一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法技术

本发明专利技术一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，其实现步骤为：步骤一：搭建六自由度非线性无人作战飞机Simulink仿真模型；步骤二：设计六自由度非线性无人作战飞机控制律；步骤三：建立无人作战飞机简化模型；步骤四：建立机载航炮模型；步骤五：设计无人作战飞机控制输入指令库；步骤六：控制输入指令转换；步骤七：建立基于简化模型的无人作战飞机近距格斗机器博弈模型；步骤八：仿真验证。该方法旨在提供一种更具有实际应用价值的无人作战飞机空战自主决策方法，在保证决策正确性和科学性的同时，有效缩短决策时间，从而提高无人作战飞机的作战能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法
本专利技术涉及一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，属于无人作战飞机自主空战领域。
技术介绍
无人作战飞机(UnmannedCombatAirVehicles，UCAV)是指一种专门作为战斗平台而设计的无人机(UnmannedAirVehicle，UAV)。无人作战飞机是在无人机和有人战斗机的基础上充分利用信息技术革命时代的各种技术成果，进一步向更高性能和更高自主作战能力方向深入发展的一种全新信息化武器系统。武器系统的发展，改变了整个空战的作战环境和作战方式，使其发展成为由超视距攻击和近距格斗两个阶段先后组成的复杂任务。超视距空战，是配合中远程导弹和雷达火控系统，在中高空、超音速区域采取的主要作战方式。但由于导弹的命中概率、敌机的电子干扰等问题，无人作战飞机在超视距攻击时可能会出现攻击失败的情况，此时双方就可能进入近距格斗作战阶段。而随着作战环境监测技术和识别技术的不断突破，在交战双方信息比较清晰的情况下，如何在机载设备采集的信息指引下，快速、准确地进行空战策略的选择，则成为了决定近距格斗成败的关键性因素。本专利技术旨在提高无人作战飞机的自主空战能力，使其可在在线感知的情况下，实时或近实时地进行战略、战术选择，从而具备等同于有人战斗机上飞行员的决策能力。目前，空战自主决策的研究方法很多，主要有专家系统法、神经网络法、微分对策法和机器博弈等。其中机器博弈法主要由四个要素组成，分别为博弈参与者、博弈策略集、博弈次序和博弈支付函数。机器博弈可以描述为博弈参与者按照博弈次序,以博弈支付函数作为评判指标,从博弈策略集中搜索出最终博弈策略的过程。极大极小值算法是一种机器博弈搜索算法，其思想是最小化博弈对手的最大博弈支付函数收益，即在找出己方博弈支付函数收益最小可能性中的最大值。在现有无人作战飞机空战自主决策研究中，机器博弈法所采用的无人作战飞机模型均是较为简化的三自由度质点模型，该模型仅描述了无人作战飞机质心的三个线运动自由度(飞行速度的增减运动、质心升降运动和质心侧移运动)，而无人作战飞机在空间中的运动是存在六个自由度的，除以上三个线运动自由度外，还包括绕质心的三个角运动自由度(俯仰角运动、偏航角运动和滚转角运动)。本专利技术即面向更为复杂的六自由度非线性无人作战飞机模型，从实用性和实时性考虑，提出了一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，以提高在同等近距格斗条件下我方获胜的概率。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提供了一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，其目的是提供一种更具有实际应用价值的无人作战飞机空战自主决策方法，旨在保证决策正确性和科学性的同时，有效缩短决策时间，从而提高无人作战飞机的作战能力，以解决无人作战飞机自主空战研究进入半物理仿真阶段时所可能遇到的问题，并提高无人作战飞机自主空战研究进入空中验证的可行性。2、技术方案：本专利技术针对六自由度非线性无人作战飞机模型，开发了一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，该方法的实现步骤如下：步骤一：搭建六自由度非线性无人作战飞机Simulink仿真模型六自由度非线性无人作战飞机模型简化示意图如图1所示。模型中，控制输入为U＝[δTδeδaδr]，其中δT为油门杆，δe为升降舵偏转角，δa为副翼偏转角，δr为方向舵偏转角；状态量X＝[xgyghφθψVαβpqr]，其中(xg,yg,h)为无人作战飞机的空间位置，φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，V为气流速度，α为迎角，β为侧滑角，p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度。这12个状态量的微分方程可描述为：其中，(u,v,w)为无人作战飞机在机体坐标轴系Oxyz的三个速度分量，(Ix,Iy,Iz)为分别绕x轴，y轴和z轴的转动惯量，Ixz为惯量积，(L,M,N)分别为滚转力矩，俯仰力矩和偏航力矩。步骤二：设计六自由度非线性无人作战飞机控制律(1)无人作战飞机配平在给定高度h，气流速度V和迎角α的状态下，对无人作战飞机进行配平。求解可使无人作战飞机所受合力和合力矩为零的控制量和俯仰角。(2)纵向通道控制律设计在配平状态下，向无人作战飞机输入给定升降舵阶跃信号后，由迎角α，俯仰角θ，气流速度V和俯仰角速度q的响应曲线设计迎角自动驾驶仪，进而实现对迎角控制指令αcom的跟踪。(3)横侧向通道控制律设计在配平状态下，分别向无人作战飞机模型输入给定的副翼和方向舵阶跃信号，由二者的滚转角速度p,偏航角速度r,滚转角φ,偏航角ψ,侧滑角β和侧向过载ny响应曲线设计滚转角自动驾驶仪，进而实现对滚转角控制指令φcom的跟踪。步骤三：建立无人作战飞机简化模型无人作战飞机简化模型的控制输入指令为(nxcom,nfcom,γcom)，分别对应切向过载nx，法向过载nf和航迹滚转角γ的输出期望。状态量为其中μ为航迹倾斜角，为航迹方位角，V为气流速度。以上6个状态量的微分方程可描述为：其中，g为重力加速度。步骤四：建立机载航炮模型机载航炮模型的示意图如图2所示。其有效射程为ER，以机体轴x轴为轴线，A1为半顶角的类锥形空间区域为机载航炮的有效攻击范围。当目标方位角(攻击目标与无人作战飞机的连线与x轴间的夹角)小于攻击概率分界角A2(需满足A2＜A1)时，机载航炮命中率为P2；当目标方位角界于机载航炮类锥形攻击区域半顶角A1与攻击概率分界角A2之间时，机载航炮命中率为P1(需满足P2＞P1)。步骤五：设计无人作战飞机控制输入指令库在对无人作战飞机简化模型的控制输入指令(nxcom,nfcom,γcom)进行离散化处理后，经排列组合可得到无人作战飞机控制输入指令库。步骤六：控制输入指令转换经步骤二后，六自由度非线性无人作战飞机仿真模型的控制输入指令转变为(αcom,φcom)。在不改变油门杆δT的情况下，六自由度非线性模型控制输入指令(αcom,φcom)与简化模型的控制输入指令(nxcom,nfcom,γcom)存在如下转换关系：其中，Zα为合外力沿x轴的分量关于迎角α的偏导数，V为气流速度，g为重力加速度。步骤七：建立基于简化模型的无人作战飞机近距格斗机器博弈模型在本专利技术中，博弈参与者为无人作战飞机的红蓝双方，博弈策略集为控制输入指令库，博弈次序为初始时刻红蓝双方对于攻击和防守的角色设定，博弈支付函数为如下的打分函数：其中S为态势评估函数，AR为红方速度VR与两机连线的夹角，AB为蓝方速度VB与两机连线的夹角，CR为常系数，D为两机间距离，K为灵敏度，红方打分函数得分为SR，蓝方打分函数得分为SB。综上，基于简化模型的无人作战飞机近距格斗机器博弈模型可简化表示为如图3所示的形式。交战红蓝双方依据t时刻的双方状态量信息(主要为空间位置(xg,yg,h)和气流速度V)，以简化模型为博弈演化模型，以控制输入指令库为备选项，以各自打分函数得分为标准，采用极大极小值法,决策出各自在t～(t+tg)时间区间内的控制指令输入(nxcom,nfcom,γcom)，其中tg为机器博弈决策时间间隔。以红方为例,极大极小值法的具体体现为：在假定红方选择指令库中某一指令后，蓝方每选择一个指令，由公式(4)可求得一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下：步骤一：搭建六自由度非线性无人作战飞机Simulink仿真模型六自由度非线性无人作战飞机模型中，控制输入为U＝[δT δe δa δr]，其中δT为油门杆，δe为升降舵偏转角，δa为副翼偏转角，δr为方向舵偏转角；状态量X＝[xg yg h φ θ ψ V α β p q r]，其中(xg,yg,h)为无人作战飞机的空间位置，φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，V为气流速度，α为迎角，β为侧滑角，p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度；这12个状态量的微分方程描述为：x·g=u cosθcosψ+v(sinφsinθcosψ-cosφsinψ)+w(sinφsinφ+cosφsinθcosψ)y·g=u cosθsinψ+v(sinφsinθsinψ+cosφsinψ)+w(-sinφcosφ+cosφsinθsinψ)h·=u sinθ-v sinφcosθ-w cosφcosθ,V·=uu·+vv·+ww·V,α·=uw·-wu·u2+w2,β·=v·V-vV·V2cosβφ·=p+(r cosφ+q sinφ)tanθ,θ·=q cosφ-r sinφ,ψ·=1cosθ(r cosφ+q sinφ)p·=1IxIz-Ixz2[IzL+IxzN+(Ix-Iy+Iz)Ixzpq+(IyIz-Iz2+I2xz)qr]q·=1Iy[M-Ixz(p2-r2)],r·=1IxIy-Ixz2---(1)]]>其中，(u,v,w)为无人作战飞机在机体坐标轴系Oxyz的三个速度分量，(Ix,Iy,Iz)为分别绕x轴，y轴和z轴的转动惯量，Ixz为惯量积，(L,M,N)分别为滚转力矩，俯仰力矩和偏航力矩；步骤二：设计六自由度非线性无人作战飞机控制律(1)无人作战飞机配平在给定高度h，气流速度V和迎角α的状态下，对无人作战飞机进行配平，求解能使无人作战飞机所受合力和合力矩为零的控制量和俯仰角；(2)纵向通道控制律设计在配平状态下，向无人作战飞机输入给定升降舵阶跃信号后，由迎角α，俯仰角θ，气流速度V和俯仰角速度q的响应曲线设计迎角自动驾驶仪，进而实现对迎角控制指令αcom的跟踪；(3)横侧向通道控制律设计在配平状态下，分别向无人作战飞机模型输入给定的副翼和方向舵阶跃信号，由二者的滚转角速度p,偏航角速度r,滚转角φ,偏航角ψ,侧滑角β和侧向过载ny响应曲线设计滚转角自动驾驶仪，进而实现对滚转角控制指令φcom的跟踪；步骤三：建立无人作战飞机简化模型无人作战飞机简化模型的控制输入指令为(nxcom,nfcom,γcom)，分别对应切向过载nx，法向过载nf和航迹滚转角γ的输出期望；状态量为其中μ为航迹倾斜角，为航迹方位角，V为气流速度；以上6个状态量的微分方程描述为：其中，g为重力加速度；步骤四：建立机载航炮模型机载航炮模型，其有效射程为ER，以机体轴x轴为轴线，A1为半顶角的类锥形空间区域为机载航炮的有效攻击范围；当目标方位角即攻击目标与无人作战飞机的连线与x轴间的夹角小于攻击概率分界角A2时，需满足A2＜A1，机载航炮命中率为P2；当目标方位角界于机载航炮类锥形攻击区域半顶角A1与攻击概率分界角A2之间时，机载航炮命中率为P1，需满足P2＞P1；步骤五：设计无人作战飞机控制输入指令库在对无人作战飞机简化模型的控制输入指令(nxcom,nfcom,γcom)进行离散化处理后，经排列组合得到无人作战飞机控制输入指令库；步骤六：控制输入指令转换经步骤二后，六自由度非线性无人作战飞机仿真模型的控制输入指令转变为(αcom,φcom)，在不改变油门杆δT的情况下，六自由度非线性模型控制输入指令(αcom,φcom)与简化模型的控制输入指令(nxc...

【技术特征摘要】
1.一种基于简化模型机器博弈的六自由度无人作战飞机近距格斗方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下：步骤一：搭建六自由度非线性无人作战飞机Simulink仿真模型六自由度非线性无人作战飞机模型中，控制输入为U＝[δTδeδaδr]，其中δT为油门杆，δe为升降舵偏转角，δa为副翼偏转角，δr为方向舵偏转角；状态量X＝[xgyghφθψVαβpqr]，其中(xg,yg,h)为无人作战飞机的空间位置，φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，V为气流速度，α为迎角，β为侧滑角，p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度；这12个状态量的微分方程描述为：其中，(u,v,w)为无人作战飞机在机体坐标轴系Oxyz的三个速度分量，(Ix,Iy,Iz)为分别绕x轴，y轴和z轴的转动惯量，Ixz为惯量积，(L,M,N)分别为滚转力矩，俯仰力矩和偏航力矩；步骤二：设计六自由度非线性无人作战飞机控制律(1)无人作战飞机配平在给定高度h，气流速度V和迎角α的状态下，对无人作战飞机进行配平，求解能使无人作战飞机所受合力和合力矩为零的控制量和俯仰角；(2)纵向通道控制律设计在配平状态下，向无人作战飞机输入给定升降舵阶跃信号后，由迎角α，俯仰角θ，气流速度V和俯仰角速度q的响应曲线设计迎角自动驾驶仪，进而实现对迎角控制指令αcom的跟踪；(3)横侧向通道控制律设计在配平状态下，分别向无人作战飞机模型输入给定的副翼和方向舵阶跃信号，由二者的滚转角速度p,偏航角速度r,滚转角φ,偏航角ψ,侧滑角β和侧向过载ny响应曲线设计滚转角自动驾驶仪，进而实现对滚转角控制指令φcom的跟踪；步骤三：建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：段海滨，邱华鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11