无人舰载直升机自主下降着舰的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无人舰载飞机着舰控制方法，具体讲是一种无人舰载直升机自主 下降着舰的控制方法，属于飞行引导和控制领域。
【背景技术】
[0002] 无人舰载直升机自主着舰是一项艰巨而复杂的过程，由于受海上风浪的影响，舰 船在海上航行时会产生六个自由度的甲板运动，即包括沿三个坐标轴的直线运动：纵荡、横 荡、升沉（垂荡）和绕三个坐标轴的旋转运动：俯仰（纵摇）、横滚（横摇）和偏航（艏摇）， 并且存在阵风干扰和地面效应的影响，使得无人舰载直升机成功着舰十分困难。
[0003] 无人舰载直升机成功自主着舰需要满足如下要求：必须在规定的着舰平台上触 舰；着舰时刻的相对垂直速度必须小到足以避免对飞机及舰船的危害；触舰时舰船的 横滚角必须尽量小以避免事故。各种数据表明，影响着舰的甲板运动主要是舰船滚转与沉 浮运动，因此对预测滚转与沉浮运动引起人们的重视。
[0004] 对甲板横滚运动数据分析表明，它具有相对光滑的正弦特性，近似于带阻尼的二 阶模型。而沉浮运动不近似于正弦特性，不易掌握。假如无人舰载直升机能足够精确地跟 踪舰船的垂直沉浮运动，那么就无需沉浮运动预估器，只要系统有足够的带宽，对甲板沉浮 运动的跟踪是可实现的。现有技术中，无法对舰船的甲板运动进行准确地预估，进而无法控 制无人舰载直升机沿着指定的速度在预估的时间点自主安全着舰。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种可以准确地控制无 人舰载直升机自主下降着舰的方法，以提高无人舰载直升机着舰速度和安全系数。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供的无人舰载直升机自主下降着舰的控制方 法，其特征在于包括如下步骤：
[0007] 1)、持续测得舰船甲板着舰点的横滚运动信号和沉浮运动信息；
[0008] 2)、舰船上的甲板横滚预估器根据步骤1)测得的横滚运动信号和沉浮运动信息 预估未来某时刻甲板的横滚角，以确定无人舰载直升机下降时间；
[0009] 3)、舰船将着舰点的沉浮运动信息和预估到的甲板横滚角信息，发送给无人舰载 直升机，无人舰载直升机的下降制导系统设计控制律控制无人舰载直升机的下降速度，以 控制无人舰载直升机在预估的甲板横滚运动最小状态下着舰；
[0010] 4)、将步骤3)控制律输入到无人舰载直升机的飞控系统中执行，控制无人舰载直 升机按下降速率指令下降着舰。
[0011] 本发明中，所述步骤2)中，舰上甲板横滚预估器对甲板横滚角的预估是基于改进 AR模型来设计：
[0012] y (t) =A (q y (t) +B (q u (t) +e (t)
[0016] 其中，y(t)为甲板的横滚角，q 1为单位时滞算子，参数a i = 1，. . .，m和 = 0，...，n-1是AR模型的自适应参数，m是AQ1)的阶数，η是BQ1)的阶数，L为 预估的步数；其具体步骤如下：
[0017] 21)、输入已测量的数据{y(n)，n = 1，2，...，N}，y(n)为着舰点的横滚运动信号， 确定改进型AR模型阶数最大值mmax和η _以及预估的步数L ;
[0018] 22)、采用加入遗忘因子的最小二乘法（FFRLS)来估计舰船的滚转角；
[0019] 23)、由BIC准则确定改进型AR模型的阶数，得到BIC准则下最优的AR模型；
[0020] 24)、根据最优的AR模型，得到的时刻的甲板运动L步预估值.(_(/十?小):，即某时刻 甲板的横滚角。
[0021] 本发明中，所述步骤3)中下降制导系统分为三个阶段：
[0022] 31)、等待阶段一一无人舰载直升机在甲板上空保持安全高度跟进，其控制律为：
[0024] 其中，h"f是基准高度，h是无人舰载直升机在地坐标系下的高度，为地面坐标 系下的总距通道下降速率指令；
[0025] 32)、下降的第一阶段一一当预估到N秒后甲板的横滚角为零时，无人舰载直升机 启动下降模态，下降到高度按指数规律下降的开始点，其控制律为：
[0027] 式中：h^kl--无人舰载直升机离甲板的实际高度；
[0028] t2一一下降开始至触地的时间变化；
[0029] tFL一一高度按指数下降的开始时间；
[0030] hw--要求的触舰速率；
[0031] kFL一一指数规律下降时间常数；
[0032] 一一着舰点沉浮运动信息；
一一低通滤波器；
[0034] 33)、下降的第二阶段一一采用下降速率与下降高度成正比的指数下降规律，使无 人舰载直升机按正常的触舰速率角舰，其控制律为：
[0036] 式中，h^k2为下降第二阶段飞机离甲板高度。
[0037] 本发明中，还包括步骤5)执行中断控制律步骤：在下降过程中当舰船的横滚角、 相对于甲板的高度速率和着舰点的水平位置无法满足安全着舰时，中断控制律控制无人舰 载直升机复飞，重新执行步骤3)。
[0038] 本发明的有益效果在于：（1)、本发明根据舰船甲板预估未来某时刻甲板的横滚 角，确定无人舰载直升机下降时间，再结合甲板着舰点沉浮运动信息设计控制律控制无人 舰载直升机的下降速度，其同时结合舰船甲板着舰点处的横滚运动信号和沉浮运动信息， 可成功的将无人舰载直升机安全导引至舰船着舰点上，实现无人舰载直升机的自主下降着 舰，其安全高效；（2)、通过执行中断控制律，可以大大提高无人舰载直升机在着舰过程中的 安全系数，避免造成损失。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明无人舰载直升机自主下降着舰的控制方法的总体结构图。
[0040] 图2是本发明中的预估器原理图；
[0041] 图3是本发明的下降着舰流程及中断控制律逻辑示意图；
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0043] 如图1所示，本发明一种无人舰载直升机自主下降着舰的控制方法，无人舰载直 升机在甲板着舰点上空保持一定高度飞行并等待下降，当甲板横滚预估器预估到过零点时 触发下降控制律，下降制导系统输出下降速率指令至飞控系统中，控制无人舰载直升机 沿着指定的下降速度降落在甲板上，最终实现安全着舰。其具体步骤如下：
[0044] (1)、在下降着舰开始前，舰船上设备不断测得甲板着舰点处的横滚运动信号和沉 浮运动信息，并将这些信息储存到舰上计算机。
[0045] (2)、舰上计算机根据甲板着舰点处的横滚运动信号和沉浮运动信息设计出甲板 横滚预估器预估未来一定时刻甲板的横滚角，以此来确定无人舰载直升机最佳下降时间； 通常在无人舰载直升机在着舰时刻甲板的横滚角为零。
[0046] 舰上计算机对甲板横滚角的预估是基于改进AR模型来设计的，改进的AR模型表 示如下：
[0051] 其中，y⑴是指甲板的横滚角，q 1是单位时滞算子（例如：q 1Y (t) = y (t-ι))， 参数i = 1，. . .，m和b^，j = 0,. . .，n-l是AR模型的自适应参数，m是A(q ^的阶 数，η是B(q 4的阶数；L代表预测的步数，根据采样时间及预测步数，则可以计算出预测的 时间。如，采样时间为0. 25s，L = 32,则预测的时间8s。
[0052] 首先，输入步骤（1)已测量的数据{y(n)，n = 1，2，...，N}，y(n)是着舰点的横滚 运动信号，确定改进型AR模型阶数最大值!11_和η _以及预估的步数L :
[0053] 为不失一般性，假设模型阶数在以下范围内
[0056] 其中!11_和η _是模型阶数的上界，为了定立好模型阶数，合理的边界要被考虑在 内。模型阶数的上界必需足够大以保证预估的精确性，但越大的模型阶数会带来越高的模 型复杂度，使计算量增加，造成预估器的实时性不好，对硬件的要求也更高。因此，将模型阶 数上界定义为
[0058] 其中，T为样本数据的个数，0(·)代表表达式的上界。
[0059] 通过引入时滞算子，定义了测量数据向量
[0063] 则能将公式（1)-(4)变化为
[0065] 其次，采用加入遗忘因子的最小二乘法（FFRLS)来估计舰船的滚转角。最小二乘 法是基于最小二乘准则，使预估误差的加权平方和J( Θ J最小的一种算法。
[0067] 其中λ为遗忘因子，它可以使建模过程更好地适应非平稳情况下的数据统计特 性的变动。一般而言，λ e [0.98,0.995]。
[0068] 因此，利用FFRLS方法来预估模型参数的表达式为
[0070] 由于上述公式难以实现，因此可以写成递归形式
[0074] Θ r (m, η, 0) = 0 P (m, η, 0) = α I (15)
[0075] 其中，矩阵P(m，n，t+1)为误差协方差矩阵，矩阵M(m，n，t+1)为更新矩阵，α为一 个大的正常数，I为单位阵。
[0076] 定义预估误差为
[0078] T时刻最大似然估计误差的协方差为
[0080] 再次，确定阶数的BIC准则为
[0082]