石 風(fēng) 李鴻鵬 李世誠(chéng) 曾 科

（1.東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）（2.第二炮兵駐錦州地區(qū)專裝代表室 錦州 121000）

1 引言

無人直升機(jī)攜帶光電吊艙在模擬訓(xùn)練中應(yīng)用越來越廣泛，它以其靈活、方便模擬動(dòng)態(tài)光電威脅環(huán)境占據(jù)越來越重要的位置。光電吊艙通常包括光電探測(cè)跟蹤模擬器，掛載在無人直升機(jī)的腹部，由無人直升機(jī)提供電源并進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖像傳輸。

無人直升機(jī)導(dǎo)引飛行就是模擬導(dǎo)彈制導(dǎo)控制，導(dǎo)引和控制無人直升機(jī)沿著設(shè)定的彈道接近目標(biāo)。無人機(jī)導(dǎo)引飛行是模擬訓(xùn)練過程中重要的一環(huán)。

2 模擬訓(xùn)練過程

無人直升機(jī)分為無人直升機(jī)平臺(tái)和地面站兩部分。地面站安裝在在控制車內(nèi)。光電吊艙包括伺服控制系統(tǒng)和光電探測(cè)跟蹤模擬器。光電吊艙的操控手柄與控制軟件安裝在地面控制車內(nèi)的主控計(jì)算機(jī)上［1］。

執(zhí)行模擬訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，合作目標(biāo)置于地面與控制車保持一定距離。光電吊艙的電視或紅外視頻圖像通過無人直升機(jī)的無線通訊設(shè)備傳回并顯示在車內(nèi)的主控計(jì)算機(jī)上。操作人員在車內(nèi)操縱光電吊艙的操控手柄觀察視頻圖像搜索并跟蹤目標(biāo)。圖1為模擬訓(xùn)練部署圖。

3 導(dǎo)引方法選擇及實(shí)現(xiàn)

圖1 模擬訓(xùn)練效果部署圖

常見的導(dǎo)引控制有兩種，一種是人在回路的導(dǎo)引控制，即人在控制回路中實(shí)時(shí)操控光電探測(cè)跟蹤模擬器的視場(chǎng)角，提供給無人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角度核算，導(dǎo)引無人機(jī)調(diào)整角度朝向目標(biāo)飛行。另一種是光電吊艙自主導(dǎo)引控制。本文中采用介紹的是后一種方法［2］。

訓(xùn)練過程中，當(dāng)無人機(jī)飛臨目標(biāo)區(qū)上空時(shí)便開始搜索目標(biāo)，并將光電探測(cè)跟蹤模擬器所拍攝的地面視頻圖像實(shí)時(shí)傳回地面主控計(jì)算機(jī)上。地面操作人員時(shí)刻注意視頻圖像，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)便通過操縱手柄控制模擬導(dǎo)引頭始終對(duì)準(zhǔn)地面目標(biāo)［2］。此時(shí)光電吊艙鎖定目標(biāo)后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤并給出導(dǎo)引數(shù)據(jù)。飛控計(jì)算機(jī)接收并解算導(dǎo)引數(shù)據(jù)后利用舵機(jī)調(diào)整飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)始終按光電探測(cè)跟蹤模擬器所指方向飛行。實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

在此過程中，無人機(jī)的位置數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路傳回地面站，操作人員對(duì)無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，而無人機(jī)的導(dǎo)引控制指令完全由光電吊艙提供。這種導(dǎo)引控制使人從控制者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)視者，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)導(dǎo)引的自主控制［2］。

圖2導(dǎo)引控制過程框圖

3.1 導(dǎo)引方法選擇

常見的導(dǎo)引方法有平行接近法、追蹤法和比例導(dǎo)引法。本文介紹的是比例導(dǎo)引法。就是使無人直升機(jī)跟蹤目標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)線的任何旋轉(zhuǎn)，總是使無人直升機(jī)向著減小視線角的方向運(yùn)動(dòng)，抑制視線旋轉(zhuǎn)，使無人直升機(jī)的相對(duì)速度對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，力圖使無人直升機(jī)以直線彈道飛向目標(biāo)。也就是使無人直升機(jī)速度矢量的旋轉(zhuǎn)角速度，與目標(biāo)視線的旋轉(zhuǎn)角速度成正比。使無人直升機(jī)能夠敏感地反映目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況，跟蹤對(duì)付機(jī)動(dòng)目標(biāo)。

比例導(dǎo)引律是無人直升機(jī)速度向量V的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與目標(biāo)線的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成比例，即模型為

為了獲得快速反映的精確制導(dǎo)效果，可由控制加速度實(shí)現(xiàn)上述導(dǎo)引律，其導(dǎo)引模型分別為

3.2 導(dǎo)引數(shù)據(jù)的獲取

導(dǎo)引飛行所需數(shù)據(jù)由光電吊艙提供。光電探測(cè)跟蹤模擬器對(duì)鎖定的目標(biāo)借助跟蹤波門對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤，當(dāng)目標(biāo)偏離波門中心時(shí)，產(chǎn)生角偏差信號(hào)。偏差信號(hào)處理器從電視或紅外視頻信號(hào)中提取出目標(biāo)位置信息，并輸出推動(dòng)伺服系統(tǒng)的信號(hào)不斷進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，使光電探測(cè)跟蹤模擬器的光軸始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)光電吊艙將處理后的相對(duì)于目標(biāo)的俯仰角和方位角轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的串口信號(hào)，提供給無人直升機(jī)，形成導(dǎo)引控制指令，使無人直升機(jī)調(diào)整飛行航向朝著鎖定的目標(biāo)逼近。

導(dǎo)引數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是必須考慮的。首先光電吊艙的安裝零位與無人直升機(jī)的機(jī)頭嚴(yán)格保持一致，這樣光電吊艙鎖定跟蹤目標(biāo)的方位俯仰信息即為無人直升機(jī)相對(duì)目標(biāo)的方位俯仰信息。其次光電吊艙的視軸穩(wěn)定精度、角速度等設(shè)計(jì)指標(biāo)必須滿足要求。最后目標(biāo)跟蹤算法上采用相關(guān)跟蹤，滿足不同光電探測(cè)跟蹤模擬器的晝夜使用的要求。

3.3 導(dǎo)引的實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)引功能作為一個(gè)獨(dú)立的模態(tài)，與遠(yuǎn)航、返航等一樣在地面控制臺(tái)設(shè)置一個(gè)導(dǎo)引按鍵，在遠(yuǎn)航狀態(tài)下，等待導(dǎo)引指令是否捕捉到目標(biāo)。沒有捕捉到目標(biāo)時(shí)，可以在遠(yuǎn)航狀態(tài)下，調(diào)整無人直升機(jī)的機(jī)頭指向。捕捉到目標(biāo)時(shí)，不做調(diào)整，等待導(dǎo)引指令是否有效，無效不能按導(dǎo)引按鍵。導(dǎo)引指令有效時(shí)，按下導(dǎo)引按鍵。進(jìn)入導(dǎo)引飛行模態(tài)，當(dāng)無人直升機(jī)縱向速度方向相對(duì)于目標(biāo)視線的夾角?。ň嚯x目標(biāo)較遠(yuǎn)）時(shí)，采用以一定的速度前飛，無人直升機(jī)縱向速度方向與目標(biāo)視線的夾角為常數(shù)；當(dāng)大于這個(gè)常數(shù)時(shí)，通過增加下降速度的方法調(diào)整，下降速度最大不能超過無人機(jī)的最小速度值；當(dāng)小于這個(gè)常數(shù)時(shí)，通過增加上升速度的方法調(diào)整，上升速度最大不能大于無人機(jī)的最小速度值［3］。

當(dāng)無人直升機(jī)縱向速度方向相對(duì)于目標(biāo)視線的夾角大于一定閾值（距離目標(biāo)近）時(shí)，再采用無人直升機(jī)縱向速度方向與目標(biāo)視線的夾角為零的導(dǎo)引方法，通過將下降速度固定為無人機(jī)的最小速度值，降低前飛速度的方法來實(shí)現(xiàn)。前飛最低速度為無人機(jī)的最小速度值。

導(dǎo)引過程中，如果出現(xiàn)導(dǎo)引指令無效的情況，則保持平飛狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)引指令有效，則繼續(xù)導(dǎo)引模式。在導(dǎo)引飛行過程中，可用遠(yuǎn)航指令隨時(shí)解除導(dǎo)引飛行。

在導(dǎo)引過程開始時(shí)，無人直升機(jī)機(jī)頭指向原本與光電探測(cè)跟蹤模擬器視場(chǎng)中鎖定目標(biāo)成一定角度，導(dǎo)引過程中無人機(jī)機(jī)頭指向慢慢調(diào)轉(zhuǎn)到視場(chǎng)中鎖定的目標(biāo)方向。整個(gè)導(dǎo)引過程中，無人直升機(jī)飛行速度平穩(wěn)。

4 結(jié)語

模擬訓(xùn)練結(jié)果表明采用比例導(dǎo)引法實(shí)施導(dǎo)引具備可行性。可通過提高光電探測(cè)跟蹤模擬器的性能、目標(biāo)跟蹤算法和飛控軟件的控制算法三個(gè)方面大大提高導(dǎo)引飛行的準(zhǔn)確性。

［1］黎志強(qiáng)，許兆林，徐景碩.機(jī)載光電跟蹤平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2009，16（11）.

［2］孔韜，魏瑞軒，劉月.自主攻擊型無人機(jī)的導(dǎo)引技術(shù)研究［J］.飛行力學(xué)，2009，27（4）.

［3］趙東，蔡海超，趙海濤.導(dǎo)彈中末端制導(dǎo)導(dǎo)引律研究［J］.艦船電子工程，2010，30（5）.

［4］丁團(tuán)結(jié)，方威，王鋒.無人機(jī)遙控駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究與飛行品質(zhì)分析［J］.飛行力學(xué)，2011（2）.

［5］劉尚民，趙磊.電傳飛機(jī)模型自由飛試驗(yàn)飛行控制技術(shù)研究［J］.飛行力學(xué)，2012（1）.

［6］尹亮亮，黃一敏.無人直升機(jī)高精度位置控制［J］.飛行力學(xué)，2012（4）.

［7］徐存東，何流.基于ARM9的近程無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（10）.

［8］宋飛飛.無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道編碼方法研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012（6）.