艦載無(wú)人機(jī)自主著艦回收制導(dǎo)與控制研究進(jìn)展

甄子洋

無(wú)人機(jī)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),與有人機(jī)相比,其顯著優(yōu)點(diǎn)在于能夠在3D(Dull,dirty,dangerous)環(huán)境下執(zhí)行任務(wù),在軍用和民用領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景[1].艦載無(wú)人機(jī)是一類(lèi)裝備在軍艦上的由飛行器、任務(wù)設(shè)備和艦面系統(tǒng)等組成的無(wú)人駕駛飛行器,具有成本低、作戰(zhàn)使用靈活、可避免人員傷亡等優(yōu)勢(shì),將成為航母和其他艦船的重要武器力量[2].海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)等現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中,艦載無(wú)人機(jī)執(zhí)行了大量的空中偵察、目標(biāo)指示、戰(zhàn)損評(píng)估、彈道校正等重要任務(wù).2003年美國(guó)空軍啟動(dòng)了聯(lián)合無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)(J-UCAS)項(xiàng)目,旨在演示和評(píng)估陸基和艦載無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)及加快研制生產(chǎn)該作戰(zhàn)系統(tǒng)所必需的未來(lái)技術(shù),以提高空軍和海軍的作戰(zhàn)能力.2011年2月,美國(guó)海軍高調(diào)宣布一款能夠從航母上起飛的新型無(wú)人機(jī)—X-47B無(wú)人偵察攻擊機(jī)完成首次試飛,它具備高水平的空戰(zhàn)系統(tǒng),可為美軍全天候作戰(zhàn)任務(wù)提供作戰(zhàn)支持.

早在20世紀(jì)20年代,無(wú)人機(jī)就已在某些國(guó)家海軍中得到應(yīng)用.當(dāng)時(shí)的無(wú)人機(jī)多數(shù)由有人機(jī)改裝而成,當(dāng)作靶標(biāo)或偵察用.從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,出現(xiàn)了眾多先進(jìn)的艦載無(wú)人機(jī).美國(guó)海軍擁有世界上性能最先進(jìn)、數(shù)量最多的艦載無(wú)人機(jī),已經(jīng)應(yīng)用或正在開(kāi)發(fā)的艦載無(wú)人機(jī)主要包括[3?5]:以色列麥茨雷特公司研制最初用于發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)列艦的“先鋒”(Pioneer)無(wú)人機(jī)、美國(guó)偵察系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)制造商Teledyne-Ryan研制的BQM-145A中程無(wú)人機(jī)、美國(guó)諾斯羅普·格魯門(mén)公司開(kāi)發(fā)的世界上第一款噴氣式無(wú)人駕駛戰(zhàn)斗/偵察機(jī)X-47B無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)、美國(guó)通用原子航空系統(tǒng)公司研發(fā)的“捕食者”(Predator)C—“復(fù)仇者”型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人攻擊機(jī)、由波音公司與英國(guó)因斯特公司聯(lián)合研制的第一架專門(mén)用于支持海軍行動(dòng)的海事專用無(wú)人機(jī)“掃描鷹”(ScanEagle)無(wú)人機(jī)、美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的“銀狐”(Silver Fox)低成本小型無(wú)人機(jī)、美國(guó)諾斯羅普·格魯曼公司生產(chǎn)的用于無(wú)人情報(bào)、監(jiān)視、偵察、“廣域海上監(jiān)視”的“全球鷹”(Global Hawk)MQ-4C無(wú)人機(jī)、澳大利亞國(guó)營(yíng)飛機(jī)公司(GAF)研制的單發(fā)噴氣式靶機(jī)“金迪維克”(Jindivik)(美國(guó)、澳大利亞等國(guó)海軍已采購(gòu)[6?8])、美國(guó)AAI公司研制的RQ-7“影子200”戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī).以色列也是研制艦載無(wú)人機(jī)的佼佼者,它先后推出了“猛犬”、“拓荒者”等艦載無(wú)人機(jī).此外,加拿大、法國(guó)和意大利等國(guó)先后研制成功了“哨兵”、“奇觀”、“塘鵝”等艦載無(wú)人機(jī).

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,無(wú)人機(jī)自主控制成為當(dāng)前航空宇航科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程、信息與通信工程等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).為此,無(wú)人機(jī)自主著艦是艦載機(jī)自動(dòng)著艦和無(wú)人機(jī)自主控制等相關(guān)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì).由于著艦環(huán)境十分復(fù)雜,精確制導(dǎo)與控制技術(shù)成為艦載無(wú)人機(jī)安全著艦/回收(Carrier-landing/Ship-recovery)的重中之重,我國(guó)關(guān)于無(wú)人機(jī)著艦/回收技術(shù)的研究起步較晚,但近年發(fā)展迅速.南京航空航天大學(xué)在有人艦載機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)與控制技術(shù)研究基礎(chǔ)上,較早系統(tǒng)性地開(kāi)展了無(wú)人機(jī)著艦技術(shù)的研究[9-12].

艦載無(wú)人機(jī)正日益成為海洋軍事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的重要艦載武器裝備,本文綜述了國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)著艦回收制導(dǎo)與控制關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展.本文結(jié)構(gòu)安排如下:第1節(jié)概述無(wú)人機(jī)自主著艦/回收不同方式;第2節(jié)概述無(wú)人機(jī)自主著艦/回收制導(dǎo)與控制的關(guān)鍵問(wèn)題;第3節(jié)和第4節(jié)概述無(wú)人機(jī)自主著艦/回收制導(dǎo)技術(shù)和飛行控制技術(shù)的研究進(jìn)展;第5節(jié)總結(jié)艦載無(wú)人機(jī)著艦/回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了分析展望.

1 典型的艦載無(wú)人機(jī)著艦/回收方式

艦載無(wú)人機(jī)著艦/回收方式種類(lèi)繁多,下面概述幾種典型著艦/回收方式的發(fā)展現(xiàn)狀,主要包括[13]:

1)跑道攔阻著艦(Runway arrested landing).1922年10月26日,美國(guó)Godfrey deC·Chevalier少將駕駛一架39B雙翼機(jī),首次采用攔阻著艦方法著陸于美國(guó)海軍第一艘專用航母—蘭利號(hào)航母[14].攔阻著艦源于有人艦載機(jī)著艦,主要用于大型艦船,因?yàn)榇笮团灤休^大甲板,其質(zhì)量和尺寸較大,對(duì)海浪運(yùn)動(dòng)不甚敏感.攻擊型無(wú)人機(jī)等大型無(wú)人機(jī),例如捕食者、全球鷹等已成功完成在航母上的起降.該方法已成為回收非垂直起降飛機(jī)著艦的標(biāo)準(zhǔn)方法[15].

2)撞網(wǎng)回收(Net recovery).1986年在美國(guó)愛(ài)荷華州號(hào)(USS Iowa)軍艦上,采用撞網(wǎng)回收方法第一次成功回收RQ-2先鋒無(wú)人機(jī),它是一種簡(jiǎn)單且確實(shí)可行的方法[16?18].相對(duì)其他類(lèi)型無(wú)人機(jī),輕型和超輕型無(wú)人機(jī)更適合該方法,例如國(guó)際合作的“先鋒”(Pioneer)、美國(guó)的“海上機(jī)載測(cè)深索”(Sea-ALL)、“銀狐” (Silver Fox)、“殺人蜂” (Killer Bee)都成功地使用過(guò)撞網(wǎng)回收系統(tǒng).文獻(xiàn)[19?20]開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)易的基于GPS引導(dǎo)的撞網(wǎng)回收系統(tǒng).文獻(xiàn)[21?22]設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)撞網(wǎng)回收系統(tǒng).回收網(wǎng)可以放置在甲板上方或甲板側(cè)面等不同位置,也可以傾斜放置或垂直放置.若是垂直放置,無(wú)人機(jī)需有尾鉤掛住網(wǎng)[23].

3)降落傘/翼傘回收(Parachute/Parafoil recovery).固定翼無(wú)人機(jī)需要一個(gè)最小空速來(lái)維持可控飛行,這限制了機(jī)翼升力[24].傘降回收主要包括三種方法:a)無(wú)控降落傘[25],它輔助機(jī)翼升力,這種回收方法主要用于靶機(jī)回收,例如澳大利亞海軍的Kalkara無(wú)人機(jī)、英國(guó)的Phoenix,Observer,Skyeye無(wú)人機(jī)、意大利的Mirach 100無(wú)人機(jī)、美國(guó)的Exdrone,Israeli Ranger無(wú)人機(jī).同時(shí),一些采用常規(guī)跑道著艦的陸基無(wú)人機(jī)也使用降落傘回收作為緊急回收的方法,例如美國(guó)Predator等使用降落傘作為應(yīng)急回收方法;b)翼傘/滑翔傘(Parafoil/Parasail)[26?28],通常是長(zhǎng)方形或橢圓形,自帶操縱系統(tǒng)控制其飛行狀態(tài).滑翔傘是翼傘的一種,可以作為滑翔機(jī)使用.滑翔傘回收飛機(jī)是Greenhalgh等人于1974年提出的,1991年在英國(guó)Skyeye號(hào)無(wú)人機(jī)上進(jìn)行了飛行測(cè)試;c)動(dòng)態(tài)降落傘[10],來(lái)源于一些飛機(jī)在著陸著地之前使用減速傘或反推力,也來(lái)源于過(guò)失速問(wèn)題,但該方法還未見(jiàn)實(shí)際使用.

4)繩鉤回收(Cable hook recovery).它是無(wú)人機(jī)在遠(yuǎn)?？赡苡龅桨ù罄恕L(fēng)、紊流等條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回收的一種有效手段[29?30].主要對(duì)象是小型固定翼無(wú)人機(jī),相對(duì)于“先鋒”無(wú)人機(jī)這樣尺寸的無(wú)人機(jī),使用繩鉤回收比廣泛使用的撞網(wǎng)回收可以獲得更好的操作性能.Khantsis等研究了無(wú)人機(jī)繩鉤回收技術(shù)的有效性[31?32].

5)天鉤回收(Skyhook recovery).對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō),尤其是小型無(wú)人機(jī),可以采用飛行中捕獲這種方法,由此產(chǎn)生了天鉤回收方式,即在導(dǎo)引裝置指引下,使機(jī)翼翼尖小鉤捕獲懸掛在回收系統(tǒng)吊桿上的攔阻繩,攔阻繩連接吸能緩沖裝置,觸繩后繩鉤回收系統(tǒng)柔和地吸收能量,使無(wú)人機(jī)回旋減速,從而平穩(wěn)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)攔阻回收[33].Insitu公司的小型“海上掃描”(Seascan)無(wú)人機(jī)和波音公司的“掃描鷹”(Scaneagles)無(wú)人機(jī)使用垂直的懸浮鋼絲天鉤回收技術(shù)[34].

6)過(guò)失速回收(Post stall landing).采用類(lèi)似動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)著艦的思想,也是無(wú)人機(jī)著艦/回收方式的發(fā)展趨勢(shì)之一.以色列Elbit Systems公司的Skylark I無(wú)人機(jī)的回收方式包括過(guò)失速、攔阻和天鉤[34].另一種方法是通過(guò)一個(gè)較陡的向上拉平動(dòng)作,使無(wú)人機(jī)在正常迎角下降低速度,在軌跡最高點(diǎn)時(shí)無(wú)人機(jī)達(dá)到失速后降落到理想點(diǎn).不過(guò),該方法須提供一定高度和無(wú)障礙的著艦點(diǎn).然而,實(shí)際機(jī)動(dòng)形式取決于飛機(jī)特性,特別是機(jī)翼負(fù)荷、有效推力以及升降舵操縱能力.文獻(xiàn)[35]研究了基于非線性模型預(yù)測(cè)控制的無(wú)人機(jī)深失速著陸控制問(wèn)題.

7)智能飛落著艦(Bio-inspired perched landing).這是一種模擬鳥(niǎo)類(lèi)飛落著陸的無(wú)人機(jī)回收方式[36?39].著艦過(guò)程分為幾個(gè)階段:a)無(wú)人機(jī)進(jìn)場(chǎng),控制進(jìn)場(chǎng)速度,通過(guò)機(jī)動(dòng)最小化或優(yōu)化水平和縱向速度,通過(guò)增加迎角把水平速度轉(zhuǎn)化為垂向速度;b)起落架(人工爪)伸展,一旦飛機(jī)進(jìn)入預(yù)定位置,起落架擴(kuò)展以便抓住停留處,擴(kuò)展過(guò)程時(shí)間最小化,以便減小外部干擾引起的著艦誤差,還需要速度匹配,減小對(duì)停留處的碰撞沖擊;c)吸收碰撞能量,一旦抓爪接觸停留處,落點(diǎn)的受力與飛機(jī)速度和質(zhì)量有關(guān),需要通過(guò)一個(gè)受控的力來(lái)分散撞擊動(dòng)能;d)能量分散之后,控制飛機(jī)位置和方位,所以系統(tǒng)需要兩個(gè)控制器.

8)風(fēng)向筒回收(Wind sock recovery).風(fēng)向筒是圓錐形,開(kāi)口比翼展要大許多,尾部先封閉,當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入后,由于風(fēng)向筒具有壓縮、內(nèi)緊特性,使得飛機(jī)減速至停下,然后打開(kāi)風(fēng)向筒尾部即可取出飛機(jī)[34].該方式回收時(shí)間短、復(fù)雜度低、重量輕,但是缺陷是無(wú)法回收前置螺旋槳無(wú)人機(jī).

9)秋千式吊架回收(Trapeze recovery).由現(xiàn)成的海上起重機(jī)、安裝在起重機(jī)吊桿末端的秋千式吊架、安裝在無(wú)人機(jī)上的高升力翼組件、攔阻鉤等組成[34,40?41].該方式適用于艦船回收長(zhǎng)航時(shí)、大型無(wú)人機(jī),具有很好的應(yīng)用前景.

根據(jù)著艦/回收方式,出現(xiàn)了多種著艦/回收引導(dǎo)系統(tǒng),常見(jiàn)引導(dǎo)方式包括:雷達(dá)、衛(wèi)星、激光和視覺(jué)等,引導(dǎo)系統(tǒng)用于獲取理想著艦/回收目標(biāo)點(diǎn)的位置、速度和姿態(tài)信息或相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息,輸入給制導(dǎo)與控制系統(tǒng).

2 無(wú)人機(jī)著艦/回收制導(dǎo)與控制關(guān)鍵問(wèn)題

由于著艦環(huán)境十分惡劣,艦尾氣流、著艦區(qū)紊流、艦船甲板運(yùn)動(dòng)等擾動(dòng)作用都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)著艦產(chǎn)生很大影響,極大增加了無(wú)人機(jī)自主著艦難度,嚴(yán)重影響了著艦安全.

無(wú)人機(jī)著艦/回收制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的一般原理框圖如圖1所示.不論采用何種著艦/回收方式,制導(dǎo)與控制系統(tǒng)首先需要獲取著艦/回收目標(biāo)位置和姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)信息,計(jì)算或測(cè)量機(jī)艦相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息,對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)以實(shí)現(xiàn)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,生成基準(zhǔn)下滑軌跡,計(jì)算軌跡偏差,產(chǎn)生制導(dǎo)指令并轉(zhuǎn)化為姿態(tài)指令輸入給飛行控制系統(tǒng)控制無(wú)人機(jī).

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有不確定、非線性、多變量耦合和受外界擾動(dòng)等特性,而不確定性主要來(lái)源于非定常氣動(dòng)特性、燃油變化帶來(lái)的重心和慣量變化、系統(tǒng)故障等,非線性主要表現(xiàn)在氣動(dòng)力及其系數(shù)都是狀態(tài)相關(guān)的非線性函數(shù)以及六自由度運(yùn)動(dòng)本身呈現(xiàn)出非線性特性,多變量耦合主要體現(xiàn)在縱橫向運(yùn)動(dòng)耦合.無(wú)人機(jī)的數(shù)學(xué)模型可由一組非線性微分方程組簡(jiǎn)單表示為

與無(wú)人機(jī)著陸相比,無(wú)人機(jī)著艦的區(qū)別與難點(diǎn)主要在于:著艦過(guò)程沒(méi)有拉平階段,著艦平臺(tái)是一個(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),對(duì)下滑軌跡及落點(diǎn)的控制精度要求更高,著艦環(huán)境更加復(fù)雜且對(duì)無(wú)人機(jī)干擾更加嚴(yán)重,惡劣的著艦環(huán)境更容易引起無(wú)人機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障.針對(duì)上述復(fù)雜的無(wú)人機(jī)對(duì)象及著艦任務(wù),自主著艦需要解決的制導(dǎo)與控制關(guān)鍵問(wèn)題包括:

1)無(wú)人機(jī)自主著艦/回收制導(dǎo)問(wèn)題.該問(wèn)題可以看作一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)尋的制導(dǎo)問(wèn)題.無(wú)人機(jī)自主著艦時(shí),需要事先設(shè)定進(jìn)場(chǎng)著艦基準(zhǔn)軌跡,基準(zhǔn)軌跡是指綜合考慮機(jī)艦協(xié)同、飛行機(jī)動(dòng)、飛行時(shí)間、著艦特殊要求等約束因素下,從無(wú)人機(jī)初始設(shè)定位置到目標(biāo)著艦位置的最優(yōu)或可行基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)軌跡.軌跡控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量獲得的機(jī)艦相對(duì)位置,提高系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)軌跡的動(dòng)態(tài)跟蹤性能和對(duì)外界擾動(dòng)的抑制能力.因此,制導(dǎo)問(wèn)題主要包括基準(zhǔn)軌跡生成、機(jī)艦位置測(cè)量與計(jì)算、制導(dǎo)信號(hào)生成等,傳統(tǒng)上它屬于姿態(tài)控制回路的外環(huán).

圖1 無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦/回收制導(dǎo)與控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Guidance and control system diagram for automatic carrier-landing/ship-recovery of UAV

2)無(wú)人機(jī)著艦軌跡的精確跟蹤控制問(wèn)題.艦載無(wú)人機(jī)受到外界環(huán)境干擾以及系統(tǒng)本身參數(shù)不確定等因素影響時(shí),要求控制器仍具備使飛行器精確跟蹤基準(zhǔn)軌跡的控制性能.對(duì)于攔阻著艦,理想著艦點(diǎn)在艦尾部斜坡距離48.768m(160ft)處,有4條攔阻索分布在著艦點(diǎn)處,間隔為12.192m(40ft).下滑角一般為?3.5?,飛機(jī)到達(dá)艦尾時(shí)要求凈空為2.560m(8.4ft),并在1s后以3.767m/s(12.36ft/s)撞擊速度著艦[42].著艦軌跡有嚴(yán)格的容許范圍.例如,對(duì)于5?的下滑道,高度容許誤差1m需要11.5m的甲板長(zhǎng)度,若要考慮由于艦船運(yùn)動(dòng)引起的著艦位置變化則需要更長(zhǎng)的甲板.而且,無(wú)人機(jī)是一種典型的強(qiáng)干擾不確定非線性多變量系統(tǒng),這給控制器設(shè)計(jì)也帶來(lái)了很大挑戰(zhàn).

3)無(wú)人機(jī)著艦低速下滑姿態(tài)穩(wěn)定控制問(wèn)題.無(wú)人機(jī)在進(jìn)場(chǎng)著艦段,隨著飛行速度減小,飛行迎角一般都會(huì)超過(guò)臨界迎角,處于速度不穩(wěn)定區(qū)域,使飛行軌跡保持變得非常困難.無(wú)人機(jī)著艦時(shí)通常通過(guò)控制飛機(jī)姿態(tài)角來(lái)控制飛機(jī)航跡角,航跡角對(duì)姿態(tài)角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響飛機(jī)的基準(zhǔn)軌跡跟蹤性能,而且飛行速度和航跡角對(duì)推力和升降舵控制指令響應(yīng)之間存在強(qiáng)烈耦合,所以速度保持須與姿態(tài)控制同時(shí)作用.因此,為了保持無(wú)人機(jī)著艦狀態(tài)下的低速穩(wěn)定性,提高基準(zhǔn)軌跡跟蹤精度,必須在氣動(dòng)舵面操縱同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)行控制.

4)艦船甲板運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題.艦船在海上航行過(guò)程中,由于受海浪、海涌及風(fēng)的影響,艦體將會(huì)產(chǎn)生縱搖、偏航、橫搖、上下起伏等形式的甲板運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致艦船上的著艦點(diǎn)為三自由度活動(dòng)點(diǎn),嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)著艦的難度以及安全性,尤其采用攔阻著艦、天鉤回收、過(guò)失速著艦和智能飛落著艦等方式.下滑角必須大于甲板運(yùn)動(dòng)在進(jìn)場(chǎng)的方向所允許的角度幅度,否則當(dāng)甲板的傾斜度大于下滑角時(shí),著艦是不可能的.太低的角度進(jìn)場(chǎng)是致命的,因?yàn)闊o(wú)人機(jī)會(huì)撞到艦尾.因此,進(jìn)場(chǎng)航線應(yīng)該認(rèn)真設(shè)計(jì),以便在碰到艦尾時(shí),飛機(jī)在艦尾有一個(gè)適當(dāng)?shù)母叨劝踩６?為補(bǔ)償甲板運(yùn)動(dòng)擾動(dòng),通常在著艦最后階段加入甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,使得無(wú)人機(jī)跟蹤實(shí)際著艦點(diǎn)飛行.

5)甲板風(fēng)與艦尾氣流擾動(dòng)抑制問(wèn)題.通常情況下,無(wú)人機(jī)從艦尾進(jìn)場(chǎng),因?yàn)榭梢越柚灤俣葋?lái)減小碰撞速度,不過(guò)這需要無(wú)人機(jī)穿越艦船的尾流場(chǎng),另外還可能有強(qiáng)側(cè)風(fēng)或順風(fēng).如果允許無(wú)人機(jī)從相反方向進(jìn)場(chǎng),需要一個(gè)直通的甲板或兩個(gè)著艦甲板,這增加了對(duì)艦船的設(shè)計(jì)要求.與有人機(jī)相比,在海上多變的環(huán)境下,無(wú)人機(jī)對(duì)惡劣天氣條件的適應(yīng)能力較弱.甲板上的氣流分布受到海面環(huán)境和甲板布局、甲板上建筑物或武器設(shè)備布置的影響,容易導(dǎo)致艦載機(jī)著艦的安全性受到威脅.因此,研究艦體周?chē)鲌?chǎng)分布、設(shè)計(jì)強(qiáng)魯棒性控制系統(tǒng)至為重要.

6)飛機(jī)故障情形下的容錯(cuò)控制問(wèn)題.面對(duì)惡劣的著艦環(huán)境以及復(fù)雜而艱巨的作戰(zhàn)任務(wù),飛機(jī)機(jī)體損傷、執(zhí)行器故障或傳感器失效都是艦載無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題.然而,現(xiàn)有的多數(shù)容錯(cuò)控制方法很難直接應(yīng)用到六自由度運(yùn)動(dòng)無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中.

3 無(wú)人機(jī)著艦/回收制導(dǎo)研究

無(wú)人機(jī)基準(zhǔn)下滑軌跡的生成是著艦/回收軌跡制導(dǎo)的前提,楊一棟、甄子洋等分別設(shè)計(jì)了基于飛機(jī)重心和飛機(jī)尾鉤的著艦基準(zhǔn)軌跡,并且為補(bǔ)償甲板六自由度運(yùn)動(dòng)擾動(dòng),對(duì)基準(zhǔn)軌跡進(jìn)行了修正[10].無(wú)人機(jī)著艦/回收問(wèn)題可看作一個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)尋的制導(dǎo),往往需要更精確的控制.目標(biāo)尋的制導(dǎo)算法大致分為經(jīng)典制導(dǎo)算法和現(xiàn)代制導(dǎo)算法.下面概述無(wú)人機(jī)自主著艦/回收制導(dǎo)問(wèn)題的研究進(jìn)展.

3.1 經(jīng)典制導(dǎo)方法

經(jīng)典制導(dǎo)算法有多種,如追蹤法、三點(diǎn)法、平行接近法和比例導(dǎo)引法等.追蹤法、平行接近法要求制導(dǎo)系統(tǒng)在每一個(gè)瞬間都要準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)位置、飛行速度以及前置角,制導(dǎo)系統(tǒng)有些復(fù)雜[43].比例導(dǎo)引法具有需要信息量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),典型的改進(jìn)算法有:純比例、理想比例、真比例、PID比例、變結(jié)構(gòu)比例、修正比例等.

1)追蹤法.追蹤法是飛行器速度向量始終指向目標(biāo)的一種導(dǎo)引方法.首爾大學(xué)Yoon等[21]研究了基于追蹤制導(dǎo)技術(shù)的無(wú)人機(jī)撞網(wǎng)回收問(wèn)題,設(shè)計(jì)了純追蹤、前置追蹤和偽追蹤制導(dǎo)律.前置追蹤的制導(dǎo)指令與追蹤法的制導(dǎo)指令(視線角、航跡角、偏航角)為回收網(wǎng)中心點(diǎn)的高度、寬度以及飛機(jī)重心與回收網(wǎng)中心點(diǎn)的縱橫向距離有關(guān).若不考慮前置角,則為純追蹤法;若考慮前置角,則為前置追蹤法;若視線角中縱橫向相對(duì)距離改為指向虛擬著陸點(diǎn)的分段軌跡,則是偽追蹤法.隨后,Yoon等[22]將其拓展用于螺旋形下降軌跡的撞網(wǎng)回收制導(dǎo)問(wèn)題中,這種螺旋形軌跡可以從任意位置、航向角起始,到達(dá)朝向回收網(wǎng)的最終進(jìn)場(chǎng)航路點(diǎn),控制飛機(jī)軌跡角與螺旋形下降末端時(shí)的進(jìn)場(chǎng)方向保持一致,飛機(jī)直接從進(jìn)場(chǎng)航路點(diǎn)導(dǎo)引到回收網(wǎng),并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.用追蹤法導(dǎo)引無(wú)人機(jī)著艦/回收,飛行軌跡比較彎曲,雙方速度比受到嚴(yán)格限制,而且只能從艦船后方接近,但它容易實(shí)現(xiàn),適用于低速度運(yùn)動(dòng)艦船回收使用.

2)比例導(dǎo)引法.比例導(dǎo)引法是指要求控制導(dǎo)彈速度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與彈目線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成比例的一種導(dǎo)引方法,易于工程實(shí)現(xiàn)且對(duì)不同機(jī)動(dòng)特性的目標(biāo)適應(yīng)能力較強(qiáng).在無(wú)人機(jī)最后著艦階段由于船體振蕩原因,無(wú)論是回收窗口的速度還是加速度都在不斷變化,除非有著艦?zāi)繕?biāo)區(qū)域精確預(yù)測(cè)的模型,否則經(jīng)典導(dǎo)引方法的效果都有所減弱,不能很好地滿足著艦性能要求.墨爾本皇家理工大學(xué)Khantsis[31]研究了基于純比例導(dǎo)引(Pure proportional navigation,PPN)和真比例導(dǎo)引(True proportional navigation,TPN)的無(wú)人機(jī)繩鉤著艦技術(shù),將著艦問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋的制導(dǎo)問(wèn)題,由制導(dǎo)律產(chǎn)生垂直和水平方向的過(guò)載因子指令,然后運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將這些指令轉(zhuǎn)化為傾斜角指令和常規(guī)機(jī)體的過(guò)載因子指令,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.甄子洋等[44?45]提出了一種基于GPS引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦制導(dǎo)系統(tǒng),主要采用了PID引導(dǎo)策略.

3)視線法.視線是指艦載無(wú)人機(jī)位置點(diǎn)指向下一個(gè)航路點(diǎn),基準(zhǔn)航跡被離散化為航路點(diǎn)序列.Skulstad[46]、Kim[47]等在地面進(jìn)行了撞網(wǎng)回收無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn),就是利用視線制導(dǎo)法(LOS)進(jìn)行回收引導(dǎo).You等[48]在地面進(jìn)行無(wú)人機(jī)攔阻繩著陸飛行驗(yàn)證來(lái)模擬航母攔阻索著艦,設(shè)計(jì)了基于瞄準(zhǔn)視線的軌跡跟蹤制導(dǎo)律,將縱向和側(cè)向軌跡誤差分別轉(zhuǎn)化為俯仰角指令和滾轉(zhuǎn)角指令予以消除.

然而,比例導(dǎo)引法、直接視線法、消除側(cè)偏法等傳統(tǒng)制導(dǎo)方法幾乎都受限于目標(biāo)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化,如果動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確,引導(dǎo)性能將顯著下降.為此,針對(duì)甲板著艦區(qū)域動(dòng)態(tài)變化難以精確預(yù)估的問(wèn)題,鄭峰嬰、甄子洋等[49]設(shè)計(jì)了一種基于新坐標(biāo)體系動(dòng)態(tài)變化的自動(dòng)著艦引導(dǎo)算法.在捕獲階段,新坐標(biāo)系隨無(wú)人機(jī)空間位置變化而變化,根據(jù)無(wú)人機(jī)初始航向、位置信息確定基準(zhǔn)航跡,采用直接視線法獲取航跡誤差.在跟蹤階段,新坐標(biāo)系隨回收區(qū)域變化而變化,考慮甲板運(yùn)動(dòng)確定基準(zhǔn)航跡,采用坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變化法得到航跡誤差.該引導(dǎo)技術(shù)針對(duì)直接視線法對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)區(qū)域跟蹤效果不好的缺點(diǎn),引導(dǎo)無(wú)人機(jī)在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下位置和速度誤差為零,提高了無(wú)人機(jī)在特定著艦環(huán)境下的著艦性能,并且在著艦跟蹤階段引導(dǎo)算法中直接引入甲板運(yùn)動(dòng),避免在控制器中加入甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器,降低了飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜性.

由此可知,經(jīng)典制導(dǎo)方法在無(wú)人機(jī)著艦問(wèn)題中具有很好的工程應(yīng)用可行性.

3.2 現(xiàn)代制導(dǎo)方法

現(xiàn)代制導(dǎo)方法建立在現(xiàn)代控制理論和微分對(duì)策理論基礎(chǔ)上,包括線性最優(yōu)法、自適應(yīng)法、微分對(duì)策法以及非線性控制法等.

線性最優(yōu)法是利用最優(yōu)控制理論將制導(dǎo)看作帶有終端約束的控制器設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[50]提出了基于視線矢量的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦最優(yōu)制導(dǎo)方法.最優(yōu)法結(jié)構(gòu)靈活且引導(dǎo)信號(hào)多,對(duì)目標(biāo)加速度估計(jì)誤差、剩余飛行時(shí)間估計(jì)誤差靈敏度高,對(duì)測(cè)量元件提出較高要求.較大的信息測(cè)量或估計(jì)誤差會(huì)使其性能變差.自適應(yīng)法的實(shí)際引導(dǎo)信息隨實(shí)際參數(shù)和外界條件變化而變化,以消除系統(tǒng)模型及外界環(huán)境條件的不確定因素帶來(lái)的影響,因而可以提高制導(dǎo)精度[51?52].微分對(duì)策法是以微分對(duì)策理論為基礎(chǔ)的最優(yōu)制導(dǎo)法[53?54],求解微分對(duì)策制導(dǎo)律要用極大值原理,需要解邊值問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難.往往應(yīng)用奇異攝動(dòng)理論和可達(dá)集理論來(lái)研究制導(dǎo)律,這樣求解過(guò)程比較簡(jiǎn)單,但是仍然需要較多的測(cè)量信息和目標(biāo)的估計(jì)信息.非線性控制理論應(yīng)用到制導(dǎo)算法領(lǐng)域的有微分幾何方法、反饋線性化理論、變結(jié)構(gòu)理論等,然而,目前在艦載無(wú)人機(jī)上應(yīng)用研究的報(bào)道極少.文獻(xiàn)[55]針對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)撞網(wǎng)回收問(wèn)題,借鑒比例導(dǎo)引法提出了基于視線角的制導(dǎo)算法,并引入反步法的設(shè)計(jì)思想以提高制導(dǎo)算法的自適應(yīng)性.基于視線角的制導(dǎo)律使無(wú)人機(jī)的軌跡傾斜角變化率與視線角變化率成比例,通過(guò)控制視線角來(lái)跟蹤下滑軌跡傾斜角,可以減小無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)艦船參數(shù)變化的敏感性,獲得較為穩(wěn)定的下滑軌跡.

總之,現(xiàn)代制導(dǎo)方法日趨成熟,但是在無(wú)人機(jī)自主著艦問(wèn)題中還未得到深入研究,亟待解決艦船六自由度運(yùn)動(dòng)這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確制導(dǎo)問(wèn)題,在無(wú)人機(jī)著艦領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

4 無(wú)人機(jī)著艦/回收控制研究

飛行控制是無(wú)人機(jī)自主著艦/回收的關(guān)鍵技術(shù),使無(wú)人機(jī)保持預(yù)定速度、穩(wěn)定姿態(tài)及跟蹤基準(zhǔn)著艦軌跡,對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)與氣流擾動(dòng)具有補(bǔ)償或抑制性能,并對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)故障具有容錯(cuò)功能.因此,無(wú)人機(jī)著艦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有極大難度,在控制理論領(lǐng)域也是一大熱點(diǎn)和挑戰(zhàn).

4.1 經(jīng)典控制方法

經(jīng)典線性控制方法理論成熟,采用單回路設(shè)計(jì)方法,物理意義明確,易于工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),在無(wú)人機(jī)著艦中應(yīng)用最多[15,19?20,47,56?57].英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的Fitzgerald為克蘭菲爾德航宇公司(Cranfield Aerospace Ltd.)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的MK4A Jindivik無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了跑道著艦的制導(dǎo)與控制系統(tǒng),除了包含軌跡、速度和姿態(tài)控制回路以及甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估和補(bǔ)償器外,還研究了推力矢量控制、自動(dòng)油門(mén)控制、可變進(jìn)場(chǎng)速度控制等先進(jìn)技術(shù),解決了甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)問(wèn)題,最后以著艦規(guī)范統(tǒng)計(jì)了仿真數(shù)據(jù)結(jié)果[15].挪威科技大學(xué)的Syversen等[19?20,46]研究了GPS引導(dǎo)下的無(wú)人機(jī)自動(dòng)撞網(wǎng)回收技術(shù),并進(jìn)行了模擬飛行驗(yàn)證.美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S.Naval Research Laboratory)開(kāi)發(fā)了一款近距離隱蔽微型無(wú)人機(jī)CICADA,設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)由三層回路組成:第一、二層分別為采用經(jīng)典PID設(shè)計(jì)的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)和軌跡角控制回路,第三層是電池溫度控制回路,以適應(yīng)高空飛行環(huán)境,并進(jìn)行了實(shí)際飛行測(cè)試[58].

南京航空航天大學(xué)研發(fā)的“翔飛”系列小型固定翼無(wú)人機(jī),引入高精度的實(shí)時(shí)載波相位差分GPS,在高度控制和速度控制回路中集成配備了基于數(shù)據(jù)融合的容錯(cuò)控制方案,實(shí)際自主起降飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)人機(jī)可以在整個(gè)飛行過(guò)程中跟蹤下滑軌跡指令,控制低速下滑姿態(tài)穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了起飛、爬升、巡航、滑行、著陸及觸艦復(fù)飛的一系列任務(wù),其縱向飛行控制系統(tǒng)如圖2所示[59-60].

由此得出,經(jīng)典控制在陸地模擬飛行實(shí)驗(yàn)中得到了初步驗(yàn)證,基本解決了軌跡、速度和姿態(tài)控制問(wèn)題,具有較好的工程可實(shí)現(xiàn)性[19?20,47,57].然而,在艦船上實(shí)際飛行驗(yàn)證的實(shí)例極少,因此甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估和補(bǔ)償、艦尾氣流抑制、故障容錯(cuò)控制等問(wèn)題有待進(jìn)一步工程實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證.在惡劣環(huán)境下,經(jīng)典控制難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)氣流干擾下的精確軌跡跟蹤控制,也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)六自由度甲板運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償跟蹤控制,這在跟后續(xù)先進(jìn)控制方法的對(duì)比中有所體現(xiàn).

圖2 翔飛無(wú)人機(jī)縱向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Xiangfei UAV longitudinal control system structure

4.2 現(xiàn)代控制方法

目前得到應(yīng)用研究的無(wú)人機(jī)著艦現(xiàn)代控制方法主要包括最優(yōu)控制(Optimal control)、預(yù)見(jiàn)控制(Preview control)及總能量控制(Total energy control,TEC)等.

1)最優(yōu)控制

最優(yōu)控制已經(jīng)在實(shí)際飛行控制系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用.它與PID控制的區(qū)別在于引入了最優(yōu)評(píng)價(jià)函數(shù),并通過(guò)狀態(tài)反饋矩陣形式實(shí)現(xiàn).在無(wú)人機(jī)著艦問(wèn)題中,傳統(tǒng)最優(yōu)控制能夠控制飛機(jī)保持低速跟蹤下滑軌跡,已在無(wú)人機(jī)撞網(wǎng)回收地面實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證[48].但是設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮著艦環(huán)境干擾因素.由于著艦環(huán)境特殊,受到甲板運(yùn)動(dòng)、艦尾氣流干擾,因此控制器還需具有一定魯棒性能.一種改進(jìn)方法是將速度及位置分量積分定義為新的狀態(tài)量,設(shè)計(jì)積分跟蹤系統(tǒng),得到擴(kuò)展最優(yōu)控制器,以保持進(jìn)場(chǎng)速度和迎角恒定,減少輸出穩(wěn)態(tài)誤差.信息融合最優(yōu)控制結(jié)合了融合估計(jì)與最優(yōu)控制理論,更適合解決最優(yōu)跟蹤控制問(wèn)題,在無(wú)人機(jī)著艦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有較好的應(yīng)用前景[61].

2)預(yù)見(jiàn)控制

預(yù)見(jiàn)控制不僅利用系統(tǒng)當(dāng)前已知信息,還利用系統(tǒng)未來(lái)目標(biāo)值和干擾值來(lái)決定當(dāng)前控制策略,可以改善系統(tǒng)跟蹤精度,提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,已在車(chē)輛主動(dòng)懸掛系統(tǒng)、機(jī)電伺服系統(tǒng)、機(jī)器人、飛行器等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[62?63].針對(duì)無(wú)人機(jī)著艦軌跡跟蹤控制問(wèn)題,甄子洋等[64?66]設(shè)計(jì)了基于預(yù)見(jiàn)控制理論的無(wú)人機(jī)/有人機(jī)自動(dòng)著艦控制系統(tǒng),將基準(zhǔn)下滑軌跡的可預(yù)見(jiàn)信息作為前饋信號(hào),使控制信號(hào)根據(jù)未來(lái)目標(biāo)值變化提前對(duì)飛機(jī)實(shí)施操作,能夠提高著艦軌跡跟蹤精度,減小瞬時(shí)控制能量,尤其在甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段,利用現(xiàn)代濾波方法進(jìn)行預(yù)測(cè)甲板運(yùn)動(dòng),并作為前饋信息送入預(yù)見(jiàn)控制系統(tǒng),提高甲板運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)的補(bǔ)償效果.艦尾氣流若能被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)或測(cè)量,可送入控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償[67].

3)總能量控制

總能量控制是一種綜合飛行/推力控制技術(shù),從控制飛機(jī)總能量變化與分配出發(fā),將飛機(jī)推力和氣動(dòng)舵控制結(jié)合,采用一體化設(shè)計(jì)思想,實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向和側(cè)向狀態(tài)的解耦控制,同時(shí)還可以節(jié)省燃料消耗.為提高無(wú)人機(jī)撞網(wǎng)著艦系統(tǒng)抑制氣流擾動(dòng)的能力,楊一棟等[10]提出一種艦載無(wú)人機(jī)自主著艦控制方法,將TEC控制與H∞控制相結(jié)合.對(duì)于縱向回路,能量變化率和能量分配變化率表示為無(wú)人機(jī)狀態(tài)與受控輸入的線性組合,升降舵操縱為能量分配通道的主操縱量.對(duì)于橫側(cè)向回路,設(shè)計(jì)了H∞輸出反饋控制器控制副翼舵和方向舵.總能量控制的優(yōu)點(diǎn)在于:a)利用總能量變化與轉(zhuǎn)移特性,將飛機(jī)短周期姿態(tài)運(yùn)動(dòng)與長(zhǎng)周期質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性統(tǒng)一,為綜合飛/推控制綜合奠定基礎(chǔ);b)采用多輸入多輸出控制策略,為各種飛行控制模態(tài)提供統(tǒng)一基準(zhǔn),附加新的控制模態(tài)將變得容易;c)采用現(xiàn)代控制理論中的多變量解耦控制技術(shù),解耦環(huán)節(jié)可直接構(gòu)造,而系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)也變得簡(jiǎn)單.

由此得出,最優(yōu)控制在地面撞網(wǎng)回收實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證,主要解決了軌跡跟蹤控制問(wèn)題[48].預(yù)見(jiàn)控制得到了大量的仿真驗(yàn)證,在基準(zhǔn)軌跡跟蹤、甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确矫婢哂忻黠@優(yōu)勢(shì)[64?66];總能量控制進(jìn)行了撞網(wǎng)回收仿真驗(yàn)證,且在移動(dòng)平臺(tái)著陸中得到過(guò)飛行驗(yàn)證[68],但是對(duì)于實(shí)際海況環(huán)境下有待進(jìn)一步驗(yàn)證;故障情形下的無(wú)人機(jī)具有較強(qiáng)的不確定性和非線性,因此現(xiàn)代控制方法難以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障下的精確著艦/回收.

4.3 非線性與自適應(yīng)控制方法

非線性控制方法對(duì)于復(fù)雜非線性系統(tǒng)具有較好控制效果,可用于設(shè)計(jì)艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦控制系統(tǒng),能夠抑制系統(tǒng)不確定及外界強(qiáng)干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響.典型的非線性控制方法主要有非線性動(dòng)態(tài)逆控制(Dynamic inversion control)、滑?？刂?Sliding model control)、反演控制(Backstepping control)等.

1)非線性動(dòng)態(tài)逆控制

動(dòng)態(tài)逆控制利用被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型對(duì)消動(dòng)力學(xué)模型,從而用理想動(dòng)力學(xué)模型代替原始模型,是一種精確線性化方法.由于一般飛機(jī)的控制輸入量少于系統(tǒng)輸出量,導(dǎo)致飛機(jī)模型并不滿足動(dòng)態(tài)逆典型設(shè)計(jì)要求,因此通常利用奇異攝動(dòng)理論將飛行狀態(tài)量根據(jù)變化快慢進(jìn)行分組,再對(duì)每個(gè)回路分別設(shè)計(jì)控制律.

美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院[69]設(shè)計(jì)了艦載無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)逆控制系統(tǒng),包括兩個(gè)控制器:一是內(nèi)回路動(dòng)態(tài)逆控制器,通過(guò)作動(dòng)器和油門(mén)控制飛機(jī)推力和角加速度;二是外回路動(dòng)態(tài)逆控制器,根據(jù)飛機(jī)和航母運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為內(nèi)回路提供期望航向角、俯仰角、推力值指令.隨后,美國(guó)科學(xué)系統(tǒng)公司[70]針對(duì)甲板跑道著艦方式,以無(wú)人機(jī)速度、航向和航跡角為控制輸入,利用非線性動(dòng)態(tài)逆設(shè)計(jì)了外環(huán)軌跡控制器,通過(guò)實(shí)時(shí)估計(jì)甲板幅頻特性進(jìn)行在線預(yù)測(cè)甲板運(yùn)動(dòng),通過(guò)調(diào)整飛機(jī)航向角和航跡角達(dá)到著艦點(diǎn)的最小離散度,從而實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)著艦軌跡跟蹤.

采用動(dòng)態(tài)逆方法設(shè)計(jì)自動(dòng)著艦控制系統(tǒng),可以獲得各種海況和天氣條件下滿意的著艦性能和魯棒性,提高自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)性能.以上成果在跑道著艦方式下進(jìn)行了大量的蒙特卡洛仿真驗(yàn)證,從原理上解決了無(wú)人機(jī)著艦/回收的基準(zhǔn)軌跡跟蹤、甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、艦尾氣流抑制等關(guān)鍵控制問(wèn)題.然而,該方法不足之處在于過(guò)分依賴被控對(duì)象精確模型,對(duì)建模誤差敏感,且不能處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的未知變化,因此魯棒性有待提高.

2)滑?？刂?/p>

滑?？刂聘鶕?jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)(例如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化,迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng),其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù).

甄子洋等[71]針對(duì)艦載無(wú)人機(jī)撞網(wǎng)回收過(guò)程的下滑軌跡跟蹤控制問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于α?β濾波器的軌跡控制外回路,設(shè)計(jì)了趨近律滑?？刂婆c最優(yōu)控制相結(jié)合的姿態(tài)控制內(nèi)回路,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性并改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.隨后,針對(duì)無(wú)人機(jī)著艦環(huán)境的特殊性,為克服系統(tǒng)攝動(dòng)、未建模動(dòng)態(tài)及各種環(huán)境干擾因素的不良影響,提出一種新的積分滑模著艦飛行控制方法,為消除對(duì)外部干擾不確定上界信息的依賴以及降低舵面的抖動(dòng)程度,進(jìn)一步引入了自適應(yīng)模糊網(wǎng)絡(luò),對(duì)積分滑模切換項(xiàng)進(jìn)行模糊逼近[72].通過(guò)國(guó)外現(xiàn)役某小型艦載無(wú)人機(jī)的撞網(wǎng)回收仿真,驗(yàn)證了滑?？刂圃诩装暹\(yùn)動(dòng)、艦尾氣流擾動(dòng)以及傳感器導(dǎo)航誤差情況下的強(qiáng)魯棒性.

由于滑動(dòng)模態(tài)可以預(yù)先設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)及外界擾動(dòng)無(wú)關(guān),使其具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)不確定及外界擾動(dòng)不靈敏、無(wú)須在線系統(tǒng)辨識(shí)等優(yōu)點(diǎn),成為處理不確定系統(tǒng)一種重要的魯棒控制方法.滑?？刂频娜毕菔强刂七^(guò)程中存在抖振問(wèn)題,抖振的抑制在一定程度上是以損失控制精度或魯棒性為代價(jià).飛行控制系統(tǒng)中,滑模控制的主要問(wèn)題在于很難消除舵面抖動(dòng),消除抖動(dòng)方法有時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)和降低可靠性.趨近律法、邊界層法、高階滑模法及模糊滑模法等方法改善了滑?？刂频亩墩駟?wèn)題.

3)反演控制

反演控制又稱反步控制,它將復(fù)雜非線性系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng),然后從距離控制輸入最遠(yuǎn)的子系統(tǒng)開(kāi)始,設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)得到使子系統(tǒng)穩(wěn)定的虛擬控制律,實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的全局穩(wěn)定或跟蹤,適用于可狀態(tài)線性化或具有嚴(yán)重參數(shù)反饋的不確定非線性系統(tǒng).

為了適應(yīng)不確定的氣流干擾,提高無(wú)人機(jī)著艦制導(dǎo)的魯棒性,文獻(xiàn)[55]基于反演控制設(shè)計(jì)了縱向制導(dǎo)系統(tǒng),由外而內(nèi)分別包括視線角跟蹤制導(dǎo)回路、軌跡傾斜角制導(dǎo)回路、俯仰角制導(dǎo)回路、俯仰角速度控制回路,每一個(gè)子回路上產(chǎn)生的虛擬制導(dǎo)指令由比例積分控制和動(dòng)態(tài)逆共同產(chǎn)生,撞網(wǎng)回收仿真結(jié)果表明反演控制有利于抑制非線性和不確定性因素.鄭峰嬰等[73]應(yīng)用較少的艦載無(wú)人機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)信息設(shè)計(jì)了基于反演控制的縱向著艦控制系統(tǒng),無(wú)人機(jī)甲板跑道著艦的仿真研究驗(yàn)證了其在不同海況下的基準(zhǔn)下滑軌跡跟蹤性能,并詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了不同導(dǎo)航誤差、艦尾氣流和甲板運(yùn)動(dòng)干擾下的無(wú)人機(jī)跑道著艦誤差.

反演控制的優(yōu)點(diǎn)在于不要求系統(tǒng)中的非線性滿足增長(zhǎng)性約束條件,并且系統(tǒng)的不確定性不必滿足匹配條件或增長(zhǎng)性約束條件,缺點(diǎn)在于每一步都需要虛擬控制律進(jìn)行重復(fù)求導(dǎo),容易產(chǎn)生計(jì)算膨脹,增加控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,也難于工程實(shí)現(xiàn).

綜上可知,非線性控制較之于經(jīng)典和現(xiàn)代控制,所依賴的對(duì)象模型更加貼近實(shí)際特性,因而在甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、艦尾氣流抑制等方面更具優(yōu)勢(shì)[69,71,73].然而,在解決系統(tǒng)故障引起的不確定性問(wèn)題時(shí),需要與自適應(yīng)控制或智能控制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合.

4)自適應(yīng)控制

復(fù)雜環(huán)境因素干擾、飛行高度和狀態(tài)改變以及未建模誤差等因素共同構(gòu)成了艦載無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的不確定因素.自適應(yīng)控制理論不依賴被控對(duì)象的精確模型,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變、外界擾動(dòng)都具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力與魯棒性.

無(wú)人機(jī)是一個(gè)多變量非線性系統(tǒng),然而傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常采用線性化單回路設(shè)計(jì)法.針對(duì)多變量系統(tǒng)采用分散線性化單回路控制的合理性問(wèn)題,Goodwin等[74]提出了基于相對(duì)增益陣列(Relative gain array)的系統(tǒng)耦合程度判別方法.文獻(xiàn)[75]基于無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)特性及多變量系統(tǒng)分散控制原理,采用單回路方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)飛行控制律模塊,如圖3所示,將軌跡誤差轉(zhuǎn)化為姿態(tài)跟蹤指令,然后通過(guò)自適應(yīng)控制解決姿態(tài)跟蹤問(wèn)題.

圖3 基于自適應(yīng)控制的無(wú)人機(jī)著艦控制系統(tǒng)Fig.3 Adaptive control based UAV carrier-landing control system

近年來(lái),多變量自適應(yīng)控制理論成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn).甄子洋等[76]提出了一種固定翼無(wú)人艦載機(jī)的多變量自適應(yīng)自動(dòng)著艦制導(dǎo)控制系統(tǒng),能夠使無(wú)人機(jī)高精度地跟蹤下滑基準(zhǔn)軌跡和補(bǔ)償甲板運(yùn)動(dòng)擾動(dòng).自適應(yīng)控制能夠在無(wú)人機(jī)模型不確知情形下設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)與控制一體化、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、所有參數(shù)有界且具有漸近跟蹤性能,適合于解決惡劣環(huán)境下的無(wú)人機(jī)自主著艦控制問(wèn)題.

5)非線性自適應(yīng)容錯(cuò)控制

實(shí)際系統(tǒng)中不可預(yù)測(cè)的故障可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)出現(xiàn)不確定性,使得所能依據(jù)的先驗(yàn)信息減少,只能依據(jù)被控對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)提取有效信息,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)功能,自動(dòng)在線校正相關(guān)參數(shù),以補(bǔ)償、減弱、抑制甚至消除故障的影響,即為自適應(yīng)容錯(cuò)控制.

針對(duì)控制輸入約束、外部干擾和執(zhí)行器失效或鎖定故障下的艦載無(wú)人機(jī)著艦容錯(cuò)控制問(wèn)題,鄭峰嬰等[77]提出了一種基于飽和約束反演控制的自適應(yīng)容錯(cuò)策略.a)無(wú)故障情況進(jìn)行標(biāo)稱控制,即自適應(yīng)反演控制,利用反步法設(shè)計(jì)控制器時(shí)給出未知參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)律,同時(shí)保證參數(shù)估計(jì)誤差有界.b)存在作動(dòng)器故障情況進(jìn)行容錯(cuò)控制,控制信號(hào)通過(guò)指令濾波后的差量輸入到線性濾波器中,在故障發(fā)生后將指令濾波后的控制信號(hào)作為修復(fù)控制向量,輸入無(wú)人機(jī)系統(tǒng),補(bǔ)償故障對(duì)系統(tǒng)性能的影響.參數(shù)更新律補(bǔ)償氣動(dòng)力中的不確定性或變化.該方法不需要故障檢測(cè)和隔離,解決了艦載無(wú)人機(jī)狀態(tài)受限、執(zhí)行器故障模式和量值未知的難題.隨后,又引入基于模糊邏輯的狀態(tài)觀測(cè)器,結(jié)合受約束自適應(yīng)反演控制,采用指令濾波器而非虛擬控制律求導(dǎo)用于解決傳統(tǒng)反演控制存在的計(jì)算復(fù)雜問(wèn)題,提出了一種新的艦載無(wú)人機(jī)執(zhí)行器故障容錯(cuò)控制方案,能夠有效補(bǔ)償未建模動(dòng)態(tài),具有很強(qiáng)的魯棒性[78].上述方案在無(wú)人機(jī)自動(dòng)撞網(wǎng)回收仿真中得到了大量驗(yàn)證.

此外,文獻(xiàn)[21]提出了考慮飛行器和執(zhí)行器動(dòng)態(tài)特性的受約束自適應(yīng)反演容錯(cuò)控制策略,用于陸地撞網(wǎng)回收無(wú)人機(jī).當(dāng)控制面中的一個(gè)被卡住或不能正常工作時(shí),即使控制面不能夠按照控制輸入命令,參數(shù)自適應(yīng)算法也能實(shí)現(xiàn)故障補(bǔ)償.洛克希德·馬丁公司[79]開(kāi)發(fā)了一款?；L(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)(SBE)UAV的重構(gòu)飛行控制系統(tǒng),飛行控制回路由理想動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器、控制器分配與優(yōu)化算法、輸出補(bǔ)償算法、機(jī)載模型以及控制量計(jì)算器組成,控制器分配與優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)重構(gòu),以應(yīng)對(duì)控制面飽和及故障情形,仿真研究表明該無(wú)人機(jī)重構(gòu)控制系統(tǒng)適合于著艦應(yīng)用.

4.4 智能控制方法

典型智能控制方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制及仿生優(yōu)化算法.

Khantsis等[31?32]利用進(jìn)化算法解決Ariel無(wú)人機(jī)繩鉤回收控制系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題.進(jìn)化算法需要目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,用于評(píng)估控制器適應(yīng)度,它由任務(wù)完成度和控制特性來(lái)評(píng)判.飛行控制器從制導(dǎo)控制器的輸出端接收空速指令、傾斜角指令和常規(guī)機(jī)身過(guò)載因子指令等輸入信號(hào).然后控制飛機(jī)的四個(gè)操縱面使飛機(jī)準(zhǔn)確地跟蹤這些輸入.飛行控制律采用PID形式,所有控制參數(shù)由進(jìn)化算法優(yōu)化生成.進(jìn)化算法具有如下特征:非線性控制律自適應(yīng)編碼、控制律參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行解耦進(jìn)化、多策略進(jìn)化提高控制器學(xué)習(xí)能力.除了進(jìn)化算法,墨爾本皇家理工大學(xué)針對(duì)繩鉤著艦問(wèn)題采用了遺傳算法優(yōu)化控制參數(shù)[80].以上智能優(yōu)化方法在無(wú)人機(jī)繩鉤回收系統(tǒng)中進(jìn)行了大量的仿真驗(yàn)證,考慮了順風(fēng)、逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)的影響,統(tǒng)計(jì)了甲板運(yùn)動(dòng)和艦尾氣流影響下的無(wú)人機(jī)回收成功率,總結(jié)了繩鉤回收的飛行包線.

由于無(wú)人機(jī)著艦環(huán)境的復(fù)雜性和隨機(jī)性,外界干擾上界很難確定,文獻(xiàn)[69]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊滑?？刂坡?在擾動(dòng)上界未知情況下,抵消外界干擾帶來(lái)的誤差,控制律的開(kāi)關(guān)項(xiàng)用連續(xù)模糊系統(tǒng)逼近,有效降低了舵面抖振.美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了無(wú)人機(jī)從覆蓋線性飛行狀態(tài)到大迎角飛行狀態(tài)的自適應(yīng)飛行控制系統(tǒng)[81].基于近似動(dòng)態(tài)逆方法設(shè)計(jì)控制律,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)消除模型逆含有的模型誤差,能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)保持控制,且對(duì)模型誤差具有較強(qiáng)魯棒性,適合用于無(wú)人機(jī)自主著艦控制.

由此可知,智能控制與優(yōu)化在無(wú)人機(jī)自主著艦問(wèn)題中的應(yīng)用尚處于起步階段,隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,智能制導(dǎo)與控制技術(shù)在無(wú)人機(jī)自主著艦中具有廣闊的應(yīng)用前景.

5 總結(jié)及展望

無(wú)人機(jī)自主著艦技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展歷程,在理論設(shè)計(jì)、地面驗(yàn)證及工程應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展,總結(jié)如下:1)美國(guó)等軍事發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)行了艦載無(wú)人機(jī)的工程化應(yīng)用,我國(guó)較系統(tǒng)性地掌握了無(wú)人機(jī)著艦技術(shù),正在向工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)化;2)無(wú)人機(jī)著艦/回收方式繁多,已經(jīng)成熟應(yīng)用的有攔阻著艦、撞網(wǎng)回收、天鉤回收方式,其他方式多處在理論與實(shí)驗(yàn)研究階段;3)經(jīng)典制導(dǎo)方法在艦載無(wú)人機(jī)著艦中已得到成功應(yīng)用,現(xiàn)代制導(dǎo)方法正處在陸基實(shí)驗(yàn)階段;4)經(jīng)典控制在無(wú)人機(jī)著艦中得到實(shí)際應(yīng)用,最優(yōu)控制和總能量控制得到了模擬飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,而預(yù)見(jiàn)控制、滑?？刂?、反演控制、自適應(yīng)控制、智能優(yōu)化等都進(jìn)行了數(shù)字仿真驗(yàn)證.

然而,無(wú)人機(jī)自主著艦制導(dǎo)與控制技術(shù)仍然有很多關(guān)鍵問(wèn)題有待進(jìn)一步研究突破,為此對(duì)未來(lái)研究重點(diǎn)進(jìn)行如下展望:

1)飛機(jī)與艦船協(xié)同及現(xiàn)代制導(dǎo)技術(shù)是著艦制導(dǎo)技術(shù)的未來(lái)研究重點(diǎn).a)參考借鑒有人艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的引導(dǎo)技術(shù),解決不同引導(dǎo)系統(tǒng)下的著艦基準(zhǔn)軌跡設(shè)計(jì)、抗噪聲制導(dǎo)律設(shè)計(jì)、機(jī)艦相對(duì)位置測(cè)量與計(jì)算等[82];b)研究解決甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估[83?85]、補(bǔ)償[86]與氣流擾動(dòng)抑制技術(shù)[87?88].著艦/回收環(huán)境十分復(fù)雜,受強(qiáng)干擾影響,環(huán)境影響因素的建模、預(yù)測(cè)、補(bǔ)償或抑制,是無(wú)人機(jī)高精度著艦/回收的保障,可以考慮基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、群集優(yōu)化算法等智能技術(shù)的艦船甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè);c)加強(qiáng)現(xiàn)代制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用,例如自適應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)、微分對(duì)策制導(dǎo)技術(shù)等;d)設(shè)計(jì)智能飛落著艦、風(fēng)向筒回收、秋千吊架回收等新型回收方式的制導(dǎo)系統(tǒng),這方面的研究幾乎是空白.

2)先進(jìn)控制策略及容錯(cuò)控制技術(shù)是無(wú)人機(jī)著艦控制技術(shù)的未來(lái)研究重點(diǎn).a)針對(duì)不確定非線性艦載機(jī)系統(tǒng),研究艦載機(jī)多個(gè)氣動(dòng)操縱面與發(fā)動(dòng)機(jī)推力之間的綜合控制問(wèn)題;b)研究先進(jìn)控制理論在無(wú)人機(jī)著艦問(wèn)題中的應(yīng)用.控制理論發(fā)展迅速,而艦載無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)的進(jìn)展較慢,因此有必要研究多變量自適應(yīng)控制、魯棒預(yù)見(jiàn)控制、模型預(yù)測(cè)控制、動(dòng)態(tài)逆控制[89]、滑?？刂芠90?91]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[92]、大腦情感學(xué)習(xí)[93]等先進(jìn)方法在無(wú)人機(jī)著艦中的應(yīng)用;c)研究制導(dǎo)與控制一體化設(shè)計(jì),把導(dǎo)引回路和控制回路作為整體來(lái)研究,可綜合協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系;d)容錯(cuò)控制是飛行控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì),盡管容錯(cuò)飛行控制領(lǐng)域發(fā)展迅速,例如出現(xiàn)了非線性自適應(yīng)容錯(cuò)控制[94],但是無(wú)人機(jī)著艦容錯(cuò)控制技術(shù)研究成果甚少,針對(duì)這一復(fù)雜任務(wù),需要研究如何在惡劣環(huán)境干擾下保證控制系統(tǒng)的魯棒性能,在故障情況下保證控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性能.

3)多機(jī)協(xié)同制導(dǎo)與控制是艦載無(wú)人機(jī)著艦技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì).a)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)是未來(lái)海戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)之一,因此有必要研究大規(guī)模無(wú)人機(jī)群的艦船回收協(xié)同制導(dǎo)與控制技術(shù),尤其解決基準(zhǔn)著艦軌跡生成、防撞策略以及進(jìn)場(chǎng)軌跡跟隨控制等問(wèn)題;b)研究異構(gòu)無(wú)人機(jī)的協(xié)同著艦制導(dǎo)與控制技術(shù),由于艦載飛行器種類(lèi)多樣,異構(gòu)協(xié)同也是未來(lái)作戰(zhàn)需求,其中旋翼無(wú)人機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)協(xié)同著艦/回收也是重要的發(fā)展趨勢(shì),一種方案是固定翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)在旋翼無(wú)人機(jī)支撐的回收網(wǎng)中撞網(wǎng)回收[95];c)研究艦載無(wú)人機(jī)與有人機(jī)、無(wú)人潛水器等艦載裝備之間的協(xié)同控制技術(shù),提高艦載武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,形成強(qiáng)大的航母/艦載機(jī)作戰(zhàn)體系[96].

本文重點(diǎn)在于概述艦載無(wú)人機(jī)制導(dǎo)與控制關(guān)鍵技術(shù),而不同著艦方式、引導(dǎo)方式、制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)等將是今后調(diào)研和總結(jié)的重點(diǎn).總之,艦載無(wú)人機(jī)及其著艦/回收技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行且迫在眉睫,以上總結(jié)工作拋磚引玉,以期促進(jìn)我國(guó)艦載無(wú)人機(jī)技術(shù)及海軍作戰(zhàn)能力的快速發(fā)展.