舰船甲板运动状态预测及无人直升机着舰时刻优化

摘要

【目的】在恶劣海况下，受风浪等因素影响，舰船甲板处于持续运动状态，无人直升机在此条件下难以实现稳定自主着舰，通常需依赖操作人员的经验进行人工遥控降落。这种降落方式不仅耗时较长，且存在较大安全隐患。因此，亟须预测舰船甲板的横摇、纵摇、沉浮幅值及其运动变化速率，确定无人直升机可安全平稳着舰的最优降落时刻，从而有效降低降落风险。【方法】为实现无人直升机最优降落时刻的预测，本文基于时间序列预测算法，采用自回归模型对舰船甲板的运动状态进行建模与预测。在此基础上，为满足无人直升机降落过程中的安全性要求，构建多目标优化数学模型，并利用模拟退火算法推算最优降落时刻，为无人直升机自主着舰提供决策依据。同时，设计并搭建了可模拟舰船甲板横摇、纵摇及沉浮运动的甲板运动模拟器，构建了自适应起落架系统以模拟无人直升机着舰过程，并对优化结果进行了验证。【结果】实验结果表明，预测数据曲线与实测数据曲线高度吻合，横摇、纵摇预测值与实测值的最大误差均小于0.01°,沉浮预测值与实测值的最大误差小于6 mm,最大相对误差均小于1%,满足工程预测精度要求。基于模拟退火算法的优化结果显示，91.50 s、96.75 s、99.25 s为舰船甲板横摇、纵摇、沉浮幅值及其变化速率均较小的关键时刻，其中91.50 s时刻的甲板综合倾斜角度与变化速率最低，表明无人直升机可在该时刻实现平稳着舰。【结论】基于自回归模型的甲板运动状态预测算法具有预测精度高、响应速度快的特点，可高效输出准确的甲板运动数据。与传统单一预测方法相比，本文通过模拟退火算法对预测结果进行多目标优化，筛选出的最优降落时刻更好地满足了无人直升机安全平稳着舰的需求。本研究成果不仅提升了无人直升机在舰船甲板复杂运动状态下的安全着舰能力，也为其他类型飞行器的舰载起降提供了参考。

关键词

无人直升机 / 舰船 / 甲板 / 时间序列 / 自回归模型 / 运动状态预测 / 模拟退火算法