Flight Dynamics Modeling and Autopilot Design for Guided Projectiles via Linear Parameter-Varying Techniques
Approches linéaires à paramètres variants pour la modélisation de la dynamique du vol et la synthèse d'autopilotes des projectiles guidés
Résumé
The advent of advanced guidance technologies in the last decades has renewed the interest in the employment of gun-launched artillery-guided munitions in strategic operations. The enhancement of munitions range performance, under the avoidance of any modifications to the firing gun, implies the investigation of innovative aerodynamic configurations. A promising solution could be identified in a novel fin-stabilized architecture, aiming to improve the range capability through a gliding steered flight.The employment of a non-spinning concept reduces the highly nonlinear dynamics generated by the aerodynamic coupling terms. The control design of aerospace applications generally relies on standard linearization-based gain-scheduling techniques, where local approximations of the nonlinear dynamics allows for the design of a set of Linear-Time Invariant controllers (LTI) at selected flight points. The controllers are then interpolated online to cover all the conditions belonging to the system flight envelope. Despite a broad range of successful applications, gain-scheduling design has been proven to present important theoretical and practical limitations, both in terms of modeling accuracy and guaranteed stability of the controller interpolation. Recently, the Linear Parameter-Varying (LPV) framework has attracted increasing attention in the modeling and control of a wide range of missile and aircraft applications. In particular, LPV/quasi-LPV models can account for the time variations of a selected set of parameters, which results in a higher capability in capturing the complex nonlinear dynamics characterizing aerospace systems. Accordingly, the design targets the synthesis of a controller that provides global stability properties across the entire envelope described by the variation of the parameters. In this context, the project aims to investigate the modeling and control design of a new class of fin-stabilized guided projectiles in the LPV framework. An exhaustive regression analysis on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation results allows for characterizing the aerodynamics of the projectile and defining the corresponding nonlinear flight dynamics model. The nonlinear dynamics is then formulated as a quasi-LPV model for control design through an accurate selection of investigated varying parameters. The synthesis of the autopilot is achieved through standard LPV/H-infinity approaches: polytopic and grid-based. The core objective consists of the tracking of a reference range-enhancement guidance signal while ensuring the stability of the projectile across the entire gliding trajectory. The polytopic approach relies on the definition of a convex space of linear variation of the parameters, providing stronger stability guarantees. The grid-based approach performs the design of the controller across a grid of selected flight conditions, ensuring higher controller synthesis optimization. The robustness and the tracking performance of the controllers are tested in a nonlinear simulator environment, addressing external sources of disturbance such as wind, and accounting for possible model parametric uncertainties.
L'avènement de technologies de guidage avancées au cours des dernières décennies a ravivé l'intérêt pour l'emploi de munitions d'artillerie guidées lancées par canon dans les opérations stratégiques. L'amélioration de la portée des munitions, tout en évitant de modifier le canon, implique l'étude de configurations aérodynamiques innovantes. Une solution prometteuse pourrait être identifiée dans une nouvelle architecture stabilisée par des ailerons, visant à améliorer la capacité de portée par un vol plané dirigé. L'utilisation d'un concept non gyrostabilisé réduit la dynamique hautement non linéaire générée par les termes de couplage aérodynamique. La conception axée sur la commande des applications aérospatiales repose généralement sur des techniques standard de séquencement de gains basées sur la linéarisation, où des approximations locales de la dynamique non linéaire permettent de concevoir un ensemble de contrôleurs linéaires à temps invariants (LTI) à des points de vol sélectionnés. Les contrôleurs sont ensuite interpolés en ligne pour couvrir toutes les conditions appartenant à l'enveloppe de vol du système. Malgré un large éventail d'applications réussies, séquencement de gains s'est avéré présenter d'importantes limitations théoriques et pratiques, à la fois en termes de précision de la modélisation et de stabilité garantie de l'interpolation des contrôleurs. Récemment, les techniques linéaires à paramètres variables (LPV) ont suscité une attention croissante dans la modélisation et la commande d'un large éventail d'applications de missiles et d'aéronefs. En particulier, les modèles LPV/quasi-LPV peuvent prendre en compte les variations temporelles d'un ensemble sélectionné de paramètres, ce qui permet de mieux saisir la dynamique non linéaire complexe qui caractérise les systèmes aérospatiaux. En conséquence, la conception vise la synthèse d'un contrôleur qui fournit des propriétés de stabilité globale sur l'ensemble de l'enveloppe décrite par la variation des paramètres. Dans ce contexte, le projet vise à étudier la modélisation et la conception du la commande d'une nouvelle classe de projectiles guidés stabilisés par des ailerons dans le cadre du LPV. Une analyse de régression sur des données issues de simulations numériques de dynamique des fluides permet de caractériser l'aérodynamique du projectile et de définir le modèle de dynamique de vol non linéaire correspondant. La dynamique non linéaire est ensuite formulée comme un modèle quasi-LPV pour une conception axée sur la commande grâce à une sélection précise des paramètres variables étudiés. La synthèse de l’autopilote est réalisée par l'utilisation d'approches LPV/H-infini standard : polytopique et basée sur une grille. L'objectif principal consiste à suivre un signal de guidage de référence augmentant la portée, tout en assurant la stabilité du projectile sur l'ensemble de la trajectoire de vol plané. L'approche polytopique repose sur la définition d'un espace convexe de variation linéaire des paramètres, offrant des garanties de stabilité plus solides. L'approche basée sur une grille effectue la conception du contrôleur à travers une grille de conditions de vol sélectionnées, assurant une meilleure optimisation de la synthèse du contrôleur. La robustesse et les performances de suivi des contrôleurs sont testées dans un environnement de simulateur non linéaire, en tenant compte des sources externes de perturbation telles que le vent et des incertitudes paramétriques possibles du modèle.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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