基于模糊控制的UAV操控引導(dǎo)自主攻擊

1、基于模糊控制的 UAV 操控引導(dǎo)自主攻擊Vol.40，No.12Dec，2015文章編號(hào)：1 002 0640 (2015) 12 0044 04火力與指揮控制FireContro l & CommandContro l第40卷第12期 2 0 15 年 12月基于模糊控制的 UAV 操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng) *要：針對(duì)無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，采用模糊控制原理，實(shí)現(xiàn)將任務(wù)系統(tǒng)解算出的瞄準(zhǔn)偏差轉(zhuǎn)化為控 制無(wú)人機(jī)飛行的三通道控制指令。采用Vega Prime和VS200 5對(duì)整個(gè)攻擊過(guò) 程進(jìn)行三維視景仿真，應(yīng)用蒙特卡洛法對(duì)多次仿真結(jié)果進(jìn)行處理，得到火控攻擊精度。最 后對(duì)影響攻擊精度的兩個(gè)誤

2、差源進(jìn)行分析，定量地給出了各誤差源對(duì)攻擊精度的影響。仿 真結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：操控引導(dǎo)，自主攻擊，模糊控制，視景仿真，蒙特卡洛法中圖分類號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AResearchonUnmannedAircraftControlledandAutonomousAttackSystemBasedonFuzzyControlTheoryZHANGYanxia，ZHANGAn，WANGQiang(SchoolofElectricall nformatio n，) Northwestern Polytech nicalU niversity，Xi' an 10 12 9，

3、ChinaAbstract： AnewsystemusingFuzzyControlAlgorithmisdesignedwithregardtoUAVcontrolled andautonomousattacksystem，whichcanconvertstheaimingdeviationcalculatedbymissionsystemtooverloadsofthreechannelswhic histheUAVflightcontrolcommands.ThewholebombingprocessissimulatedbyVegaPrimeandVisual 2005withthre

4、e- dimensional.ThenbombingerrorisobtainedbydealingwithseveralsimulationresultsthroughMonteC arlomethod.Atlast， theerrorsourceswhichinfluencethebombingprecisionareanalyze，d andtheerrorsourceinfluencesareobtainedquantificationally.Simulationresultsshowthatthesystemm eetthedesignrequirements.Keywords ：

5、manipulationguide，autonomousattac k，fuzzycontrol，visualsimulation，MonteCa rlomethod文獻(xiàn)3提出了無(wú)人機(jī)自主控制技術(shù)，文獻(xiàn)4 對(duì)自主攻擊型無(wú)人機(jī)的導(dǎo)引技術(shù)進(jìn)行了研究，本文在其基礎(chǔ)上利用模糊控制設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從探測(cè)目標(biāo)信息到投放炸彈整個(gè)攻擊過(guò)程的自主完成。0引言在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)受到各國(guó)越來(lái)越多的 關(guān)注。在無(wú)人機(jī)對(duì)地攻擊模式下，目前大部分國(guó)家無(wú)人機(jī)的攻擊過(guò)程往往需要地面控制人 員的參與，雖然這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸有延遲，導(dǎo)引控制信號(hào)并不能 及時(shí)有效地控制無(wú)人機(jī)的飛行，當(dāng)條件惡

6、劣，一旦數(shù)據(jù)鏈路不再可靠和暢通，后果將不堪 預(yù)料12。所以研究無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)，最大程度地給無(wú)人機(jī)賦予智 能，實(shí)現(xiàn)其自主飛行、自主攻擊，就顯得尤為重要。收稿日期：2014 12 13修回日期：2 0 1 5 0 2 1 91操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)分析無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)組成框圖如下頁(yè) 圖1所示。無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載雷達(dá)或地面指揮站獲得目標(biāo)信息、本機(jī)信息，火控解算出瞄準(zhǔn)偏差，把瞄準(zhǔn)偏差分別輸入綜合顯示器和火控飛控耦合器，由 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 6 1 5 7 3 2 8 3 )*基金項(xiàng)目: 作者簡(jiǎn)介：張艷霞(1 9 8 9 )，女，河南開封人，碩士研究生。研究方向：先進(jìn)控制 理

7、論與應(yīng)用。張艷霞，等：基于模糊控制的UAV操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)(總第4 0 2 0 9 7 )火控飛控耦合器產(chǎn)生3個(gè)通道的飛行控制指令，并將控制指令送給飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng) 產(chǎn)生相應(yīng)操縱指令，操縱無(wú)人機(jī)飛行，使瞄準(zhǔn)偏差趨近于零，當(dāng)瞄準(zhǔn)偏差小于允許值時(shí)， 實(shí)施攻擊和武器投放。圖1無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)組成框圖 無(wú)人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)傳感器得到地信息及當(dāng)前選擇的攻擊模式，根據(jù)CCRP瞄準(zhǔn)原理解 算出無(wú)人機(jī)當(dāng)前的瞄準(zhǔn)偏差5。無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前瞄準(zhǔn)偏差解 算出無(wú)人機(jī)3個(gè)通道的飛行控制指令，即3個(gè)方向的過(guò)載。其中：切向過(guò)載nx可以控制無(wú)人機(jī)速度大小，作為推力控制信號(hào)；法向過(guò)載 ny

8、 可以控制無(wú)人機(jī)的航向，作為方向舵 控制信號(hào)；俯仰通道中，豎直方向過(guò)載 nz 可以控制無(wú)人機(jī)的高度，作為升降舵控制信號(hào)。 在之后的仿真過(guò)程中假設(shè)無(wú)人機(jī)的速度大小不變，故對(duì)推力矢量控制通道不作研究。模糊控制不需要掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別適合非線性控制，它對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具 有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并可以加入一些人為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使控制可以按照人的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以 本文將選用模糊控 使制，來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)6, 得無(wú)人機(jī)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有很強(qiáng)地適應(yīng)性。將控制指令傳送給飛 計(jì)算攻擊精度?；谀：刂频臒o(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊過(guò)程流程圖如圖2所示。無(wú)人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng) 前信息解

9、算出的瞄準(zhǔn)偏差，判斷無(wú)人機(jī)當(dāng)前瞄準(zhǔn)偏差是否大于允許值時(shí)，如果大于，則利 用模糊控制解算出相應(yīng)的控制指令，否則，相應(yīng)的控制指令設(shè)為0, 控系統(tǒng)，控制無(wú)人機(jī)飛行，直至無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定投彈點(diǎn)，投放武器， 圖2中：距 K、 D、 H分別為方向瞄準(zhǔn)偏差、1 n分別為方向瞄準(zhǔn)偏差、高度瞄準(zhǔn)偏差；離瞄準(zhǔn)偏差、 K min、 D min、 H m距離瞄準(zhǔn)偏差、高度瞄準(zhǔn)偏差的 最大允許值； ny、 nz 分別為方位通道、俯仰通道控制信號(hào)。模糊控制器結(jié)構(gòu)圖 圖2 無(wú)人機(jī)操控引導(dǎo)自主攻擊過(guò)程流程圖糊化、模糊規(guī)則的制定以及控制量的去模糊化8。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。本文利用模糊控制原理設(shè)計(jì)的操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)包括方位和俯仰

10、兩個(gè)通道的控制，其中方位通道以方向偏差ev、方向偏差變化率eV作為輸入信號(hào)，以方向舵控制信號(hào) ny作 為輸出，來(lái)消除方向瞄準(zhǔn)偏差；俯仰通道以高度偏差eu、高度偏差變化率來(lái)ef作為輸入信號(hào)，升降舵控制信號(hào) nz作為輸出，消除高度偏差。無(wú)人機(jī)俯仰通道的控制過(guò)程與方位通道控制相似，所以下面僅對(duì)方位通道控制過(guò)程進(jìn)行詳 細(xì)分析研究。根據(jù)模糊控制原理，設(shè)計(jì)出的無(wú)人機(jī)方位通道控制系統(tǒng)如圖4所示8-9，從圖中可以看出，要實(shí)現(xiàn) 模糊規(guī)整個(gè)控制過(guò)程，就要解決輸入值的模糊化、 則的制定、輸出值的去模糊化等問(wèn)題。2操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1模糊火控/飛控耦合器設(shè)計(jì)模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：變量模無(wú)人機(jī)方

11、位通道控制過(guò)程流程圖4 5 （總第4 0 - 2 0 9 8 ）火力與指揮控制2015年第12期負(fù)大（NB） ”、負(fù)中（NM） ”、負(fù)小”、正中（PM） ”、正大（PB） ”，瞄準(zhǔn)偏差 負(fù)大（NB） ”、負(fù)為了兼顧系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性，對(duì)輸入信號(hào)模糊化選用的隸屬函數(shù)為三角函數(shù)， 瞄準(zhǔn)偏差的模糊子集選擇7個(gè)等級(jí)，分別為（NS） ”、零（0） ”、正小（PS） 變化率的模糊子集選擇5個(gè)等級(jí)。分別為”零、（0） ”、正?。≒S） ”、正大（PB） ”。其分布?。∟S）如圖5、圖6所示。模糊計(jì)算離散化，省去大量的計(jì)算時(shí)間，并使控制變得簡(jiǎn)單明確。從圖中可以看出設(shè)計(jì)出 的模糊控制器符合設(shè)計(jì)要求。圖

12、5 ev論域的模糊子集分布圖6 eW論域的模糊子集分布根據(jù)以下2條原則：當(dāng)方向瞄準(zhǔn)偏差較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除方向瞄準(zhǔn)偏差為主 要目 的；當(dāng)方向瞄準(zhǔn)偏差較小時(shí)，選擇控制量主要防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要目的， 再根據(jù)無(wú)人機(jī)的一般性控制規(guī)則及專家經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識(shí)制定的方位通道的模糊規(guī)則表如表 1所示。表1無(wú)人機(jī)方位通道模糊控制規(guī)則表UECNBNSO PSP BNBNBNBNBNBNSNMNBNBNBNSNSNBNBNSO PONBNSO PSPBPSNSO PSPBPBPMOPSPBPBPBPBPSPBPBPBPB圖8方位通道輸入輸出對(duì)照?qǐng)D2.2無(wú)人機(jī)飛行控制過(guò)程方位通道模糊控制器根據(jù)當(dāng)前方

13、向瞄準(zhǔn)偏差及其變化率解算出無(wú)人機(jī)方向舵控制信號(hào)ny。根據(jù)式（1）可以由ny計(jì)算出無(wú)人機(jī)每一時(shí)刻的航向旋轉(zhuǎn)角速度，根據(jù)式（2）可以計(jì) 算出無(wú)人機(jī)每個(gè)步長(zhǎng)（ T）應(yīng)調(diào)整的航向角 札當(dāng)方向瞄準(zhǔn)偏差的絕對(duì)值小于允許值時(shí)， 無(wú)人機(jī)航向旋轉(zhuǎn)角速度為0，航向不變，無(wú)人機(jī)直飛。（1）oy=ny(2)©= coy T俯仰通道控制器根據(jù)當(dāng)前高度偏差解算出無(wú)人機(jī)升降舵控制信號(hào)nz。根據(jù)式（3）可由nz計(jì)算出每一時(shí)刻的俯仰角旋轉(zhuǎn)角速度，根據(jù)式（4）可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)每個(gè)步長(zhǎng)應(yīng)調(diào) 整的航向角根據(jù)式（5）解算出由當(dāng)前俯仰角0以一定過(guò)載n開始恢復(fù)平飛時(shí)所需要 地調(diào)整高度。當(dāng)該高度與高度偏差相差不大時(shí)（絕對(duì)值小于允許

14、值），無(wú)人機(jī)開始恢復(fù)平 飛。3 z=v g wZX T) Ht = v 1cos 0ng本文采用面積重心法去模糊化，輸出控制方向舵信號(hào)的法向過(guò)載ny選取5個(gè)模糊子集,所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值為NB,NM ,0,PM,PB。其隸屬函數(shù)都選用高斯分布函數(shù)，分布 如圖7所示。3三維視景仿真及誤差分析圖7 ny論域的模糊子集分布31三維視景仿真采用Vega Prime和VS2005對(duì)整個(gè)攻擊過(guò)程進(jìn)行三維視景仿真。仿真過(guò)程中利用北東地地理坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，開始仿真時(shí)，設(shè)定無(wú)人機(jī)攜帶某型炸彈，設(shè) 定要求 當(dāng)輸入值變化不大時(shí)，輸出變化也不是很多， 所以可以將輸入變量離散化，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)地輸出值，對(duì)應(yīng)輸入輸出關(guān)系如圖8所

15、示。該 方法將復(fù)雜4 6 張艷霞，等：基于模糊控制的UAV操控引導(dǎo)自主攻擊系統(tǒng)（總第4 0 2 0 9 9 ）飛行高度為1 5 0 0 m，設(shè)定風(fēng)速為1 0m/s，風(fēng)向?yàn)?0°選擇轟炸模式（水平轟炸、俯沖轟炸、俯沖拉起轟炸、水平拉起轟炸）。獲取無(wú)人機(jī)信息：初始位置為（11 8.96 ° 27.21 ° ,速度為3 0 0 m/s。無(wú)人機(jī)獲取目標(biāo)位置為（1 19.69° 2 6.9 6 ° ,速度為0m/s。當(dāng)無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行高度200 0m時(shí)，無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行高度高于要求飛行高度，無(wú)人機(jī)高度調(diào)節(jié)過(guò)程如圖9、圖10 所示。從圖9、圖10中可以看出在高

16、度調(diào)節(jié)的同時(shí)無(wú)人機(jī)也進(jìn)行方位調(diào)節(jié)。圖16每次仿真的橫向偏差圖17每次仿真的縱向偏差彈著點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量 統(tǒng)計(jì)量 橫向偏差數(shù)學(xué)期望/m橫向偏差標(biāo)準(zhǔn)差/m縱向偏差數(shù)學(xué)期望/m 圖9無(wú)人機(jī)向下俯沖 以調(diào)節(jié)自身高度 圖10無(wú)人機(jī)恢復(fù)平飛 后完成高度調(diào)節(jié) 縱向偏差標(biāo)準(zhǔn)差/m圓概率偏差/m 大小 24.224.16 14.131.663.43仿真開始時(shí)需要選擇轟炸方式，根據(jù)所選擇地轟炸方式，無(wú)人機(jī)在投彈前作相應(yīng)地姿態(tài)調(diào) 節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程分別如圖11圖14所示。3.2.2影響攻擊精度的誤差源分析在無(wú)人機(jī)整個(gè)轟炸過(guò)程中影響最終轟炸精度的誤差源有很多，本文主要考慮兩個(gè)誤差源：一是傳感器探測(cè)誤差（只研究目標(biāo)相對(duì)無(wú)人機(jī)的距離誤

17、差）；二是時(shí)間延遲誤差。兩個(gè)誤差源誤差增大時(shí)引起攻擊精度的變化情況分別如圖18、圖19所示。兩 圖11水平轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程圖12俯沖轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程 個(gè)圖縱軸均表示 必和Ex的變化情況。其中 必為橫向偏差的數(shù)學(xué)期望，Ex為橫向概率偏 差， Ex 不僅表示彈著點(diǎn)的散布程度，而且表示在 x 方向上半數(shù)落點(diǎn)的著陸范圍11。從圖18,圖19可以看出兩個(gè)誤差源誤差增大時(shí)，橫向概率偏差基本不變，但橫向偏差 的數(shù)學(xué)期望都有不同程度的增大，從圖18可以看出橫向偏差的數(shù)學(xué)期望隨著傳感器誤差 的增大近似線性增大，所以要提高最終的攻擊精度就要采用精度更高的傳感器，降低傳感 器的探測(cè)誤差；從圖19可以看出很小的時(shí)間延遲就會(huì)引

18、起較大的投彈誤差，而且時(shí)間延 遲越長(zhǎng)，對(duì)投彈誤差的影響越大。所以要提高最終攻擊精度就要減小時(shí)間延遲，最大程度 地提高無(wú)人機(jī)的自主攻擊能力，減小無(wú)人機(jī)與地面控制站之間的信息交互；如果必須進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，也應(yīng)盡量提高數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾能力，以求盡量縮短延遲時(shí)間。圖13俯沖拉起轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程圖14水平拉起轟炸調(diào)節(jié)過(guò)程 無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定投彈點(diǎn)，投放炸彈，投放炸彈后無(wú)人機(jī)恢復(fù)平飛，安全返航，過(guò)程如圖1 5所示。圖15轟炸完成后返航3.2誤差分析 3.2. 1仿真結(jié)果分析在水平轟炸模式下，對(duì)整個(gè)轟炸過(guò)程進(jìn)行10 0次仿真，在地理坐標(biāo)系下，得到每次仿真 的橫向偏差10如圖16所示，縱向偏差如圖17所

19、示。從圖中可以看出在這10 0 次仿真試驗(yàn)中橫向偏差分布在一4015范圍內(nèi)，縱向偏差分布在一20-10范 圍內(nèi)。利用蒙特卡洛法，求得炸彈彈著點(diǎn)的相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量如表2所示10。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果 可以看出轟炸過(guò)程是有效的。圖18攻擊精度隨傳感 器誤差變化圖 圖19攻擊精度隨時(shí) 間延遲的變化（下轉(zhuǎn)第5 2頁(yè)）4 7 -（總第4 0 - 2 1 0 4 ）火力與指揮控制2015年第12期1 999.3宋2袁崇義.P etri網(wǎng)原理M.北京：北京大學(xué)出版社, 麗娟，劉長(zhǎng)有.基于賦時(shí)庫(kù)所P etri網(wǎng)的飛機(jī)地面車輛資源配置J.中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2 0 0 8,2 6（增刊）：19 6.4Vidosaround Pr

20、a vliecA，TosicV.Modgof Turo cessUsing PetATRSWorlr iNetd ConfC/ Pror ence .Poeedingse14tt o,Poal.2015Mique deltoimp1 A,AlrovexeyN，Cesr T.AS1 mui onMotCSimAirCargoOperationsinPassengerAirc /P roceedingsofthe2010SummerCompu ulationConference，SanDiego，2010.6趙桂紅，劉利.延誤航班停機(jī)坪作業(yè)運(yùn)行控制研究J.中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,24 (4):

21、58 61.7孫瑞山，張子仝.基于CPM的停機(jī)坪航班保障工作方法研究J.中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào),11，29 (5):23 26.圖10航班機(jī)坪保障指揮調(diào)度Pe1網(wǎng)模型8LeeuwengandDetnP ,WitenC.Tempora1 DeminingRe theAirpo 09336.oureNeofAutsAgeTuardP roconomouesR.NLR T P 29WuCL,Rot E.Mod ellingofaricraationinamupleairportResearch，2vironmentJ.Transpor2，38 (2):265 277.10 陶婧婧.機(jī)坪保障服務(wù)設(shè)備調(diào)度仿真

22、與優(yōu)化D.南京:參考文獻(xiàn):1WuCL，RobertofAircraftE.ModelingandOptimiTurnaroundTimetio nP lanningan66.atAnAirpodTechnolortJ.Tra gy，2 0 0 4，2:4南京航空航天大學(xué)，2011.Impr11DuYQ，ZhangQ，ChenQS.ACOIH:AndAntColonyOpt oundServi1 mizScationAl hedulingorithmforAirportGrC/ Procdin gsoftheIEEEInternatialConferenceonIndustrialTechnology.2008為基礎(chǔ)，可動(dòng)態(tài)生成機(jī)坪保障指揮調(diào)度Petr i網(wǎng)模型，保證了建模靈活可擴(kuò)展。進(jìn)一步研究包括模型特性分析及基于所建模型的機(jī)坪保障指 揮調(diào)度優(yōu)化算法設(shè)計(jì)。!（上接第4 7頁(yè)） 4結(jié)束語(yǔ)4 張安.周志剛.航空綜合火力控制原理M.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1 9 9 7.5 張化光，何希勤.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.6 尹茂旸，陳哨東，張安，等.無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)操控/自主CCRP攻擊系統(tǒng)建模與仿真J.電光與控制，2013，20(2):