Flight dynamics and nonlinear adaptive control for guided projectiles
Dynamique de vol et commande non linéaire adaptative pour projectiles guidés
Résumé
155 mm spin-stabilized ammunitions commonly used in artillery suffer from a high ballistic dispersion toward the target due to uncertain launch conditions and wind disturbances. To reduce this lack of precision, a concept of a dual-spin guided projectile geared with a course-correction fuse is investigated. This is an innovative and low-cost solution that consists of equipping existing shells with a roll-decoupled guidance fuse embedding up to four aerodynamic control surfaces called canards. The fuse embeds also all necessary sensors (IMU, magnetometers, and GNSS), a control law and a guidance law.
The main control strategy used in the literature for dual-spin guided projectiles is called gain-scheduling. This methodology is based on the local linearization of the projectile dynamics around a fixed number of flight points in order to synthesize a nonlinear scheduled controller. Gain-scheduling is time-consuming due to the large number of local controllers to be tuned, and does not guarantee global performance and stability over the entire flight envelope.
Therefore, the main objective of this thesis is to establish a generic and rapid design methodology for guided projectile autopilots with guaranteed performance and robustness to parameter uncertainties through the whole flight envelope.
To achieve this objective, first, the nonlinear modelling of the projectile was conducted and a ballistic simulator was designed in the Matlab/Simulink environment. Then, the Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) control method was used to design the roll, pitch, yaw and load factor autopilots required to correct the projectile's trajectory. A tuning methodology was designed using digital control analysis tools and mixed-sensitivity synthesis to meet the design requirements. Finally, to deal with the parametric uncertainties of the projectile model and to guarantee the overall performance of the control system, the INDI autopilots were augmented with an adaptive layer. Simulations of guided trajectories were used to validate the nominal behavior of the INDI control law and the increased robustness provided by the adaptive augmentation.
Les munitions gyrostabilisées standard de 155 mm, très utilisées dans l'artillerie, souffrent d'une dispersion relativement élevée à l'impact en raison des incertitudes sur les conditions de tir et des perturbations dues au vent.
Pour réduire cette dispersion balistique, un concept de projectile à fusée de correction de trajectoire est étudié. C'est une solution innovante et peu coûteuse qui consiste à équiper les projectiles non guidés déjà existants d'un module de guidage découplé en roulis qui intègre jusqu'à quatre surfaces de commandes aérodynamiques appelés canards, des capteurs (centrale inertielle, magnétomètres et GNSS), ainsi que d'une loi de commande et guidage embarquée.
La principale stratégie de commande utilisée dans la littérature pour les projectiles gyrostabilisés est le séquencement de gains. Cette méthode se base sur la linéarisation locale de la dynamique du projectile autour d'un nombre défini de points de vol et produit un correcteur non-linéaire séquencé. Cette approche est chronophage du fait du nombre important de correcteurs locaux à régler et ne garantit pas de performance et de stabilité globale sur l'ensemble du domaine de vol.
Ainsi, l'axe principal de recherche concernant les travaux liés à la thèse est l'établissement d'une méthodologie de conception rapide et générique d'autopilotes pour les projectiles guidés avec des garanties de performance et de robustesse face aux incertitudes paramétriques pour toute l'enveloppe de vol.
Pour cela, la modélisation non-linéaire du projectile a tout d'abord été étudiée pour concevoir un simulateur balistique dans l'environnement Matlab/Simulink. Ensuite, la commande non-linéaire par inversion dynamique incrémentale (INDI) a été utilisée pour synthétiser les autopilotes de roulis, tangage, lacet et facteurs de charge nécessaires à la correction de la trajectoire du projectile. Une méthodologie de réglage a été mise en place en utilisant les outils d'analyse de la commande numérique et la synthèse de correcteur par façonnage de fonctions de sensibilité pour respecter les contraintes de performance nominale du cahier des charges. Enfin, pour faire face aux incertitudes paramétriques du modèle du projectile et garantir les performances globales du système de commande, les autopilotes INDI ont été augmentés d'une surcouche adaptative.
Des simulations non-linéaires de trajectoires guidées permettent de valider le comportement nominal de la loi de commande INDI et le gain en robustesse apporté par l'augmentation adaptative.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
---|