基于视线角速度的微小型飞行器制导仿真研究

孙瑞阳

【摘 要】为实现微小型飞行器对运动目标的制导任务，本文基于微小型飞行器数学模型和目标视线角速度信息，依据垂直视线角速度和水平视线角速度，分别设计了比例导引律下的纵向和横向过载控制器，分析了各方向过载值的变化规律，并利用Matlab / Simulink搭建了仿真实验系统。仿真结果表明，本文设计的基于视线角速度的过载控制器能够有效实现对目标的追击任务，能够在较短时间内完成与目标的交汇。

【关键词】视线角速度 微小型飞行器 制导 Simulink

1 引言

微小型飞行器承担着越来越多的任务，从航拍救援到农业植保，从军事侦察到目标打击，微小型飞行器的发展呈现暴发式的发展态势。

2 目标和微小型飞行器运动模型

由微小型飞行器的质心运动学、质心动力学、绕质心运动学和绕质心动力学公式，可得微小型飞行器的十二个状态方程为：

（1）

其中，（）为位置矢量，（）为速度矢量，（）为姿态角，（）为姿态角速度，（）为三个轴方向上的力矩，（）为微小型飞行器质心受到的力，（）为姿态角，（）为转动惯量，为质量。

3 制导原理及视线角速度计算方法

目标与微小型飞行器的几何位置原理图如图1所示，设微小型飞行器位于点（坐标原点），目标位于点。

如果微小型飞行器和目标的运动方向和大小一定，若要使微小型飞行器与目标同时到达I点，则要使，但实际上，两者的运动方向和大小不定，所以要满足以下条件：

（2）

其中，为弹道倾角，为视线角，为比例导引系数。

在三维空间中，垂直视线角和水平视线角分别为：

（3）

（4）

由此可以计算出垂直视线角速度和水平视线角速度。

而垂直视线速度和水平视线角速度分别与纵向过载和横向过载有关，可记为：

（5）

（6）

4 基于MATLAB/Simulink的仿真系統搭建

目标模型搭建了匀速直线运动的数学模型，微小型飞行器模型是根据12个状态方程得到的，导引头环节用于计算垂直视线角速度和水平视线角速度，制导控制环节根据垂直视线角速度和水平视线角速度，计算升降舵、方向舵和副翼的指令，速度控制环节控制微小型飞行器的飞行速度，从而构成完整的仿真控制回路。

5 仿真结果

微小型飞行器沿轨迹方向的切向过载和制导过程中的速度变化曲线如图所示，切向过载在初始位置较大，随着时间的推移，切向过载近于0。从切向过载和微小型飞行器的速度对比中可知，在切向过载的作用下，微小型飞行器的速度迅速增加，到期望的35m/s速度后，切向过载接近于0，随后速度保持不变，说明切向过载能够有效实现对速度的控制。

6 结语

仿真实验结果表明，微小型飞行器利用视线角速度的制导方法，能够实现对目标的精确打击任务，并且末端的视线角速度变化较为剧烈，导致制导末端过载较大，并且需要根据不同性能要求选择不同的导引比例系数。

参考文献：

[1]李晓强.无人机飞行控制系统的硬件设计与研究[D].西安：西安理工大学，2008.

[2]史颉华.小型无人驾驶飞行器自主飞行控制研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.