Automatic predictive control for terrain-following flight

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.

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.