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計(jì)算機(jī)仿真下艦載無(wú)人機(jī)姿態(tài)跟蹤探究

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計(jì)算機(jī)仿真下艦載無(wú)人機(jī)姿態(tài)跟蹤探究

摘要:艦載無(wú)人機(jī)是近年來(lái)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(wú)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(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上研究艦載無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)跟蹤控制水平。

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

0引言

近年來(lái),隨著陸地戰(zhàn)略資源的不斷枯竭,世界各國(guó)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(guó)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(guó)防具有深遠(yuǎn)的意義。艦載無(wú)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(wèn)題,基于艦載無(wú)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(guó)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容?,F(xiàn)在無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)面臨的挑戰(zhàn)包括:1)由于艦船與無(wú)人機(jī)均處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此無(wú)人機(jī)的起飛和著艦過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性是一大難點(diǎn)[1];2)無(wú)人機(jī)的智能化控制水平;3)無(wú)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(wú)人機(jī)的起飛與著艦過(guò)程的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種艦載無(wú)人機(jī)的姿態(tài)跟蹤與控制系統(tǒng)。

1艦載無(wú)人機(jī)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)建模

o−xyz為了準(zhǔn)確描述艦載無(wú)人機(jī)的姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)特征,本文首先建立了無(wú)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(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系o−lmn原點(diǎn)為無(wú)人機(jī)的質(zhì)心位置,om軸指向無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性,建立無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型,在建模之前,首先根據(jù)艦載無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行幾點(diǎn)假設(shè):1)建模過(guò)程不考慮地球的曲率半徑,地球的曲率會(huì)在無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)受到的力和力矩矢量之和;m為無(wú)人機(jī)的質(zhì)量;v為速度矢量;L為動(dòng)量[3],將艦載無(wú)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(wú)人機(jī)受到的阻力、側(cè)向力和升力;為無(wú)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(wú)人機(jī)的質(zhì)心坐標(biāo),為3個(gè)方向的氣動(dòng)力矩。無(wú)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(wú)人機(jī)姿態(tài)跟蹤研究

2.1艦載無(wú)人機(jī)姿態(tài)跟蹤與控制系統(tǒng)

艦載無(wú)人機(jī)在著艦過(guò)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(wú)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(wú)人機(jī)與障礙物碰撞,必須要保證無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的需求,設(shè)計(jì)了一種無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)水平方向的位移;為無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)的初始位置為,無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)和艦船距離的不斷縮小,其高度變化趨勢(shì)越來(lái)越快,但高度變化曲線的曲率平穩(wěn)變化,證明無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制具有良好的效果。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)艦載無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,建立無(wú)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(wú)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