一种基于角度约束的水下三维协同制导方法技术

本发明专利技术涉及一种基于角度约束的水下三维协同制导方法，属于水下航行器控制技术领域。领弹采用带角度约束的最优制导方法，从弹在比例导引的基础上，加上一个附加机动指令用于控制从弹的状态。在航行器动力学和运动学模型基础上，通过三通道解耦控制设计所需舵角，对航行器进行姿态控制，最终实现协同制导。本发明专利技术的关键在于从弹附加机动指令的设计，需要基于动态逆控制原理设计非线性状态跟踪控制器。为了解决航行过程中角度出现的奇异问题，附加机动指令的设计考虑了两种攻击情况，实现了多航行器能够在目标运动的两侧同时击中目标。行器能够在目标运动的两侧同时击中目标。行器能够在目标运动的两侧同时击中目标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于角度约束的水下三维协同制导方法


[0001]本专利技术属于水下航行器控制
，涉及一种基于角度约束的水下三维协同制导方法。更具体的说是在“领弹—从弹”制导架构中，领弹采用基于角度约束的最优制导，通过计算附加机动指令控制从弹的姿态，来实现多条自主水下航行器以期望角度同时到达动态目标，应用于航海领域。

技术介绍

[0002]自主水下航行器是水下作业最重要的平台之一，在各种应用场景中发挥重要作用。随着水下智能技术的快速发展，军舰和水下航行器的防御系统不断更新和改进。单个航行器执行水下任务的效率和成功率较低，多航行器协同制导技术能够克服单个航行器无法完成复杂任务的弱点，具有更高的效率和适用性。同时，随着精确制导技术的发展，多航行器协同制导不仅希望能够同时命中目标，而且希望其能以期望的落角对目标进行打击。例如，拦截目标时最好能以较小的迎角直接与目标进行碰撞，打击舰船等目标时最好能以较大的攻击角，或者垂直命中对其进行毁伤，这就要求设计的制导律不仅有尽可能小的脱靶量，还要满足末端攻击角度的约束。
[0003]现有的众多协同制导方法均是在双层协同制导架构和“领弹—从弹”协同制导架构的基础上开展的研究。其中，“领弹—从弹”架构能够合理搭配不同航行器，降低作战成本，增强攻击效果。并且由于使用了相对成熟的控制方法，在工程上更方便实现。在传统的基于“领弹－从弹”架构的协同制导方法中，所有航行器的视线角收敛到相同的值并沿相同的方向击中目标，并且要求航行器速度方向和视线角在同一象限内变化，这在实际战场中具有局限性且攻击效能不高，不能很好体现出协同攻击的意义。因此，按照不同象限的划分，使多航行器从目标两侧同时进行攻击是很有必要的。同时考虑到协同攻击效能，在该方法的基础上考虑攻击角度约束也具有实际意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种基于角度约束的水下三维协同制导方法：攻击场景由一个动态目标、一个“领弹”和多个“从弹”构成，以“领弹”的状态为基准，“从弹”对其进行跟踪，使各航行器状态达到一致以实现同时到达的目的。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于角度约束的水下三维协同制导方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：建立平面内航行器与目标的相对运动模型，得到速度、法向加速度、弹道倾角、视线高低角、前置角和弹目相对距离之间的相对运动关系；
[0009]步骤2：设计多航行器协同制导策略，领导者航行器采用带角度约束的最优制导，从弹航行器在比例导引的基础上增加了附加机动指令A2，得到制导律为
[0010][0011]其中，σ为航行器偏航角，q为航行器到目标的视线角，下标l和fi分别代表领导者和从弹，q
d
为最终期望的视线角，N是从弹的比例导引系数，N
p
和N
q
是领弹的常数比例导引系数，t
go
为剩余航行时间；
[0012]步骤3：定义两个跟踪误差E
R
和E
η
，分别表示领弹和从弹的距离跟踪误差和速度前置角的跟踪误差，按照航行器从目标同侧打击和不同侧打击，分为两种情况：情况1为：E
R
＝R
l
‑
R
fi
，E
η
＝η
l
‑
η
fi
；情况2为：E
R
＝R
l
‑
R
fi
，E
η
＝
‑
η
l
‑
η
fi
；将其作为反馈线性化控制器的输入，得到两种情况的控制设计模型；其中，R
l
和R
fi
分别表示领弹和第i枚从弹的弹目距离；η
l
和η
fi
分别表示领弹和第i枚从弹速度矢量与目标视线的夹角，即为前置角；
[0013]步骤4：控制器可视为慢速和快速两个子系统，定义期望值和伪控制量采用动态逆的方法对其进行设计，期望的慢速子系统动力学为期望的快速子系统动力学为得到两种情况下附加机动指令A2的计算结果；
[0014]步骤5：通过三通道解耦控制得出航行器所需的舵角，将所得的附加机动指令A2作用于航向控制，采用传统PID的方法算出垂直和差动舵角；在俯仰控制中采取深度—俯仰角双环深度控制方法得到水平舵角。
[0015]本专利技术进一步的技术方案：步骤5中所述的垂直舵角δ
r
、差动舵角δ
d
和水平舵角δ
e
分别为：
[0016][0017][0018][0019]其中，Δσ为航行器当前偏航角与上一时刻偏航角的差，y
e
为航行器与目标的深度差，Δθ和Δφ分别为航行器俯仰角和横滚角与期望值的差，期望值均为0；为由步骤2中的制导律通过附加控制指令A2计算得到的。
[0020]本专利技术进一步的技术方案：步骤2中所述q
d
设置为90
°
。
[0021]一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0022]一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]本专利技术提供的一种基于角度约束的水下三维协同制导方法，相较于传统协同制导技术，具有以下显著优点：
[0025]1.本专利技术在协同的过程中，考虑到了最终攻击角度，增大毁伤效果，避免了所有航
行器都尾部击中目标，使制导效果更好。
[0026]2.本专利技术考虑到航行过程中提前角越界而无法正常运行的情况，设计出可以从目标运动两侧同时到达目标的策略，使制导过程更加合理。
[0027]3.本专利技术不只考虑理想的制导律，还验证了基于航行器的模型和底层控制的协同制导的可行性，使仿真过程更具有真实性和可行性。
[0028]此外，在传统方法的仿真实验中，并没有考虑航行器的动力学和运动学模型，是一个理想状态下的制导律仿真。在本专利技术中，将航行器的运动学和动力学模型添加到仿真中，并使用解耦的三通道姿态控制器设计了控制律，结合控制律和协同制导律完成了仿真实验，更具有实际意义。
附图说明
[0029]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0030]图1领弹、第i枚从弹与目标的相对运动关系；
[0031]图2同侧和不同侧打击情况示意图：(a)同侧打击；(b)不同侧打击；
[0032]图3协同制导架构；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于角度约束的水下三维协同制导方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立平面内航行器与目标的相对运动模型，得到速度、法向加速度、弹道倾角、视线高低角、前置角和弹目相对距离之间的相对运动关系；步骤2：设计多航行器协同制导策略，领导者航行器采用带角度约束的最优制导，从弹航行器在比例导引的基础上增加了附加机动指令A2，得到制导律为其中，σ为航行器偏航角，q为航行器到目标的视线角，下标l和fi分别代表领导者和从弹，q
d
为最终期望的视线角，N是从弹的比例导引系数，N
p
和N
q
是领弹的常数比例导引系数，t
go
为剩余航行时间；步骤3：定义两个跟踪误差E
R
和E
η
，分别表示领弹和从弹的距离跟踪误差和速度前置角的跟踪误差，按照航行器从目标同侧打击和不同侧打击，分为两种情况：情况1为：E
R
＝R
l
‑
R
fi
，E
η
＝η
l
‑
η
fi
；情况2为：E
R
＝R
l
‑
R
fi
，E
η
＝
‑
η
l
‑
η
fi
；将其作为反馈线性化控制器的输入，得到两种情况的控制设计模型；其中，R
l
和R
fi
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，路茜，张桢驰，王昭，陈依民，潘光，宋保维，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：