Automatic predictive control for terrain-following flight

• Autorzy: Masłowski P.

Warianty tytułu

PL

Automatyczne sterowanie predykcyjne dla lotu ze sledzeniem profilu terenu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Problems discussed in this article are focused on automatic, predictive flight control laws for low - altitude, terrain – following flights. The solution proposed below is based on simple idea of sliding horizon algorithm used for the reference signal anticipation. Longitudinal motion of the aircraft is considered to study the automatically controlled ‘Nap of the Earth’ (NoE) flight, which is performed by the UAV (Unmanned Aerial Vehicle) or by the manned aircraft operating in ‘UAV mode’ (e.g. for some emergency reasons). Control law is synthesised by extending typical altitude controller algorithm with the additional control loop, designed to follow after predicted flight trajectory angle. This angle is computed by on-line analysis of terrain profile ahead of the aircraft. The necessary data describing this profile is assumed to be obtained by an appropriate opto – electronic or radar – type device, the aircraft is equipped with, or by estimation techniques based on satellite navigation integrated with digitised map of terrain stored in autopilot’s memory. The final solution is tested by computer simulations, where the model of small UAV (the mass about 20 - 30 kg) is used as an example. Obtained results prove the efficiency of proposed solution and its potential to be used in terrain awareness and obstacle avoidance systems.

PL

Problemy omawiane w artykule skupiają się wokół praw automatycznego, predykcyjnego sterowania lotem na małej wysokości ze śledzeniem profilu terenu. Zaproponowane rozwiązanie wykorzystuje prosty algorytm z przesuwającym się horyzontem predykcji, umożliwiający antycypowanie sygnału zadanego. Model ruchu podłużnego samolotu został wykorzystany do badań automatycznie sterowanego lotu na małej wysokości, wykonywanego przez samolot bezzałogowy (UAV) lub przez samolot z załogą ale poruszający się jako bezzałogowy (na przykład z powodu wystąpienia sytuacji awaryjnej). Prawo sterowania zostało zaprojektowane jako rozszerzenie typowego regulatora wysokości lotu przez dodanie do niego dodatkowej pętli sprzężenia zwrotnego, zaprojektowanej tak, by zrealizować śledzenie przewidywanego kąta toru lotu. Kąt ten jest wyliczany poprzez analizę on line kształtu profilu terenu przed samolotem. Przyjmuje się, że niezbędne dane opisujące ten profil są uzyskiwane przez odpowiednie urządzenia pokładowe, optoelektroniczne lub radarowe, albo metodami estymacji bazującymi na nawigacji satelitarnej zintegrowanej z cyfrową mapą przechowywaną w pamięci autopilota. Ostateczne rozwiązanie zostało przetestowane podczas badań symulacyjnych, w których wykorzystano jako przykład model matematyczny małego samolotu bezzałogowego (UAV) o masie ok. 20-30 kg. Otrzymane rezultaty potwierdziły poprawne działanie proponowanego rozwiązania i możliwość wykorzystania go w układach antykolizyjnych i ostrzegających o bliskości ziemi.

Słowa kluczowe

EN

flight control; terrain-following flight

PL

sterowanie lotem; lot ze śledzeniem profilu terenu

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2011
• Tom: Nr 8 (217)
• Strony: 98--109
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Masłowski P.

• Institute of Aviation

Bibliografia

• [1] Cannon R. H., Jr., Dynamics of Physical Systems (in Polish), WNT, Warsaw 1973.
• [2] Ciężki G., Sobieraj W., The assessment of terrain-following flight possibility based on dynamical features of the aircraft (in polish), proceedings of the 5th Polish Conference: Mechanics in Aviation, Warsaw, Poland, 1992, pp. 97-107.
• [3] Flood C., Real-time Trajectory Optimization for Terrain Following Based on Nonlinear Model Predictive Control, Master Thesis, LiTH-ISY-EX-3208, Linkping University, November 2001.
• [4] Graffstein J., Krawczyk M.: Possibilities for simplifying a control system for small unmanned aircraft (in Polish), Proceedings of Technical University of Rzeszów, No. 186, Mechanics, z. 56, Avionics, vol. 2, pp. 419-426, Rzeszów 2001.
• [5] Graffstein J., Masłowski P.: Predictive Flight Control for Small Unmanned Aircraft at Low Altitude, proceedings of International Conference: Scientific Aspects of Unmanned Aerial Vehicles (in Polish), Kielce-Cedzyna, Poland, May 2004, Technical University of Kielce, pp. 175-180. (PL ISSN 0239-4979).
• [6] Jacques D. R., Ridgely D. B., Canfield R. A.: Discrete-Time, Mixed-Norm Control Synthesis Applied to Aircraft Terrain Following, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 19, No. 5, 1996, pp. 1088-1094.
• [7] Kayton M., Fried W. R., Avionics Navigation Systems (in Polish), WKiŁ, Warsaw 1976.
• [8] Lu P., Pierson B. L.: Optimal Aircraft Terrain-Following Analysis and Trajectory Generation, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 18, No. 3, 1995, pp. 555-560.
• [9] Masłowski P., Automatic Flight Control Problem for Low Altitude, Terrain-Following Flight (in Polish), the report of Institute of Aviation, Warsaw 1995.
• [10] Meissner J., The Pilot of Starlit Cognizance (in Polish), Iskry, Warszawa 1970.
• [11] Nettleton J., Barr D., Schilling B., Lei J., Goldwasser S.M.: Micro-Laser Range Finder Development: Using the Monolithic Approach, report: US ARMY CECOM RDEC NVESD, Fort Belvoir & Bala-Cynwyd, 1999 (www.repairfaq.org/sam/lr/).
• [12] Takahashi Y., Rabins M.J., Auslander D. M., Control and Dynamic Systems (in Polish), WNT, Warsaw 1976.
• [13] Timmins W., Operations Guide F-16C/D Block 50/52 LANTIRN AN/AAQ-13 Navigation Pod, AN/AAQ-14 Targeting Pod.