[发明专利]一种机动飞行器多终端约束反演滑模末制导方法

说明书

技术领域

本发明属于航空航天技术、武器领域，涉及一种机动飞行器多终端约束反演滑模末制导方法。具体来说，针对机动飞行器末制导问题，这种设计方法所得到的制导律，能够使得飞行器在到达或命中目标的同时，满足各个终端约束，如终端弹道倾角约束、法向过载约束等。

背景技术

某些机动飞行器在攻击固定目标时，除了需要考虑减小脱靶量外，某些特殊的战斗部期望以一定的角度命中目标，从而获得更好的毁伤效果。如某些再入机动弹头在其末制导段，需要飞行的速度方向基本与地面垂直，这样可以使得末制导系统正常工作。另外，弹头为获得最大的侵彻深度，需要最终以一定碰撞角命中目标。反坦克导弹则希望以大落角命中坦克顶部的薄弱装甲。某些反舰导弹需要垂直俯冲攻击，或者从侧面攻击来增强对舰艇的突防力和毁伤力等。因此，终端角度的控制已成为精确打击武器的一项重要性能。

在文章《Terminal Guidance for Impact Attitude Angle Constrained Flight Trajectories》中，M.Kim和Kelly Grider在1973年首先给出一种带落角约束形式的末制导律，经过多年的发展，国内外对有关带角度约束的制导律设计，已经有许多比较成熟的研究，部分成果已经在实际中开始应用。在设计带角度约束的制导律时，常用的设计思想是基于比例导引律并附加偏置项，基于最优控制理论，或基于变结构控制。许多文献在求解带角度约束末制导律时，依赖对运动方程的线性化，得出解析形式的制导律。当需要考虑的终端约束较多时，制导律的结果较为复杂。而且，很少有考虑终端法向过载约束，一些方法的仿真结果显示飞行器飞行末端可能出现较大的法向加速度，在环境及相关参数不确定性的情况下容易出现明显的脱靶量。

发明内容

一、发明目的：针对机动飞行器的末制导问题，本发明运用backstepping反演设计方法，提供一种机动飞行器多终端约束反演滑模末制导律设计方法，它是给出一种带多个终端约束末端导引律的设计方法。制导律能够满足多个终端约束，如终端弹道倾角约束、法向过载约束。

二、技术方案：

本发明的设计基础是“有限时间到达的反演设计”。其中，机动飞行器末制导段——从末制导开始到命中目标，飞行时间虽然未知，但是有限。因此，末制导律的设计是一个“有限时间到达”的问题。变结构控制中的“backstepping反演设计”是将Lyapunov函数的选取与控制器的设计相结合的一种回归设计方法，它通过从系统最低阶次微分方程开始，逐层镇定设计最终达到全局镇定，从而给出整个系统的控制律。

本发明一种机动飞行器多终端约束反演滑模末制导方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：分析末制导问题的终端约束及个数。

对于一般的末制导问题，首先要求飞行器命中目标，至少存在一个终端约束与位移相关。其次，不同任务需求的飞行器需要在到达或者命中目标时，要求有预定的弹道倾角或命中碰撞角，就存在一个与角度相关的终端约束。最后，某些情况下，还有可能需要考虑其他约束，为了使得飞行器在环境及相关参数不确定性的情况下保持更好的稳定性和鲁棒性，添加终端法向过载约束有一定的必要性。

步骤二：确定滑模变结构控制阶数，设计滑动变量。

在分析了末制导问题所要考虑的终端约束后，就可以根据终端约束个数确定滑模变结构控制阶数，进而将问题转化为滑动变量的设计。该滑动面的设计是寻找适当的变量，使变量及其一定阶导数趋近于0与满足各个终端约束相结合。

步骤三：有限时间反演设计，得到整个系统的制导律。

设计了合适的滑动变量后，运用有限时间到达的backstepping反演设计，给出整个系统的最终制导律。该制导律能够导引飞行器准确到达目标，同时满足各个终端约束。

三、优点和功效：

1、本发明的设计方法，不需要线性化，相比传统方法得到的结果更加简洁。

2、本发明中的推导采用逐阶分层设计，过程易懂，逐阶满足各个终端约束。

3、本发明方法得到的末制导律存在多种扰动情形下仍然能有很好鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的设计流程图；

图2是简单举例数值仿真的状态量变化图；反映不同到达时间2s、4s和6s，状态量——位移x和速度v的变化曲线；

图3是实际举例数学模型的弹-目关系示意图；

图4是终端弹道倾角约束为-90°、-80°、-70°和-60°仿真的弹道曲线对比图；