系統(tǒng)的控制參數(shù)，分別取1.05和1.25。

2.2艦載無人機(jī)姿態(tài)跟蹤與控制系統(tǒng)的仿真分析

本文針對(duì)艦載無人機(jī)姿態(tài)跟蹤與控制系統(tǒng)的控制特性進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為Matlab/Simulink環(huán)境，測(cè)試平臺(tái)為工業(yè)計(jì)算機(jī)[4]。(0,0,0)(1000,500,−2000)(0,5,7.5)設(shè)置艦船的初始坐標(biāo)位置為，無人機(jī)的初始位置為，無人機(jī)的初始速度為80m/s，姿態(tài)按照航向角、仰角和側(cè)滑角輸入，為。得到艦載無人機(jī)的位置與高度變化仿真曲線如圖3所示。由仿真曲線可知，隨著無人機(jī)和艦船距離的不斷縮小，其高度變化趨勢(shì)越來越快，但高度變化曲線的曲率平穩(wěn)變化，證明無人機(jī)姿態(tài)控制具有良好的效果。

3結(jié)語

本文針對(duì)艦載無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，建立無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種艦載無人機(jī)的姿態(tài)跟蹤和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的原理，并完成了仿真測(cè)試。

作者:韋婷婷 單位:玉林師范學(xué)院