本發(fā)明屬于艦載機(jī)著艦引導(dǎo)和控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種艦載直升機(jī)自動(dòng)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)的控制方法。

背景技術(shù)：

在海面大風(fēng)大浪的影響下，艦船存在著升沉、橫蕩和縱蕩等擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其中升沉運(yùn)動(dòng)引起的艦船著艦點(diǎn)處高度變化較大，嚴(yán)重影響艦載直升機(jī)的安全著艦，因此在自動(dòng)著艦的最后階段，直升機(jī)只有跟蹤艦船升沉運(yùn)動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱艦船運(yùn)動(dòng))，減小直升機(jī)觸艦時(shí)與艦船的相對(duì)速度，才能減輕直升機(jī)與艦船的碰撞，保證直升機(jī)安全著艦。

目前，主要有兩種方法來(lái)提升直升機(jī)對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)的跟蹤效果。一種方法是從頻率分析的角度，針對(duì)直升機(jī)高度控制系統(tǒng)的頻率特性，設(shè)計(jì)相位超前網(wǎng)絡(luò)，降低其相角滯后，但是超前網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償能力有限，很難做到完全補(bǔ)償。另一種方法是設(shè)計(jì)甲板預(yù)估器，預(yù)估艦船運(yùn)動(dòng)，將著艦點(diǎn)高度的預(yù)測(cè)信息引入直升機(jī)高度控制通道，使直升機(jī)提前跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)，從而消除相位滯后產(chǎn)生的偏差，但預(yù)估器的預(yù)估精度與預(yù)報(bào)時(shí)間直接相關(guān)，對(duì)滯后時(shí)間比較長(zhǎng)的系統(tǒng)，為補(bǔ)償相角滯后，會(huì)產(chǎn)生較大的預(yù)報(bào)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種艦載直升機(jī)自動(dòng)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)的控制方法，綜合頻率分析法和艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)估法兩種方法設(shè)計(jì)艦船運(yùn)動(dòng)跟蹤控制器，同時(shí)采用最優(yōu)化方法，分析艦船運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定了直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離。在提高了直升機(jī)對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)的跟蹤效果的同時(shí)，縮短了直升機(jī)著艦所需時(shí)間，提高了直升機(jī)著艦的成功率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種艦載直升機(jī)自動(dòng)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)的控制方法，包括以下步驟：

s1、采用頻率分析法設(shè)計(jì)直升機(jī)高度通道的相位超前網(wǎng)絡(luò)；

s2、采用帶遺忘因子的最小二乘法求解ar模型預(yù)估器，ar模型的結(jié)構(gòu)：x(k)＝a1x(k-1)+a2x(k-2)+···+alx(k-p)+ξ(k)其中{x(k),k＝1,2,···,n}為測(cè)得的艦船升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，{aj,j＝1,2,···,p}是升沉運(yùn)動(dòng)方程系數(shù)，{ξ(k),k＝1,2,···,n}為測(cè)量誤差，可視為零均值白噪聲序列，n為建立升沉模型時(shí)所使用的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，p為建立的升沉運(yùn)動(dòng)模型的階數(shù)；

s3、采用最優(yōu)化方法，通過仿真分析艦船運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定了直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離。

進(jìn)一步地，步驟s1中，采用頻率分析法設(shè)計(jì)直升機(jī)高度通道的相位超前網(wǎng)絡(luò)具體包括以下步驟：

s11、利用matlab中l(wèi)inmod函數(shù)求得直升機(jī)高度通道，以給定高度hg作為輸入，以h作為輸出的開環(huán)傳遞函數(shù):

s12、設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)gc(s)，使gc(s)*gh(s)在頻率范0.4rad/s～1.2rad/s內(nèi)增益為1，相位滯后較小。

進(jìn)一步地，步驟s12中，設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)gc(s)具體包括以下步驟：

s121、采用兩級(jí)超前校正網(wǎng)絡(luò)，初步選擇超前環(huán)節(jié)gc1(s)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為0.31、2.5，則gc1(s)＝(3.2s+1)/(0.4s+1)；

s122、引入超前環(huán)節(jié)gc2(s)，選擇轉(zhuǎn)折頻率分別為0.59、5.0，得：gc2(s)＝(1.7s+1)/(0.2s+1)；

s123、綜上確定超前校正網(wǎng)絡(luò)gc(s)：

進(jìn)一步地，步驟s2中，用帶遺忘因子的最小二乘法求解ar模型預(yù)估器具體包括以下步驟：

s21、取ar模型的階數(shù)p分別為1,2,…,m，由測(cè)得的升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采用帶遺忘因子的遞推最小二乘算法求得不同階數(shù)p對(duì)應(yīng)的升沉運(yùn)動(dòng)方程系數(shù){aj,j＝1,2,···,p}；

s22、計(jì)算ar模型階數(shù)p分別為1,2,…,m時(shí)aic準(zhǔn)則函數(shù)的值in(1)，in(2)，…，in(m)；

s23、確定aic準(zhǔn)則函數(shù)的最小值此時(shí)的值即ar模型的最優(yōu)階數(shù)；

s24、利用求得的艦船升沉運(yùn)動(dòng)模型預(yù)報(bào)艦船運(yùn)動(dòng)信息，未來(lái)第k+m拍的升沉運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)值為：m為預(yù)報(bào)步數(shù)。

進(jìn)一步地，步驟s3中，采用最優(yōu)化方法，通過仿真分析艦船運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定了直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離具體包括以下步驟：

s31、采用有理譜建模法，由cva-59航母升沉數(shù)據(jù)，建立升沉運(yùn)動(dòng)模型

s32、選擇風(fēng)速{8,10,12,14,16,18}m/s中一個(gè)取值保持不變，取預(yù)估器預(yù)報(bào)步數(shù)分別為2，4，6，...，20步，在matlab中對(duì)直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)出不同步數(shù)下直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大偏差，此最大偏差即為不同預(yù)報(bào)步數(shù)下直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離；

s33、改變風(fēng)速大小，重復(fù)步驟s32，就可以得到不同風(fēng)速下，預(yù)估器預(yù)報(bào)不同步數(shù)時(shí)，直升機(jī)應(yīng)與艦船保持的最小安全距離；

s34、由步驟s33得到的不同風(fēng)速下預(yù)報(bào)不同步數(shù)時(shí)直升機(jī)應(yīng)與艦船保持的最小安全距離的數(shù)據(jù)集采用matlab曲線擬合工具箱擬合得到函數(shù)s＝f(v,n)(v∈(8,18),n∈(0,20))的表達(dá)式：h＝-0.10-0.038n+0.039v+0.002n²-0.00015nv；

s35、對(duì)函數(shù)s＝f(v,n)求導(dǎo)，就可以得到不同風(fēng)速下，直升機(jī)應(yīng)與艦船保持的最小安全距離smin，以及此時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)估器的預(yù)報(bào)步數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是，

本發(fā)明首先采用頻率分析法在直升機(jī)的高度通道計(jì)相位超前網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)的幅值和相位偏差，然后設(shè)計(jì)ar模型預(yù)估器，將艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)估信息引入高度控制通道，極大地改善了艦載直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)的效果。采用最優(yōu)化方法，通過仿真分析艦船運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定了直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離，減少了直升機(jī)著艦所需的時(shí)間以及直升機(jī)觸艦時(shí)與艦船之間的相對(duì)速度，提高了直升機(jī)著艦的成功率。

附圖說(shuō)明

圖1是直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)方框圖；

圖2是校正前后系統(tǒng)bode圖對(duì)比圖；

圖3是艦船升沉運(yùn)動(dòng)模擬原理圖；

圖4是升沉運(yùn)動(dòng)引起的著艦點(diǎn)出高度變化；

圖5是直升機(jī)與艦船之間的最小距離隨預(yù)報(bào)步數(shù)的變化曲線；

圖6是直升機(jī)與艦船之間的最小距離隨風(fēng)速以及預(yù)報(bào)步數(shù)的變化曲線。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，首先采用頻率分析法在直升機(jī)的高度通道計(jì)相位超前網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)的幅值和相位偏差，然后設(shè)計(jì)ar模型預(yù)估器，采用最優(yōu)化方法確定了直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離以及此時(shí)對(duì)應(yīng)的ar模型的預(yù)報(bào)步數(shù)。

直升機(jī)高度通道的相位超前網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1)利用matlab中l(wèi)inmod函數(shù)求得附圖1中直升機(jī)高度通道，以給定高度hg作為輸入，以h作為輸出的開環(huán)傳遞函數(shù):

(2)繪制開環(huán)傳遞函數(shù)gh(s)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線，如附圖2所示，可以看出，在艦船運(yùn)動(dòng)特征頻率段0.4rad/s～1.2rad/s之間，系統(tǒng)相角滯后比較大，且系統(tǒng)增益下降；

(3)設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)gc(s)，盡可能使gc(s)*gh(s)在頻率范圍0.4rad/s～1.2rad/s內(nèi)增益為1，相位滯后較小。由附圖2可知gh(s)的幅值從0.3rad/s開始下降，且相角滯后也比較嚴(yán)重，在1rad/s處滯后130°，需采用兩級(jí)超前校正網(wǎng)絡(luò)。為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，初步選擇超前環(huán)節(jié)gc1(s)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為0.31、2.5，則gc1(s)＝(3.2s+1)/(0.4s+1)；

由于超前網(wǎng)絡(luò)最大可提供60°的超前角，系統(tǒng)仍存在很大滯后，引入超前環(huán)節(jié)gc2(s)，選擇轉(zhuǎn)折頻率分別為0.59、5.0，得：gc2(s)＝(1.7s+1)/(0.2s+1)；

綜上確定超前校正網(wǎng)絡(luò)gc(s)：

ar模型的結(jié)構(gòu)：x(k)＝a1x(k-1)+a2x(k-2)+···+alx(k-p)+ξ(k)其中，{x(k),k＝1,2,···,n}為測(cè)得的艦船升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，{aj,j＝1,2,···,p}是升沉運(yùn)動(dòng)方程系數(shù)，{ξ(k),k＝1,2,···,n}為測(cè)量誤差，可視為零均值白噪聲序列，n為建立升沉模型時(shí)所使用的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，p為建立的升沉運(yùn)動(dòng)模型的階數(shù)。

ar模型解算的具體步驟如下：

(1)取ar模型的階數(shù)p分別為1,2,…,m，由測(cè)得的升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采用帶遺忘因子的遞推最小二乘算法求得不同階數(shù)p對(duì)應(yīng)的升沉運(yùn)動(dòng)方程系數(shù){aj,j＝1,2,···,p}。

(2)計(jì)算ar模型階數(shù)p分別為1,2,…,m時(shí)aic準(zhǔn)則函數(shù)的值in(1)，in(2)，…，in(m)。

(3)確定aic準(zhǔn)則函數(shù)的最小值此時(shí)的值即ar模型的最優(yōu)階數(shù)。

(4)利用求得的艦船升沉運(yùn)動(dòng)模型預(yù)報(bào)艦船運(yùn)動(dòng)信息，未來(lái)第k+m拍的升沉運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)值為：(m為預(yù)報(bào)步數(shù))。

直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離的求解步驟如下：

(1)分析影響直升機(jī)與艦船間距離的因素主要包括兩個(gè)：風(fēng)速和預(yù)估器的預(yù)估步數(shù)。風(fēng)速不同，海浪驅(qū)動(dòng)下艦船運(yùn)動(dòng)不同，直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)的效果不同；預(yù)估器的預(yù)估步數(shù)不同，預(yù)估精度也不一樣，直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤差大小必然不同。因此直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離s是風(fēng)速v和預(yù)報(bào)步數(shù)n的函數(shù)，即s＝f(v,n)。

(2)采用有理譜建模法，由cva-59航母升沉數(shù)據(jù)，建立升沉運(yùn)動(dòng)模型在matlab中模擬升沉運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如附圖3。風(fēng)速大小不同，得到的海浪成形濾波器不同，因此該模型可描述不同風(fēng)速下的艦船運(yùn)動(dòng)。此外，通過改變白噪聲信號(hào)的種子數(shù)，使得仿真得到的艦船運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，附圖4給出風(fēng)速12m/s時(shí)升沉運(yùn)動(dòng)引起的高度變化曲線。

(3)選擇風(fēng)速{8,10,12,14,16,18}m/s中一個(gè)(如16m/s)保持不變，取預(yù)估器預(yù)報(bào)步數(shù)分別為2，4，6，…，20步，在matlab中對(duì)直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)出不同步數(shù)下直升機(jī)跟蹤艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大偏差，此最大偏差即為不同預(yù)報(bào)步數(shù)下，直升機(jī)與艦船保持的最小安全距離，如附圖5所示。

(4)改變風(fēng)速大小，重復(fù)步驟(3),就可以得到不同風(fēng)速下，預(yù)估器預(yù)報(bào)不同步數(shù)時(shí)，直升機(jī)應(yīng)與艦船保持的最小安全距離。

(5)由步驟(4)得到的不同風(fēng)速下預(yù)報(bào)不同步數(shù)時(shí)直升機(jī)應(yīng)與艦船保持的最小安全距離的數(shù)據(jù)集，其變化曲線如附圖6所示，采用matlab曲線擬合工具箱擬合得到函數(shù)s＝f(v,n)(v∈(8,18),n∈(0,20))的表達(dá)式：h＝-0.10-0.038n+0.039v+0.002n²-0.00015nv。

(6)對(duì)函數(shù)s＝f(v,n)求導(dǎo)，就可以得到不同風(fēng)速(v∈(8,18))下，直升機(jī)應(yīng)與艦船保持的最小安全距離smin，以及此時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)估器的預(yù)報(bào)步數(shù)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。