胡伟, 雍可南, 陈谋. 基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制. 中国科学: 信息科学, DOI: 10.1360/SSI-2022-0051
无人机在现代战争中已发挥重要作用, 为夺取海域制空权, 航母配备无人机是必然趋势. 无人机作为海上军力部署的重要装备之一, 面向无人机着舰的高精度、高可靠控制要求, 固定翼无人机着舰控制技术还需要进一步深入研究.
（图源：网络）
区别于常规飞行控制律设计, 着舰控制律需要在解决更加严苛的非线性耦合问题的同时, 提供更强的鲁棒性, 以解决着舰过程中面临的建模误差与外部干扰等问题.现有方法中, 预设性能方法是一种有效处理输出约束的方法, 主动估计方法能够增强控制系统的干扰抑制能力和鲁棒性, 然而这些方法普遍对自动着舰任务中的甲板运动与舰尾流问题处理欠妥, 需要针对这些问题开展针对性研究.
本文针对存在建模误差与外部干扰的无人机着舰控制问题, 提出基于干扰区间观测器（Disturbance Interval Observer, DIO）的无人机预设性能着舰飞行控制策略.
首先, 针对系统中由建模误差与外部干扰引入的未知项, 设计DIO对其进行区间估计, 在前馈补偿未知项的同时, 以区间宽度的方式为飞行控制律实时提供估计精度. 在此基础上, 通过引入着舰轨迹约束, 将无人机着舰控制转化为输出受限控制问题, 并在动态面框架下设计预设性能飞行控制律, 且借助DIO提供的区间宽度进一步抑制补偿误差导致的控制性能降低问题. 值得一提的是: 在DIO与预设性能飞行控制律设计过程中, 主动引入非线性增益, 有效地处理了着舰机动中的状态非线性耦合. 最终, 借助Lyapunov函数方法与不变集理论, 给出了上述着舰飞行控制策略的参数设计条件, 数值仿真也进一步表明了该策略的有效性.
通过仿真结果验证基于DIO的着舰飞行控制策略的有效性. 仿真中综合考虑了甲板动态、海浪对甲板运动影响、风力影响、舰尾流场的明显非稳态湍流现象, 仿真结果如图2至图4所示.无人机所有的状态与控制输入曲线绘制如图2. 从图2(a) 与图3(a) 可以看出, 在距离航母800 m处无人机进入下滑通道, 并在接近航母后方300 m处时开始减速, 最终于100 m处时减小下降速度, 完成着舰. 表明在有甲板运动与舰尾流的情况下, 无人机依然能够保证其与母舰的相对位置跟踪参考轨迹, 并顺利着舰.
如图2(b)和(c)所示, 相对位置对参考轨迹的跟踪误差始终处在着舰轨迹约束范围内, 进而可知无人机能够实现在航母甲板着陆的目标.
无人机的空速矢量与姿态角回路动态分别如图3(a)(b) 与图3(c)(d)所示, 且处在合理范围内, 表明着舰飞行控制律的合理性. 此外, 无人机的升降舵偏转与推力输出分别如图3(e)和(f)所示, 进一步表明闭环系统的有界性.如图4(a)所示, DIO区间估计误差均是非负且有界的, 由此也可以验证未知项始终被DIO生成的上下界包裹这一结论, 具体可见图4(b)-(f).综上, 本文提出的DIO能够有效地生成未知项的上下界, 进而也保证了无人机着舰飞行控制策略的有效性.
本文内容可能会与最终出版文章有微小差异，点击下方阅读原文按钮，快速获取文章最新版本。
《中国科学：信息科学》| SCIENCE CHINA Information Sciences
及时报道计算机科学与技术、控制科学与控制工程、通信与信息系统、微电子与固体电子学等领域基础与应用研究方面的原创性成果.
英文版投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/scis
中文版投稿：https://www.scicloudcenter.com/SSI/login/index
快速访问：http://scis.scichina.com/