一种面向飞行器复合机动动作的飞控指令生成方法

本发明属于飞行器控制，涉及一种面向飞行器复合机动动作的飞控指令生成方法。

背景技术：

1、根据空战中的飞机的机动方式，美国学者提出了包含七个基本机动动作的动作库：1)最大加速,2)最大减速,3)最大过载爬升,4)最大过载俯冲,5)最大过载左转,6)最大过载右转,7)稳定飞行(各控制量不变)。复合机动由多段基本机动构成，在进行如桶滚、半筋斗等复合动作时弹道倾角、弹道偏角、滚转角数值会发生±180°或±360°的反转，使得依赖角度误差反馈的自动驾驶仪失效。现有方案多将一个完整的复合机动动作分为多段，每段为单独的基本机动动作，以条件状态转移的形式分段地生成飞控指令。此方法实现方式较为复杂，对每种复合机动都要进行单独设计，且需设计机动进入与中途退出的条件与控制律。

2、飞行器的自动驾驶仪系统一般有两回路(速率陀螺、加速度计)或三回路(速率陀螺、伪攻角滤波、加速度计)结构，该自动驾驶仪结构简单、可靠性高。但是现有的自动驾驶仪无法处理大范围复合机动动作中弹道倾角、弹道偏角、滚转角数值会发生±180°或±360°的反转带来的角度误差量的大幅变化，需要改变角度反馈的计算方式，方能使得飞行器复合机动动作得到可靠控制。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种面向飞行器复合机动动作的飞控指令生成方法。

3、技术方案

4、一种面向飞行器复合机动动作的飞控指令生成方法，其特征在于生成步骤如下：

5、步骤1：根据所设计的机动动作生成弹道倾角控制指令θc、弹道偏角指令ψvc与速度指令vc；

6、步骤2：根据弹道倾角控制指令θc计算弹道倾角误差δθ，以弹道倾角误差的比例微分pd输出作为铅垂平面内的过载指令ny2，实现对弹道倾角指令的跟踪：

7、

8、其中：θ为弹道倾角，kθ、kθ为pd控制器增益，[-nymin,nymax]为过载指令ny2的上下限；

9、根据弹道偏角指令计算弹道偏角误差δψ，以弹道偏角误差的pd输出作为水平平面内的过载指令nz2，实现对弹道偏角指令的跟踪；

10、

11、其中：ψ为飞机当前弹道偏角，kψ、为pd控制器增益，[-nzmax,nzmax]为nz2上下限，δph为设定的小量，这里设为0.01(rad)

12、步骤3：依照倾斜转弯关系，将铅垂平面内的过载指令ny2和水平平面内的过载指令nz2，转化为纵向过载指令nyc，滚转角指令nzc：

13、当时：

14、

15、当时：

16、

17、确定δγ方向的计算：

18、

19、

20、δγ＝δγ-π

21、else

22、δγ＝δγ+π

23、其中：γc为滚转角控制信号、nyc为速度系y方向过载控制信号、nzc为速度系y方向过载控制信号、δn为设定的小量，这里设为0.1；

24、步骤4：将纵向过载指令nyc，滚转角指令nzc输入自动驾驶仪，实现了飞机自动执行复合机动。

25、所述步骤1的机动动作包括但不限于：s形机动、急拉起、斜拉起、下降急转、桶滚，筋斗或半筋斗。

26、所述步骤1的机动动作采用s形机动时：以正弦信号作为弹道偏角指令，参数为最大弹道偏角ψmax，正弦信号角速度ω、相位ψ0，所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

27、

28、所述步骤1的机动动作采用急拉起时：以高度的pid输出生成弹道倾角指令，计算方法如下，参数为目标高度hdes，最大弹道倾角θmax,初始速度v0,初始弹道偏角ψ0，h为当前高度，kh，kih为pid控制器增益；所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

29、

30、所述步骤1的机动动作采用斜拉起时：参数为期望弹道倾角θdes且θdes>0，期望弹道偏角ψdes，v0为初始速度；所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

31、

32、所述步骤1的机动动作采用下降急转即飞机俯冲下降同时进行转弯，视为反向的斜拉起时,参数为期望弹道倾角θdes且θdes<0，期望弹道偏角ψdes，v0为初始速度，v0为初始速度；所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

33、

34、所述步骤1的机动动作采用桶滚时：桶滚即飞机以参考直线为圆柱轴线，在圆柱轴线方向上以速度a匀速前进，在圆柱底面投影上做半径为b的圆周运动，参数为桶滚角速度ω，dx为轴线方向前进速度、dy为速度在圆柱底面投影的竖直方向分量、dz为速度在圆柱底面投影的水平方向分量、ψ0为初始弹道偏角、v0为初始速度；所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

35、

36、所述步骤1的机动动作采用筋斗、半筋斗机动时，分为两段的飞控指令生成方法，与两段间的状态转移条件，飞控指令指弹道偏角ψc、弹道倾角指令θc；

37、所述半筋斗指筋斗机动到达最高顶点时，飞机滚转180°，以平飞姿态改出，此时飞机航向与进入筋斗时相反；弹道倾角θ定义在上，给出δθ作为控制量；即θc＝δθ+θ；动作开始后，设定δθ为常值设为30°；所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

38、

39、当机动动作满足弹道偏角与初值反向且弹道倾角为0后，改平；

40、将飞机提前控制改平，以θc为判定依据，所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算；

41、if|θc|＜δjd1 and cos(ψ-ψ0)＜-1+δjd2

42、then:

43、

44、δjd1、δjd2为设定的小量，这里设为0.01(rad)。

45、所述步骤1的机动动作采用筋斗时：筋斗机动即飞机持续拉起，在铅垂平面内画圈，以平飞姿态改出；

46、以通过筋斗顶端为标志将筋斗机动分为两段：

47、第一段与半筋斗相同，以固定的δθ为输入，但通过筋斗顶端时不改出，进入下一段，所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

48、

49、第二段控制逻辑与第一段相同，所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

50、if|θc|＜δjd1 and cos(ψ-ψ0)＜-1+δjd2

51、then:

52、

53、当θc在0附近、ψ与ψ0方向相同时以平飞姿态改出，所述步骤1机动动作的参数根据下述公式计算：

54、if|θc|＜δjd1 and cos(ψ-ψ0)＞1-δjd2

55、then:

56、

57、有益效果

58、本发明提出的一种面向飞行器复合机动动作的飞控指令生成方法，首先设计了面向飞行器复合机动动作的弹道偏角、弹道倾角指令生成方法。然后设计了将弹道偏角、弹道倾角指令解算为内环俯仰、偏航、滚转三通道自动驾驶仪输入的计算方法。通过上述方法实现了飞机自动执行复合机动。

59、本发明的面向复合机动动作的飞控指令生成方法能稳定、快速控制飞行器执行各种机动动作。主流方法通常将复合机动动作分为多段(超过三段)，每段有不同的飞控指令生成方法。主流方法对每个机动动作都要进行单独设计，需要调节的参数也更多，工作量巨大。本发明中生成飞控指令的方法更为简单，仅有半筋斗与筋斗需要将机动过程分为两段、其余机动不需为机动过程分段。本发明的方法能控制飞机自动完成包括但不限于s形机动、急拉起、斜拉起、下降急转、桶滚，筋斗、半筋斗等复合机动。