基于海浪传感技术的水上无人机自主起降控制方法研究

Because of its unique water movements and the water resides operational capability, unmanned seaplanes are widely used in terms of both military and civilian field. Autonomous takeoff and landing control based on wave sensing is a key technology to improve the seaplanes anti-waves capability,as a result of reducing wave piercing load,improving accelerating and high speed taxiing capibility,taking off for large waves like ramps on an aircraft carrier.This project focus on wave-sensing mechanism and the control problem for unmanned seaplane autonomous taking off and landing. Control-oriented wave detection & prediction mechanism, autonomous decision-making logic for high-speed wave taxiing and waves piercing & wave following control methods will be researched in detail. Breakthroughs will be made in the inversion of wave parameters based on aircraft movement, wave profile detection & prediction mechanism at low grazing angle, the unstable movement mechanism for high-speed taxiing, optimal acceleration trajectory, high-speed wave following control & attitude envelop protect control under optimal wave filter.Physical simulation will be made for wave sensing technology ,following by mathematical simulation for unmanned seaplane autonomous takeoff and landing control method, in order to give the method of wave-sensing based unmanned seaplane autonomous control. This project will be useful to improve viability and automation level for unmanned seaplane in the ocean. Theoretical methods will be provided to support seaplane equipment construction.

水上无人机由于其独特的水上起降和水面驻留作业能力，在军用民用方面都有极为广泛的用途。基于海浪传感的自主起降控制技术可以减少穿浪钻水冲击过载，提高水面起飞加速能力和高速滑行的平稳性，可以充分利用波面力量进行滑跃起飞，是提高水上飞机抗浪性的一项关键技术。本项目面向水上无人机自主起降过程中的海浪传感机理和抗浪增强控制问题，开展面向控制的海浪检测预报机理、基于海浪传感的水面自主决策逻辑、海浪干扰下的高速稳定穿浪与波面跟随控制方法的研究，着力突破基于飞机运动的海浪参数反演和低掠角波面检测预测方法、高速滑行不稳定机理及波面加速最优轨迹、高速滑行波面跟随与边界控制三个关键科学问题，进行海浪传感技术的物理仿真和水上无人机自主起降控制方法的数学仿真验证，给出基于海浪传感的水上无人机自主控制方法，提高我国水上飞机在远洋高海况下的水面生存能力和无人作业自动化水平，为我国水上飞机装备建设提供基础理论支持。

水上无人机由于其独特的水上起降和水面驻留作业能力，在军用民用方面都有极为广泛的用途。基于海浪传感的自主起降控制技术可以减少穿浪钻水冲击过载，提高水面起飞加速能力和高速滑行的平稳性，可以充分利用波面力量进行滑跃起飞，是提高水上飞机抗浪性的一项关键技术。本项目国内首次系统性完成水上无人机的系统建模，为我国水上无人机动力学建模与发展进行了开创性工作。Savitsky半经验水动力计算方法本质上是一种静态的水动力计算方法，无法准确估算水上无人机动态过程对水动力值的影响，同时难以仿真海浪对水上无人机的非线性作用，因此在考虑动力学系统仿真需求和水上飞机的外形特征之后，采用并修改二维切片理论水动力计算方法，建立了水上无人机在不同海况下的纵向非线性数学模型。国内率先完成水上无人机基于动力学海浪适应的姿态控制和波面跟踪的方法研究。针对水上无人机在海浪干扰环境下，海浪扰动引入反馈环易引发频繁的无效操舵等问题，提出了一种带海浪滤波器的姿态控制方案。在海况未知的情况下，基于无源理论设计自适应海浪滤波器，从受扰的输出信号中估计出低频运动状态；然后利用滤波后的低频运动状态，设计反步滑模控制器，实现水上无人机的姿态稳定；最后综合海浪滤波器和控制器，形成整个姿态控制系统并证明其稳定性。不同海况下的仿真实验验证了海浪滤波器和控制器的有效性。国内首次创新性提出水上无人机自主起飞着水控制的控制体系和方法：针对水上无人机在复杂海况下的起飞着水问题，提出了一种自主起飞着水控制方案。该方案包括起飞控制指令选取、模型的T-S模糊辨识、广义预测控制算法设计以及海浪预测四部分。不同海况下的仿真实验表明，该方案能有效减少海浪对机身的冲击，使水上无人机在复杂海况下顺利着水。研究成果提高我国水上飞机在远洋高海况下的水面生存能力和无人作业自动化水平，为我国水上飞机装备建设提供基础理论支持。