参数化空战机动动作实现方法

1.本发明涉及一种参数化空战机动动作实现方法，属于飞行器控制技术领域。


背景技术：

2.在长期的实践与探索中，对空战动作进行了大量的研究与分析，逐渐形成了飞行器基本机动(bfm)。而空战的过程也可以视为在bfm的不同状态之间进行切换，或者是bfm的组合应用。bfm主要有筋斗、半滚倒转、转弯(水平转弯，战斗转弯)、追踪、高速摇摇、低速摇摇、桶滚等基础机动动作。飞行员在使用中往往会在基本机动动作上，相互组合形成一些更加复杂的机动动作，如蛇形机动，滚转剪刀等。
3.但基本机动的问题在于不同机动动作的进入条件与切换条件不清晰。机动动作往往都是连续变化，或者包括几个阶段的，如半滚倒转需要先执行翻滚180度，再拉大过载倒转，在满足退出条件时退出半滚倒转动作，执行其他机动动作。由于不同激动动作的进入、切换条件不清晰，导致组合形成的复杂机动动作过程全靠飞行员的经验进行，一来推广困难，更难以实现自动驾驶；二来动作平滑性具有较大的波动，动作执行效率也各不相同，甚至部分动作由于衔接问题会严重损伤飞行器。
4.由于上述原因，有必要对现有的空战机动动作进行研究，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出一种参数化空战机动动作实现方法，包括以下步骤：
6.s1、对机动动作进行归类，获得典型动作；
7.s2、采用控制参数对典型动作进行描述，所述控制参数包括多种类型；
8.s3、在两个典型动作衔接过程中，针对涉及到的每一种控制参数，通过对该类型控制参数进行数值过渡，实现两个典型动作的平滑切换。
9.在一个优选的实施方式中，s1中，依据机动动作在执行时的变化变量，将机动动作进行归类。
10.在一个优选的实施方式中，s1中，所述典型动作包括倾角追踪、筋斗、水平转弯、盘旋、半滚倒转、后置追踪、前置追踪、纯追踪、高低yoyo。
11.在一个优选的实施方式中，所述控制参数包括航迹倾角、过载、滚转角、目标位置、目标速度、比例系数、拐点速度和爬升倾角。
12.在一个优选的实施方式中，描述每种典型动作的控制参数不多于3个。
13.在一个优选的实施方式中，倾角追踪动作采用航迹倾角作为控制参数进行描述；
14.筋斗动作采用过载和滚转角作为控制参数进行描述；
15.水平转弯动作采用滚转角作为控制参数进行描述；
16.盘旋动作采用滚转角和航迹倾角作为控制参数进行描述；
17.半滚倒转动作采用过载作为控制参数进行描述；
18.后置追踪动作采用目标位置作为控制参数进行描述；
19.前置追踪动作采用目标位置、目标速度和比例系数作为控制参数进行描述；
20.纯追踪动作采用目标位置作为控制参数进行描述；
21.高低yoyo动作采用目标位置、拐点速度和爬升倾角作为控制参数进行描述。
22.在一个优选的实施方式中，s3中，针对两个典型动作中任一相同的控制参数，变量进行如下数值过渡：
[0023][0024]
其中，p为该控制参数变量实际值，p
old
为前一动作变量实际值，p
new
为后一动作变量期望值，t为当前时刻，t0为动作切换开始时间，tf为预期动作切换结束时间。
[0025]
在一个优选的实施方式中，s3中，针对前一典型动作中含有，而后一典型动作中不含有控制参数，变量进行如下数值过渡：
[0026][0027]
其中，p为变量实际值，p
old
为前一动作变量实际值，t为当前时刻，t0为动作切换开始时间，te为前一动作该变量设定结束时间。
[0028]
在一个优选的实施方式中，s3中，针对前一典型动作中不含有，而后一典型动作中含有控制参数，直接进行后一典型动作的变量数值的改变。
[0029]
本发明所具有的有益效果包括：
[0030]
(1)本发明提供的参数化空战机动动作实现方法，减少了上层机制决策的输出复杂度；
[0031]
(2)本发明提供的参数化空战机动动作实现方法，提高了动作切换的平滑程度；
[0032]
(3)本发明提供的参数化空战机动动作实现方法，切换过程能量损耗小，切换速度快，动作执行效率高。
附图说明
[0033]
图1示出根据本发明一种优选实施方式的参数化空战机动动作实现方法流程示意图；
[0034]
图2示出根据本发明一种优选实施方式的参数化空战机动动作实现方法中飞行器进行正筋斗动作轨迹示意图；
[0035]
图3示出根据本发明一种优选实施方式的参数化空战机动动作实现方法中飞行器进行半滚倒转动作轨迹示意图；
[0036]
图4示出了实施例1中切换轨迹图；
[0037]
图5出了对比例1中切换轨迹图；
[0038]
图6示出了实施例1中仿真参数图；
[0039]
图7示出了对比例1中仿真参数图。
具体实施方式
[0040]
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
[0041]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0042]
根据本发明提供的一种参数化空战机动动作实现方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0043]
s1、对机动动作进行归类，获得典型动作；
[0044]
s2、采用控制参数对典型动作进行描述，所述控制参数包括多种类型；
[0045]
s3、在两个典型动作衔接过程中，针对涉及到的每一种控制参数，通过对该类型控制参数进行数值过渡，实现两个典型动作的平滑切换。
[0046]
传统的经典战术飞行动作一般仅按照机动动作的战术意义与执行效果进行分类，例如文献[钟友武,柳嘉润,杨凌宇,申功璋.自主近距空战中机动动作库及其综合控制系统[j].航空学报,2008(s1):114-121.]中，经典战术飞行动作包括定常盘旋、俯冲、急拉起、半斤斗、蛇形机动、桶滚、半滚倒转等16种动作；又例如文献[梁学政.双机空战的仿真与分析[j].火力与指挥控制,1994(04):8-15.]中，经典战术飞行动作在其基础上，又增加了前置跟踪，高过载下滚，高过载上滚，增速转弯，回转等9种机动动作，一共构成了25种机动动作。但是这些经典的战术飞行动作分类方法，对提高不同机动动作之间的平滑衔接，并没有有效的提升。
[0047]
在本发明中，s1中，不在单纯依靠机动动作的战术意义与执行效果进行分类，特别的，还依据机动动作在执行时的变化变量，将机动动作进行归类。
[0048]
通过变量变化进行分类，能够凸显不同机动动作执行过程中的控制本质，从而为不同机动动作的平滑衔接提供基础，并且能够初步降低经典战术飞行动作的数量，降低后续机动动作变化的复杂程度，例如高yoyo与低yoyo两个动作，实际空战态势是不同的，但变化的变量是相同的，可以分为一类中，实现以较少的动作种类来描述多种动作的效果。
[0049]
根据本发明一个优选的实施方式，s1中，所述典型动作共9种，包括倾角追踪、筋斗、水平转弯、盘旋、半滚倒转、后置追踪、前置追踪、纯追踪、高低yoyo。
[0050]
根据本发明，s2中采用控制参数对典型动作进行描述，可以通过设置参数来改变该动作的执行幅度等因素，从而提高动作描述的灵活性。
[0051]
在一个优选的实施方式中，所述控制参数包括航迹倾角、过载、滚转角、目标位置、目标速度、比例系数、拐点速度和爬升倾角。
[0052]
进一步地，采用上述控制参数，使得描述每种典型动作的控制参数不多于3个。
[0053]
在一个优选的实施方式中，倾角追踪动作采用航迹倾角作为控制参数进行描述；
[0054]
更优选地，倾角追踪动作表示为：
[0055][0056]
其中，ny表示法向过载，γ
des
表示期望航迹倾角，γ表示当前航迹倾角，g表示重力加速度，k为常数系数，v表示飞行器的速度。
[0057]
当设定的追踪航迹倾角为0，此时该动作为直线加速动作，当设定的追踪航迹倾角为正值，则该动作为沿一定的航迹倾角爬升，当设定的航迹倾角为负值时，则该动作为沿一定的角度俯冲。
[0058]
在一个优选的实施方式中，筋斗动作采用过载和滚转角作为控制参数进行描述。
[0059]
更优选地，筋斗动作表示为：
[0060]
ny＝n
des
[0061][0062]
其中，ny表示法向过载，n
des
表示期望过载，φ
des
表示期望滚转角，φ表示当前滚转角，k为常数系数。
[0063]
当输入过载大小为正值时，飞行器进行正筋斗动作，如图2所示，当给定正过载值与0期望滚转角时，飞行器沿筋斗轨迹飞行，在正筋斗动作中滚转角在极小值内发生震荡。
[0064]
在一个优选的实施方式中，水平转弯动作采用滚转角作为控制参数进行描述。
[0065]
更优选地，水平转弯动作表示为：
[0066][0067][0068]
其中，ny表示法向过载，γ
des
表示期望航迹倾角，γ表示当前航迹倾角，g表示重力加速度，k1、k2为常数系数，v表示飞行器的速度，φ
des
表示期望滚转角，φ表示当前滚转角。
[0069]
其中，设置的期望滚转角大小决定了水平转弯的半径大小，而期望滚转角的正负值则决定的水平转弯的朝向。
[0070]
在一个优选的实施方式中，盘旋动作采用滚转角和航迹倾角作为控制参数进行描述。
[0071]
更优选地，盘旋动作表示为：
[0072][0073][0074]
其中，ny表示法向过载，γ
des
表示期望航迹倾角，γ表示当前航迹倾角，g表示重力加速度，k1、k2为常数系数，v表示飞行器的速度，φ
des
表示期望滚转角，φ表示当前滚转角。
[0075]
盘旋动作输入参数为期望滚转角大小与期望航迹倾角，当期望航迹倾角设定为0时，飞行器执行水平盘旋动作，当期望航迹倾角设定为正值或负值时，则相应的执行盘旋上升或盘旋下降。
[0076]
在一个优选的实施方式中，半滚倒转动作采用过载作为控制参数进行描述。
[0077]
在一个优选的实施方式中，半滚倒转动作为两个阶段，表示为：
[0078]
第一阶段：
[0079][0080]
其中，φ表示当前滚转角，k为常数系数
[0081]
第二阶段：
[0082][0083]
其中，ny表示法向过载，γ
des
表示期望航迹倾角，γ表示当前航迹倾角，g表示重力加速度，k1为常数系数，v表示飞行器的速度。
[0084]“半滚倒转”也被称为“殷麦曼回旋”，飞行器从平飞状态进行半滚倒转机动时，飞行器先增大滚转角至180
°
，随后加大法向过载，进行向下的筋斗，为了保持飞行器的速度大小变化不大，在整个控制过程中，飞行器的切向过载始终等于航迹俯仰角的余弦值，如图3所示。
[0085]
在一个优选的实施方式中，后置追踪动作采用目标位置作为控制参数进行描述。
[0086]
更优选地，后置追踪动作表示为：
[0087][0088]at
＝[0 v
·
sin(q
pl-χ) v
·
sin(q
pv-γ)]
t
[0089][0090]
其中，av表示速度系下的过载，表示航迹坐标系向到速度坐标系的转换矩阵，表示地面坐标系到速度坐标系的转换矩阵，g表示重力加速度，a
t
表示轨迹系下的过载，v表示飞行器的速度，q
pv
表示垂直视线角，q
pl
表示水平视线角，χ表示航迹偏角，γ表示航迹倾角，[δx δy δz]
t
表示目标和飞行器的相对位置。
[0091]
在一个优选的实施方式中，前置追踪动作采用目标位置、目标速度和比例系数作为控制参数进行描述。
[0092]
更优选地，前置追踪动作表示为：
[0093][0094][0095][0096]qlos
＝[0 q
pv q
pl
]
t
[0097][0098]
其中，表示速度系下的过载，表示地面坐标系到速度坐标系的转换矩阵，表示视线坐标系到地面坐标系的转换矩阵，a
los
表示视线系下过载，g表示重力加速度，n为比例系数，δv
los
表示视线系下相对速度，表示视线角速率，表示地面坐标系到视线坐
标系的转换矩阵，δv表示速度矢量差值，q
pv
表示垂直视线角，q
pl
表示水平视线角，[δx δy δz]
t
表示目标和飞行器的相对位置。
[0099]
在一个优选的实施方式中，纯追踪动作采用目标位置作为控制参数进行描述。
[0100]
更优选地，纯追踪动作表示为：
[0101][0102]at
＝[0 v
·
sin(q
pl-ψ) v
·
sin(q
pv-θ)]
t
[0103]
其中，av表示速度系下的过载，表示航迹坐标系向到速度坐标系的转换矩阵，表示地面坐标系到速度坐标系的转换矩阵，g表示重力加速度，a
t
表示轨迹系下的过载，v表示飞行器的速度，q
pv
表示垂直视线角，q
pl
表示水平视线角，ψ表示偏航角，θ表示俯仰角。
[0104]
在一个优选的实施方式中，高低yoyo动作采用目标位置、拐点速度和爬升倾角作为控制参数进行描述。
[0105]
在高低yoyo动作中，飞行器在滚转的同时拉起，飞出目标机的转弯平面或达到期望高度。
[0106]
根据本发明，s3中，针对两个典型动作中任一相同的控制参数，变量进行如下数值过渡：
[0107][0108]
其中，p为该控制参数变量实际值，p
old
为前一动作变量实际值，p
new
为后一动作变量期望值，t为当前时刻，t0为动作切换开始时间，tf为预期动作切换结束时间。
[0109]
进一步地，针对前一典型动作中含有，而后一典型动作中不含有控制参数，变量进行如下数值过渡：
[0110][0111]
其中，p为变量实际值，p
old
为前一动作变量实际值，t为当前时刻，t0为动作切换开始时间，te为前一动作该变量设定结束时间。
[0112]
优选地，针对前一典型动作中不含有，而后一典型动作中含有控制参数，直接进行后一典型动作的变量数值的改变。
[0113]
例如：由筋斗动作切换到盘旋动作，筋斗动作的控制参数为过载和滚转角，盘旋动作的控制参数为滚转角和航迹倾角。
[0114]
其中，滚转角为相同的控制参数，控制参数滚转角进行如下数值过渡：
[0115][0116]
筋斗动作中含有控制参数过载，盘旋动作中不含有控制参数过载，控制参数过载进行如下数值过渡：
[0117][0118]
筋斗动作中不含有控制参数航迹倾角，盘旋动作中含有控制参数航迹倾角，控制参数航迹倾角在切换时直接进行改变。
[0119]
在本发明中，通过对控制参数的数值过渡，不仅实现了动作切换的平缓，降低了超调，且降低了切换过程中的能量损失，提高了飞行器的灵活性。
[0120]
实施例
[0121]
实施例1
[0122]
采用f16模型进行仿真，f16模型具有很强的视距内格斗性能，最大能够支持9g过载机动，具备高推重比、低翼载荷等性能特征，采用f16模型可以较好的对动作进行测试调整，将注意力集中于对动作本身进行设计，而不至于过分关注飞行器本身的性能。
[0123]
进行仿真实验，进行飞行器动作切换，包括以下步骤：
[0124]
s1、对机动动作进行归类，获得典型动作；
[0125]
s2、采用控制参数对典型动作进行描述，所述控制参数包括多种类型；
[0126]
s3、在两个典型动作衔接过程中，针对涉及到的每一种控制参数，通过对该类型控制参数进行数值过渡，实现两个典型动作的平滑切换。
[0127]
所述典型动作共9种，包括倾角追踪、筋斗、水平转弯、盘旋、半滚倒转、后置追踪、前置追踪、纯追踪、高低yoyo，其对应的控制参数如表一所示。
[0128]
表一
[0129][0130]
仿真中，由半滚倒转动作向倾角追踪动作进行切换，其中，
[0131]
半滚倒转动作表示为：
[0132]
首先：
[0133][0134]
而后：
[0135][0136]
其中，过载为控制参数。
[0137]
倾角追踪动作表示为：
[0138][0139]
其中，航迹倾角为控制参数。
[0140]
由半滚倒转动作切换到倾角追踪动作，半滚倒转动作的控制参数为过载，倾角追踪动作的控制参数为航迹倾角。
[0141]
其中，半滚倒转动作中含有控制参数过载，倾角追踪动作中不含有控制参数过载，控制参数过载进行如下数值过渡：
[0142][0143]
半滚倒转动作中不含有控制参数航迹倾角，倾角追踪动作中含有控制参数航迹倾角，控制参数航迹倾角在切换时直接进行改变。
[0144]
仿真获得的切换轨迹如图4所示，仿真参数如图6所示。
[0145]
对比例1
[0146]
采用传统的机动动作切换方法进行半滚倒转动作切换倾角追踪动作，其中，传统的机动动作切换方法的基本操纵库由nasa研究人员提出，包括七种最简单的机动动作，典型动作库经过多年补充发展拥有25种动作，其动作切换均采用直接切换的方式，切换轨迹如图5所示，仿真参数如图7所示。
[0147]
从图4、5图中可以看出，实施例1中的方法，相比于对比例1，实现的机动动作切换更为平滑。从图6、7中可以看出，实施例1中的方法实现的动作切换将损失更少的速度，在10s时空速已达约240m/s，而对比例1中的方法在10s时速度仅为约200m/s，从航迹倾角曲线上看，实施例1中的方法在动作切换时航迹倾角较为平缓，而对比例1中的方法在动作切换时航迹倾角产生了更大的超调。
[0148]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0149]
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对机动动作进行归类，获得典型动作；s2、采用控制参数对典型动作进行描述，所述控制参数包括多种类型；s3、在两个典型动作衔接过程中，针对涉及到的每一种控制参数，通过对该类型控制参数进行数值过渡，实现两个典型动作的平滑切换。2.根据权利要求1所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，s1中，依据机动动作在执行时的变化变量，将机动动作进行归类。3.根据权利要求1所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，s1中，所述典型动作包括倾角追踪、筋斗、水平转弯、盘旋、半滚倒转、后置追踪、前置追踪、纯追踪、高低yoyo。4.根据权利要求1所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，所述控制参数包括航迹倾角、过载、滚转角、目标位置、目标速度、比例系数、拐点速度和爬升倾角。5.根据权利要求4所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，描述每种典型动作的控制参数不多于3个。6.根据权利要求5所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，倾角追踪动作采用航迹倾角作为控制参数进行描述；筋斗动作采用过载和滚转角作为控制参数进行描述；水平转弯动作采用滚转角作为控制参数进行描述；盘旋动作采用滚转角和航迹倾角作为控制参数进行描述；半滚倒转动作采用过载作为控制参数进行描述；后置追踪动作采用目标位置作为控制参数进行描述；前置追踪动作采用目标位置、目标速度和比例系数作为控制参数进行描述；纯追踪动作采用目标位置作为控制参数进行描述；高低yoyo动作采用目标位置、拐点速度和爬升倾角作为控制参数进行描述。7.根据权利要求1所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，s3中，针对两个典型动作中任一相同的控制参数，变量进行如下数值过渡：其中，p为该控制参数变量实际值，p
old
为前一动作变量实际值，p
new
为后一动作变量期望值，t为当前时刻，t0为动作切换开始时间，t
f
为预期动作切换结束时间。8.根据权利要求1所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，s3中，针对前一典型动作中含有，而后一典型动作中不含有控制参数，变量进行如下数值过渡：其中，p为变量实际值，p
old
为前一动作变量实际值，t为当前时刻，t0为动作切换开始时间，t
e
为前一动作该变量设定结束时间。
9.根据权利要求1所述的参数化空战机动动作实现方法，其特征在于，s3中，针对前一典型动作中不含有，而后一典型动作中含有控制参数，直接进行后一典型动作的变量数值的改变。

技术总结
本发明公开了一种参数化空战机动动作实现方法，包括以下步骤：对机动动作进行归类，获得典型动作；采用控制参数对典型动作进行描述，所述控制参数包括多种类型；在两个典型动作衔接过程中，针对涉及到的每一种控制参数，通过对该类型控制参数进行数值过渡，实现两个典型动作的平滑切换。本发明公开的参数化空战机动动作实现方法，提高了动作切换的平滑程度，切换过程能量损耗小，切换速度快。切换速度快。切换速度快。


技术研发人员：莫雳 杨冰玮 李东昌 陈灿 范世鹏 张福彪
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/9