計算機仿真下艦載無人機姿態跟蹤探究

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摘要:艦載無人機是近年來海上軍事作戰中的重要武器，由于海上的氣象條件惡劣，艦船又處于不斷的運動中，因此，艦載無人機的起落對自身的運動和姿態控制有非常高的要求。本文建立艦載無人機的動力學模型，在此基礎上研究艦載無人機的姿態控制技術，最后結合Simulink軟件平臺對艦載無人機的姿態跟蹤控制效果進行計算機仿真，提高了艦載無人機跟蹤控制水平。

關鍵詞：計算機仿真；無人機；姿態跟蹤控制；Simulink

0引言

近年來，隨著陸地戰略資源的不斷枯竭，世界各國都將目光瞄準了海上豐富的戰略資源，在不斷爭取海洋領土，進行海上資源勘測的同時，積極發展海上軍事戰斗力量，形成海上軍事威懾力。我國海洋疆域面蘊藏著豐富的煤、石油、有色金屬等重要的戰略自然資源，因此，提高海上軍事作戰能力，發展海洋軍事國防具有深遠的意義。艦載無人機能夠使艦船的作戰與打擊范圍大幅擴大，彌補了艦船自身導彈系統的射程不足等問題，基于艦載無人機的海上軍事作戰系統已經成為世界軍事大國的重點研究內容。現在無人機作戰面臨的挑戰包括：1）由于艦船與無人機均處于相對運動狀態，因此無人機的起飛和著艦過程的動力學特性是一大難點[1]；2）無人機的智能化控制水平；3）無人機的續航能力，主要受限于蓄電池的容量和性能。本文的研究主要針對艦載無人機的起飛與著艦過程的動力學問題，設計了一種艦載無人機的姿態跟蹤與控制系統。

1艦載無人機姿態運動建模

o−xyz為了準確描述艦載無人機的姿態及運動特征，本文首先建立了無人機運動的地面坐標系和運動坐標系，其中，地面坐標系的原點為海面一個定點，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軸根據右手法則確定[2]。艦載無人機的運動坐標系o−lmn原點為無人機的質心位置，om軸指向無人機的機頭位置，on軸指向機身的左側，ol軸根據右手法則確定。艦載無人機的坐標系如圖1所示。Fig.1CoordinatesystemdiagramofShipborneUAV坐標系o−xyz和坐標系o−lmn的轉換矩陣如下式：Wab=cosαcosβcosαsinαcosβ−cosβsinβ000cosα，式中：α為迎角，β為側滑角。針對艦載無人機的運動特性，建立無人機的運動模型，在建模之前，首先根據艦載無人機的運動特點進行幾點假設：1）建模過程不考慮地球的曲率半徑，地球的曲率會在無人機運動的om軸方向產生距離誤差，此處可以忽略。2）忽略地球的自轉，自轉會使靜坐標系和運動坐標系的水平軸發生位移，影響計算精度。建立無人機運動模型如下：∑F=d(mv)dt，∑M=d(L)dt。式中：F/M分別為艦載無人機受到的力和力矩矢量之和；m為無人機的質量；v為速度矢量；L為動量[3]，將艦載無人機受到的力和力矩矢量按照坐標軸分解，可得：其中：Fx，Fy，Fz分別為合力在坐標系3個坐標軸的TSTaDYLGSbLMNlxlylzLaMaNa分量；為艦載發動機的推力；為阻力系數；，，分別為艦載無人機受到的阻力、側向力和升力；為無人機的重力，為重力系數。、、分別為力矩在3個坐標軸的分量，為無人機的質心坐標，為3個方向的氣動力矩。無人機在靜坐標系的動量模型為：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基于計算機仿真技術的艦載無人機姿態跟蹤研究

2.1艦載無人機姿態跟蹤與控制系統

艦載無人機在著艦過程中對姿態控制有非常高的要求，主要包括以下幾個方面：1）側向偏差的控制無人機著艦時，著艦點與艦船甲板的中心線偏差必須要保證在3m之內；2）航向角控制艦船甲板上含有各類建筑物和設備，為了防止無人機與障礙物碰撞，必須要保證無人機航向與甲板中心線的夾角偏差在±3°。3）穩定性控制無人機著艦時飛行速度迅速降低，此時機翼受到的氣動載荷會產生明顯的變化，造成穩定性降低。因此，無人機著艦時需要滿足穩定性控制要求，機翼振幅控制在正負100mm。本文結合無人機運動控制的需求，設計了一種無人機姿態跟蹤和控制系統，其原理圖如圖2所示。該系統以無人機的側滑角度β為輸入控制信號[3]，主要是因為無人機的側滑角度會影響其航向、穩定性等，建立姿態控制器模型為：δpδ∗prαKαKβ式中：為跟蹤控制器設置的初始側滑角度；為側滑角的偏差；，分別為無人機水平方向的位移；為無人機的航向角；，為系統的控制參數，分別取1.05和1.25。

2.2艦載無人機姿態跟蹤與控制系統的仿真分析

本文針對艦載無人機姿態跟蹤與控制系統的控制特性進行了仿真測試，測試環境為Matlab/Simulink環境，測試平臺為工業計算機[4]。(0,0,0)(1000,500,−2000)(0,5,7.5)設置艦船的初始坐標位置為，無人機的初始位置為，無人機的初始速度為80m/s，姿態按照航向角、仰角和側滑角輸入，為。得到艦載無人機的位置與高度變化仿真曲線如圖3所示。由仿真曲線可知，隨著無人機和艦船距離的不斷縮小，其高度變化趨勢越來越快，但高度變化曲線的曲率平穩變化，證明無人機姿態控制具有良好的效果。

3結語

本文針對艦載無人機的運動學特性，建立無人機的運動學模型。在此基礎上設計了一種艦載無人機的姿態跟蹤和穩定性控制系統，介紹系統的原理，并完成了仿真測試。

作者:韋婷婷 單位:玉林師范學院