<p>Arbetet har utförts på Saab Bofors Dynamics AB i Linköping och dess syfte är att undersöka möjligheten att applicera teorin för prediktionsreglering, Model Predictive Control (MPC), på guidance systemet i en missil av typen Medium Range Air-to-Air Missiles (MRAAM). Även implementering via Explicit MPC har undersökts. </p><p>I tidigare studier har det visat sig att den moderna slutfasstyrningsalgoritmen Linear Quadratic Augmented Proportional Navigation (LQAPN), som återkopplar missilens acceleration och rotation, uppvisar en bättre prestanda än de mer klassiska styrlagarna. Det främsta intresset med denna studie är därför att undersöka hur tillvida en styrlag baserad på MPC kan mäata sig med dessa resultat. Fördelen med att använda MPC är framförallt att man kan ta hänsyn till styrsignalbegränsningar på ett direkt och intuitivt sätt. </p><p>En nackdel med MPC är beräkningstiden. På senare år har dock forskning bedrivits för att ta fram en variant av MPC som beräknar styrsignalen explicit som en affin funktion av det aktuella tillståndet. Denna metod kallas Explicit MPC och har betraktats som en separat metod i detta arbete. </p><p>Styrlagen baserad på MPC kallas i detta arbete för Model Predictive Control Augmented Proportional Navigation (MPCAPN) och utmärker sig framförallt i två fall. Dels då så kallade händelsestyrda simuleringar studeras, då den uppvisar ett klart bättre resultat än vad som erhålls med en styrlag baserad på Linear Quadratic Augmented Proportional Navigation (LQAPN). Även vid beräkningar av skjutzoner blir resultaten ibland bättre. Framförallt förbättras den inre skjutgränsen för flygscenariet då målet utför en så kallad ”tunnelroll”.</p>

Arbetet har utförts på Saab Bofors Dynamics AB i Linköping och dess syfte är att undersöka möjligheten att applicera teorin för prediktionsreglering, Model Predictive Control (MPC), på guidance systemet i en missil av typen Medium Range Air-to-Air Missiles (MRAAM). Även implementering via Explicit MPC har undersökts. I tidigare studier har det visat sig att den moderna slutfasstyrningsalgoritmen Linear Quadratic Augmented Proportional Navigation (LQAPN), som återkopplar missilens acceleration och rotation, uppvisar en bättre prestanda än de mer klassiska styrlagarna. Det främsta intresset med denna studie är därför att undersöka hur tillvida en styrlag baserad på MPC kan mäata sig med dessa resultat. Fördelen med att använda MPC är framförallt att man kan ta hänsyn till styrsignalbegränsningar på ett direkt och intuitivt sätt. En nackdel med MPC är beräkningstiden. På senare år har dock forskning bedrivits för att ta fram en variant av MPC som beräknar styrsignalen explicit som en affin funktion av det aktuella tillståndet. Denna metod kallas Explicit MPC och har betraktats som en separat metod i detta arbete. Styrlagen baserad på MPC kallas i detta arbete för Model Predictive Control Augmented Proportional Navigation (MPCAPN) och utmärker sig framförallt i två fall. Dels då så kallade händelsestyrda simuleringar studeras, då den uppvisar ett klart bättre resultat än vad som erhålls med en styrlag baserad på Linear Quadratic Augmented Proportional Navigation (LQAPN). Även vid beräkningar av skjutzoner blir resultaten ibland bättre. Framförallt förbättras den inre skjutgränsen för flygscenariet då målet utför en så kallad ”tunnelroll”.

<p>På moderna missiler ställs inte bara krav på nedslagsposition utan i allt högre grad även på nedslagsvinkel. För hårt bepansrade mål är vinkeln kritisk då det finns risk att missilen studsar om den kommer in allt för flackt. Samtidigt ökar träffprestandan då en optimal nedslagsvinkel och nedslagsposition används. Med anledning av detta föreslås en styrlag för att reglera missilen efter på förhand genererade referensbanor i vilka nedslagsposition och nedslagsvinkel kan specifieras. Styrlagen är indelad i två huvuddelar och inleds med en optimal styrlag för att reglera ut navigationsfel från tidigare faser och ta missilen till referensbanan. Därefter tar en banföljningsalgoritm vid för att följa referensbanan, vilken konstruerats som interpolerade referenspunkter. </p><p>Styrlagen har implementerats i en befintlig simulator bestående av en missilmodell och en omvärldsmiljö. I denna simulator har prestanda för styrlagen jämförts för ett flertal olika fall med en befintlig styrlag. </p><p>Simuleringsresultaten visar att en mycket god positions- och vinkelnogrannhet erhålls vid navigationsfel upp till en viss gräns. Därefter räcker inte den tillgängliga accelerationen till, med positionsfel som följd.</p>

Modern missiles must meet higher and higher demands. They should be autonomous, have long range and still have a big effect on the target. To maximize effect on target some missiles not only minimize miss distance, but also try to hit with a certain angle; often perpendicular to the surface of the target. In this thesis a method to guide the missile in the terminal phase of its mission where both point of impact as angle of impact are specified. The method consist of two parts. First a reference trajectory with best possible impact conditions, considering the performance of the missile, is computed. The second part consist of a guidance law which guide the missile along the reference trajectory to the target. Two laws were tested, Biased Proportional Navigation (BPN) and Modified Biased Proportional Navigation (MBPN). The method was implemented in an existing detailed simulation system. A big number of simulations were done to optimize the algorithms, and to evaluate performance. Performance was then compared to an already existing method for terminal guidance. The new method was better in terms of angle of impact but worse considering point of impact. One big advantage with the new method is that after calculation of the reference trajectory but before the actual flight (to target) it is possible to predict, with a high level of certainty, if the missile is going to hit the target or not.

På moderna missiler ställs inte bara krav på nedslagsposition utan i allt högre grad även på nedslagsvinkel. För hårt bepansrade mål är vinkeln kritisk då det finns risk att missilen studsar om den kommer in allt för flackt. Samtidigt ökar träffprestandan då en optimal nedslagsvinkel och nedslagsposition används. Med anledning av detta föreslås en styrlag för att reglera missilen efter på förhand genererade referensbanor i vilka nedslagsposition och nedslagsvinkel kan specifieras. Styrlagen är indelad i två huvuddelar och inleds med en optimal styrlag för att reglera ut navigationsfel från tidigare faser och ta missilen till referensbanan. Därefter tar en banföljningsalgoritm vid för att följa referensbanan, vilken konstruerats som interpolerade referenspunkter. Styrlagen har implementerats i en befintlig simulator bestående av en missilmodell och en omvärldsmiljö. I denna simulator har prestanda för styrlagen jämförts för ett flertal olika fall med en befintlig styrlag. Simuleringsresultaten visar att en mycket god positions- och vinkelnogrannhet erhålls vid navigationsfel upp till en viss gräns. Därefter räcker inte den tillgängliga accelerationen till, med positionsfel som följd.

<p>Arbetet har utförts på Saab Bofors Dynamics i Karlskoga och dess syfte var att undersöka om det är möjligt att använda modellbaserad prediktionsreglering, MPC, vid slutfasstyrning av en viss typ av robot. Som referensram används linjärkvadratisk reglering, LQ, eftersom denna reglermetod har undersökts tidigare och visat sig fungera bra vid slutfasstyrning, dock för en annan typ av robot. Anledningen till att man vill undersöka om det är möjligt att använda MPC är att styrlagen enkelt tar hand om begränsningar på systemet på ett direkt och intuitivt sätt.</p><p>Styrlagarnas uppgift är att styra en robot i dess slutfas då det finns krav och önskemål på roboten som bör vara uppfyllda. Till exempel finns det begränsningar på styrsignalen samt önskemål om att träff ska ske i en viss träffpunkt och även med en viss träffvinkel. För att utvärdera resultaten undersöks och jämförs de två styrlagarnas prestanda och robusthet.</p><p>För att kunna utvärdera styrlagarnas egenskaper och jämföra dem implementeras de båda i en befintlig detaljerad simuleringsmiljö, som har utvecklats på Saab Bofors Dynamics i Karlskoga.</p><p>De prestanda och robusthetstester som har utförts uppvisar små skillnader på de två styrlagarna och slutsatsen blir därmed att det är möjligt att använda modellbaserad prediktionsreglering vid slutfasstyrning av en viss typ av robot eftersom det sedan tidigare är känt att linjärkvadratisk reglering är en bra styrlag att använda. För att se vilken av de två styrlagarna som är bäst vid slutfasstyrning av en viss typ av robot behöver det göras vissa ändringar och mer detaljerade undersökningar utföras.</p>

<p>Modern missiles must meet higher and higher demands. They should be autonomous, have long range and still have a big effect on the target. To maximize effect on target some missiles not only minimize miss distance, but also try to hit with a certain angle; often perpendicular to the surface of the target. </p><p>In this thesis a method to guide the missile in the terminal phase of its mission where both point of impact as angle of impact are specified. The method consist of two parts. First a reference trajectory with best possible impact conditions, considering the performance of the missile, is computed. The second part consist of a guidance law which guide the missile along the reference trajectory to the target. Two laws were tested, Biased Proportional Navigation (BPN) and Modified Biased Proportional Navigation (MBPN). </p><p>The method was implemented in an existing detailed simulation system. A big number of simulations were done to optimize the algorithms, and to evaluate performance. </p><p>Performance was then compared to an already existing method for terminal guidance. The new method was better in terms of angle of impact but worse considering point of impact. One big advantage with the new method is that after calculation of the reference trajectory but before the actual flight (to target) it is possible to predict, with a high level of certainty, if the missile is going to hit the target or not.</p>

Arbetet har utförts på Saab Bofors Dynamics i Karlskoga och dess syfte var att undersöka om det är möjligt att använda modellbaserad prediktionsreglering, MPC, vid slutfasstyrning av en viss typ av robot. Som referensram används linjärkvadratisk reglering, LQ, eftersom denna reglermetod har undersökts tidigare och visat sig fungera bra vid slutfasstyrning, dock för en annan typ av robot. Anledningen till att man vill undersöka om det är möjligt att använda MPC är att styrlagen enkelt tar hand om begränsningar på systemet på ett direkt och intuitivt sätt. Styrlagarnas uppgift är att styra en robot i dess slutfas då det finns krav och önskemål på roboten som bör vara uppfyllda. Till exempel finns det begränsningar på styrsignalen samt önskemål om att träff ska ske i en viss träffpunkt och även med en viss träffvinkel. För att utvärdera resultaten undersöks och jämförs de två styrlagarnas prestanda och robusthet. För att kunna utvärdera styrlagarnas egenskaper och jämföra dem implementeras de båda i en befintlig detaljerad simuleringsmiljö, som har utvecklats på Saab Bofors Dynamics i Karlskoga. De prestanda och robusthetstester som har utförts uppvisar små skillnader på de två styrlagarna och slutsatsen blir därmed att det är möjligt att använda modellbaserad prediktionsreglering vid slutfasstyrning av en viss typ av robot eftersom det sedan tidigare är känt att linjärkvadratisk reglering är en bra styrlag att använda. För att se vilken av de två styrlagarna som är bäst vid slutfasstyrning av en viss typ av robot behöver det göras vissa ändringar och mer detaljerade undersökningar utföras.