固定翼无人机自主着舰分段动作引导策略

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31116

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固定翼无人机自主着舰分段动作引导策略

梁建建¹, 汪首坤¹(), 何绍溟²

^1.北京理工大学自动化学院，北京 100081
^2.北京理工大学宇航学院，北京 100081

收稿日期:2024-08-29 修回日期:2024-09-15 接受日期:2024-09-27 出版日期:2024-10-11 发布日期:2024-10-11
通讯作者: 汪首坤 E-mail:bitwsk@bit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62473044)

Segmented action guidance strategy for autonomous shipborne landing of fixed-wing UAV

Jianjian LIANG¹, Shoukun WANG¹(), Shaoming HE²

^1.School of Automation，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
^2.School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China

Received:2024-08-29 Revised:2024-09-15 Accepted:2024-09-27 Online:2024-10-11 Published:2024-10-11
Contact: Shoukun WANG E-mail:bitwsk@bit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62473044)

摘要/Abstract

摘要：

针对固定翼无人机在舰载移动平台上自主着陆所面临的降落点快速移动、固定翼无人机必须维持一定的空速且在空中无法有效制动等问题，提出一种基于动作规划的分段引导策略，实时引导固定翼无人机在舰载移动平台上精准着陆。将固定翼无人机自主着舰过程划分为过渡引导和进近引导，对2个阶段分别设计不同的引导策略。在过渡引导阶段，使用有限状态机将固定翼无人机从任意初始状态引导至移动甲板后方一定距离外；在进近引导阶段，通过动作采样实时调整固定翼无人机运动轨迹，直至成功引导无人机降落至移动甲板上。数值仿真和半实物仿真表明，所提出的分段引导策略可以将固定翼无人机从任意初始状态引导降落至不同移动速度、颠簸的航母甲板上，着舰误差可控制在2 m以内。

关键词: 固定翼无人机, 舰载自动着陆, 引导策略, 运动规划, 过渡引导, 进近引导, 半实物仿真

Abstract:

In order to land a fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle （UAV） on a moving platform， serval problems should be addressed. For example， the landing platform moves rapidly， and the UAV has to maintain high speed to generate sufficient lift while it cannot brake in mid-air at will. A segmented guidance strategy is proposed based on action planning. The autonomous shipborne landing process is divided into two stages： transition guidance and approach guidance. In the transition guidance stage， a finite state machine is utilized to guide the fixed-wing UAV from any initial state to a specific distance behind the moving deck. In the approach guidance stage， the action sampling is used to adjust the trajectory in real-time to guide the UAV to touch the deck accurately. Numerical simulation and FlightGear based semi-physical simulation demonstrate that the proposed strategy can effectively guide the fixed-wing UAV from any initial state to the carrier deck with different moving speeds and turbulence， and the landing error is within 2 m.

Key words: fixed-wing UAV, autonomous shipborne landing, guidance strategy, motion planning, transition guidance, approach guidance, semi-physical simulation

中图分类号:

V249.1

梁建建, 汪首坤, 何绍溟. 固定翼无人机自主着舰分段动作引导策略[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531116.

Jianjian LIANG, Shoukun WANG, Shaoming HE. Segmented action guidance strategy for autonomous shipborne landing of fixed-wing UAV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(13): 531116.

图/表 29

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

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图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 1

表 2

仿真中的无人机性能参数以及规划器参数

参数	数值	参数	数值
V_min/（m·s^-1）	27	最大下滑角 $γ i$ /rad	-0.07
V_max/（m·s^-1）	40	转弯半径R/m	160
a_min/（m·s^-2）	-1	$Δ t$ /s	0.05
a_max/（m·s^-2）	1	$Δ T$ /s	2
$ω m i n /$ （rad·s^-1）	-0.2	$λ y$	1
$ω m a x /$ （rad·s^-1）	0.2	$λ ψ$	25
$α ψ m i n /$ （rad·s^-2）	-0.2	$λ V$	0.5
$α ψ m a x$ /（rad·s^-2）	0.2	$λ t$	10
V分辨率/（m·s^-1）	0.02	$t r 1$ /s	1.0
$ω$ 分辨率/（rad·s^-1）	0.002	$t r 2$ /s	-0.5

表 2

图 15

表 3

图 16

表 4

无人机从不同初始航向开始着舰触舰时无人机和航母坐标

航向角/rad	无人机坐标/m	航母x坐标/m
$- π 2$	（227.52，0.09，0.10）	228.75
$- π 4$	（226.23，0.09，0.14）	228.00
0	（230.20，0.08，0.13）	231.75
$π 4$	（226.23，-0.09，0.14）	228.00
$π 2$	（227.52，-0.09，0.10）	228.75

表 4

图 17

表 5

图 18

表 6

图 19

表 7

图 20

图 21

图 22

参考文献 33

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
空机质量/kg	754
最大起飞质量/kg	1 156
最大爬升速度/（m·s^-1）	3.7
最大速度/（m·s^-1）	64.8
巡航速度/（m·s^-1）	40
失速速度/（m·s^-1）	27

侧偏距离/m	无人机坐标/m	航母x坐标/m
-100	（187.78，0.09，0.10）	189.25
-60	（185.93，0.09，0.11）	187.50
-20	（188.48，-0.09，0.11）	190.00
20	（188.48，0.09，0.11）	190.00
60	（185.93，-0.09，0.11）	187.50
100	（187.78，-0.09，0.10）	189.25

初始高度/m	无人机坐标/m	航母x坐标/m
50	（188.27，0.00，0.07）	189.75
60	（188.27，0.00，0.09）	189.75
70	（188.27，0.00，0.11）	189.75
80	（190.66，0.08，0.07）	191.50
90	（206.59，0.08，0.07）	207.50
100	（231.75，0.07，0.15）	233.50

航母速度/（m·s^-1）	无人机坐标/m	航母x坐标/m
3	（136.19，-0.05，0.15）	138.15
6	（271.14，-0.08，0.16）	273.00
9	（421.24，-0.09，0.17）	423.00
12	（628.85，-0.09，0.17）	630.60
15	（943.91，-0.09，0.18）	945.75

航母速度/ （m·s^-1）	无人机坐标/m	航母坐标/m
航母速度/ （m·s^-1）	无人机坐标/m	x坐标	z坐标
3	（140.70，-0.05，-1.44）	141.60	-1.49
6	（277.08，-0.08，-1.14）	278.40	-1.17
9	（427.01，-0.09，-1.30）	428.85	-1.51
12	（626.60，-0.09，1.66）	628.20	1.51
15	（943.90，-0.09，1.49）	945.75	1.43
18	（1 415.00，-0.09，-0.63）	1 417.50	-1.04

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