一种舰载垂起无人机的返航着舰控制方法

技术领域

本发明属于飞行导引和控制技术领域，具体涉及一种舰载垂起无人机的返舰着舰控制方法。

背景技术

垂起无人机返航着舰和着陆在最后下降阶段具有很大的区别，着陆点是固定不变的，而对于返航着舰来说，着舰点随着舰船的运动而运动，是一个活动的点，随着海况等级的提高，着舰点晃动的幅度和频率会增大，这对着舰安全带来了很大的隐患。因此，进行垂起无人机返航着舰方法探索和研究是很有意义的，它能够保障垂起无人机的舰上安全回收，是一项关乎垂起无人机安全的关键技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种舰载垂起无人机的返舰着舰控制方法，解决了现有着舰方法中着舰点随着舰船的运动而运动引起的安全问题。

本发明所采用的技术方案是，一种舰载垂起无人机的返舰着舰控制方法，当垂起无人机开始返航着舰后，舰船的速度和航向将保持不变，具体按以下步骤实施：

步骤1，返航进场：当收到返航指令后，以当前舰船位置为目标点，执行向点飞任务，导引垂起无人机飞至舰船甲板着舰点上空位置；

步骤2，跟踪降高：垂起无人机定速降高向甲板着舰点飞；

步骤3，快速着舰：导引垂起无人机进行稳定下降，在到达安全高度后，垂起无人机将甲板沉浮运动信息引入高度控制通道，使垂起无人机在高度方向始终与甲板着舰点保持相对安全高度，同时采用横滚运动预估器对着舰时机进行判定，当预估到横滚角为0时，控制垂起无人机快速下降完成着舰，触舰后迅速关停各通道控制律。

本发明的特点还在于：

其中步骤1返航进场阶段分为两部分：

第一部分，垂起无人机定高定速向目标点飞，具体操作如下：

纵向：保持当前空速；

横向：纠偏控制；

高度：保持当前高度不变；

航向：以舰船航向为目标航向；

第二部分，垂起无人机定高减速向目标点飞，具体操作如下：

纵向：当待飞距小于一定距离时开始减速，速度与待飞距成正比，减至与舰船速度保持一致；

横向：纠偏控制；

高度：保持当前高度不变；

航向：以舰船航向为目标航向；

其中步骤2中跟踪降高阶段具体操作为：

纵向：保持与舰船速度一致；

横向：纠偏控制；

高度：以一定的垂向速率降高，降至一定安全高度后保持；

航向：以舰船航向为目标航向；

其中步骤3中快速着舰的具体操作为：

纵向：保持与舰船速度一致；

横向：纠偏控制；

高度：以变化的垂向速率降高，完成着舰；

航向：以舰船航向为目标航向；

其中步骤3快速着舰阶段中，由激光测距仪得到垂起无人机与甲板着舰点之间的相对高度，由垂起无人机高度信息解算出甲板着舰点的沉浮运动数据，由沉浮运动数据拟合出沉浮运动的数学模型，从拟合模型中获得沉浮运动的时间周期信息Ts，在获得沉浮运动的周期Ts后，以Ts来对甲板横滚运动进行预估，当预估器预估到Ts后着舰点横滚角为0时，控制垂起无人机开始最后下降阶段，在最后下降阶段，为了使相对垂向速度能够随相对高度降低而成比例减小，确保相对高度为零时触舰速率符合指标要求，采用相对速率是相对高度的指数下降规律，其控制律为：

式中，

当ΔH＝0时，时间t和时间常数τ之间的关系为：

已知时间t、ΔH

本发明的有益效果是：

本发明的一种舰载垂起无人机的返舰着舰控制方法将返航着舰过程分为了返航进场，跟踪降高和快速着舰三个阶段，减小了因着舰点晃动引起的着舰安全隐患，保证垂起无人机的舰上安全回收。

附图说明

图1是本发明的一种舰载垂起无人机的返舰着舰控制方法中整体控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种舰载垂起无人机的返舰着舰控制方法，当垂起无人机开始返航着舰后，舰船的速度和航向将保持不变，如图1所示，整个系统分为三个回路，舰船回路，导引回路和控制回路；舰船回/路也是垂起无人机的指挥控制站，它依据当前海况，舰船和垂起无人机的运动信息进行着舰指令的发出，为了减小舰船运动对垂起无人机着舰的影响，我们必须要提前精确掌握甲板着舰点的实际运动情况。本文采用两轴稳定云台、视觉导航和激光测距仪的方案来实时测量甲板着舰点的沉浮运动信息；

在垂起无人机着舰的最后下降阶段，当垂起无人机位于着舰点上方一定安全高度飞行时，两轴稳定云台搭载摄像头和激光测距仪，使其始终指向甲板着舰点中心，已知着舰图案的几何尺寸，通过实时获取摄像头的参数，我们可以通过几何关系解算出垂起无人机与甲板着舰点之间的相对高度，从而可以通过控制一定的下降速率，使垂起无人机在着舰瞬间与甲板之间的相对速率满足一定的指标要求。为了避免云台测量数据的不稳定性，这里采用舰船和垂起无人机上的高度信息来对测量值进行修正；

具体按以下步骤实施：

步骤1，返航进场：在垂起无人机执行任务过程中，当收到返航指令后，以当前舰船位置为目标点，执行向点飞任务，导引垂起无人机飞至舰船甲板着舰点上空位置；在返航进场阶段，采用向点飞控制方式，保持一定的空速、测偏控制、高度和航向角：

该阶段分为两步：

第一步：垂起无人机定高定速向目标点飞：

纵向：保持当前空速；

横向：纠偏控制；

高度：保持当前高度不变；

航向：以舰船航向为目标航向；

第二步：垂起无人机定高减速向目标点飞：

纵向：当待飞距小于一定距离时开始减速，速度与待飞距成正比，减至与舰船速度保持一致；

横向：纠偏控制；

高度：保持当前高度不变；

航向：以舰船航向为目标航向；

步骤2，跟踪降高；垂起无人机定速降高向甲板着舰点飞；在跟踪降高阶段，采用垂向速率保持控制，其余通道控制不变；

纵向：保持与舰船速度一致；

横向：纠偏控制；

高度：以一定的垂向速率降高，降至一定安全高度后保持；

航向：以舰船航向为目标航向；

步骤3，快速着舰；导引垂起无人机进行稳定下降，为了保证触舰瞬间垂起无人机与舰船的相对垂向速率满足一定的指标要求，在到达安全高度后，垂起无人机需要将甲板沉浮运动信息引入高度控制通道，使垂起无人机在高度方向始终与甲板着舰点保持相对安全高度，同时采用横滚运动预估器对着舰时机进行判定，当预估到横滚角为0时，控制垂起无人机快速下降完成着舰，这样能够保证垂起无人机能够在安全的情况下触舰，触舰后迅速关停各通道控制律；

纵向：保持与舰船速度一致；

横向：纠偏控制；

高度：以变化的垂向速率降高，完成着舰；

航向：以舰船航向为目标航向；

在快速着舰阶段，由激光测距仪我们可以得到垂起无人机与甲板着舰点之间的相对高度，由垂起无人机高度信息解算出甲板着舰点的沉浮运动数据，由沉浮运动数据拟合出沉浮运动的数学模型，从拟合模型中获得沉浮运动的时间周期信息Ts。在获得沉浮运动的周期Ts后，以Ts来对甲板横滚运动进行预估，当预估器预估到Ts后着舰点横滚角为0时，控制垂起无人机开始最后下降阶段。在最后下降阶段，为了使相对垂向速度能够随相对高度降低而成比例减小，确保相对高度为零时触舰速率符合指标要求，采用相对速率是相对高度的指数下降规律，其控制律为

其中，

当ΔH＝0时，时间t和时间常数τ之间的关系为

上式中，已知时间t、ΔH