申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2022-07-09

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN115343949B

主分类号：G05B13/04

分类号：G05B13/04;G05D1/46

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2022.12.02#实质审查的生效;2022.11.15#公开

摘要：本发明公开了一种固定翼无人机跟踪制导律设计方法及验证平台，利用无人机与地面目标跟踪圆之间的侧偏距和侧偏变化率产生的横向加速度指令来引导无人机快速收敛到指定的跟踪圆上，分析并证明了制导律的全局渐进稳定性。通过引入相对变量的概念对制导律进行修正，使得无人机能够快速跟踪移动目标。半物理仿真验证平台由制导控制系统、综合显示与控制系统、实时仿真系统、视景仿真系统和物理演示系统组成，可以有效验证存在通信时延和噪声干扰下所提出的制导方法的鲁棒性。本发明所提供的方法既可以有效提高跟踪效率，也为后续无人机的实际试飞验证奠定了坚实的理论基础。

主权项：1.一种固定翼无人机跟踪制导律设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立无人机跟踪地面目标的运动学模型；步骤1-1：无人机在惯性系下三维位置为x,y,h,飞行速度为Vm，移动的航向角为ψm，航迹角为γm，侧向制导输入为u；在惯性系下的动力学模型为： 步骤1-2：地面目标在惯性系下位置为xt,yt,0，移动速度为Vt，移动航向角为ψt；地面目标在惯性系下的动力学模型为： 式中，ut表示地面目标的航向角变化率；则无人机与地面目标之间的相对水平距离ρ： 步骤1-3：假设无人机地面目标的移动速度Vt小于无人机的飞行速度Vm，无人机的高度和速度保持不变，无人机在固定二维平面上绕目标做圆周运动；无人机能获取到地面目标的状态信息；假设地面目标静止，无人机与地面目标之间的相对运动学模型为： 其中θ为无人机与地面目标之间的中心连线与水平轴x轴之间的夹角，逆时针为正方向，为无人机速度的径向与r矢量方向的切向的夹角，逆时针为正方向，ρd为指定的跟踪圆周半径；r为无人机与圆周轨道之间的距离，无人机位于圆周外为正；对相对运动学模型求导得： 无人机的状态方程变为2个，即r和且当无人机速度一定时，r、两者相互确定；当时间t→∞时，r→0即ρ→ρd，或π；时，无人机绕目标做顺时针转动，时，无人机绕目标做逆时针转动；步骤2：无人机跟踪移动目标的制导律和相对运动学模型；步骤2-1：无人机在稳定跟踪时，所需的制导输入为： 将理想位置的偏差信号r作为控制输入，形成控制闭环，制导律修改为： 式中，K1表示制导增益系数；引入位置速率偏差信号，增大系统的阻尼，减少系统的超调，制导律重写如下： 其中K0表示增益，ξ0为定值，表示阻尼，能够调节系统的变化过程；步骤2-2：无人机的相对动力学模型在制导律的作用下，其闭环形式为： 将带入闭环动力学系统中得到系统的稳定点为n＝0,±1,±2,…，其中系统的初始状态为r0＝ρ0-ρd，r0为无人机运动的起点与地面目标之间的初始水平距离，为无人机在起点处的速度与初始连线夹角，在坐标系中规定对稳定点进行分析：当r＝0,无人机将绕目标做稳定的圆周运动；当r＝0,无人机将飞入圆周内；当r＝0,无人机将飞出圆周外，因此系统的稳定点为当制导增益K0时，无人机的动力学模型在制导律的作用下是全局渐进稳定的，是闭环动力学系统的渐进稳定平衡点；步骤2-3：分两种情况讨论闭环系统的全局渐进稳定性：1r0，无人机在跟踪圆外飞行时，此时的系统闭环运动方程为： 选取一个李雅普诺夫候选方程为： 显然V≥0，对上述候选方程为： 将系统的闭环运动方程代入得到： 显然2r≤0，无人机在跟踪圆上或跟踪圆内飞行，此时的系统闭环运动方程为： 此时的上述李雅普诺夫函数式12的导数为： 显然因此在制导律的作用下，系统是渐进稳定的；步骤2-3：当地面目标以速度Vt在世界坐标系中沿航向角ψt移动时，需要对制导律进行改写和扩展，引入相对量的概念，相对运动学模型变为： 式中Vr为无人机相对于地面目标的速度，为无人机相对于地面目标相对速度方向的径向与r矢量方向的切向的夹角，无人机的速度矢量分解为： 对式18两端进行标量分解为： 式中ψr为相对航向角，式两端同时对时间求取微分得： 整理得： 式21左端为切向加速度分量，右端为法向加速度分量，控制目标是使得无人机绕目标以相对速度绕目标做稳定的圆周运动，因此等式两端均为0，得到新的制导律： 式中：选取的李雅普诺夫函数为： 对上式两端求导得： 如上式所示，对匀速运动目标和静止目标的跟踪看成式22的特例，其稳定性证明方式相同；至此得到无人机跟踪移动目标的制导律和相对运动学模型；步骤3：制导律参数分析与控制律设计；步骤3-1：制导律参数分析与设计；系统运动的平衡点处做线性化分析，得到无人机的位置由ρ,θ所决定的，ψm表示无人机的速度方向，r表示无人机与跟踪圆周之间的偏差，是速度方向与当前圆弧路径切线的夹角；这三个夹角的数学关系为： 等式两边同时求导得： 因此无人机的横向加速度指令为： 由系统平衡点处的小角度假设知sinη≈η，因此：当时，有表示无人机以速度Vm绕地面目标做半径为ρd的圆周运动所需的向心加速度，自此： 在都趋近于0的假设下，有与联立得到： 得到一个二阶系统的形式，系统的时间常数阻尼比令x1＝r，所以： 对于式30所示的自治系统在平衡点处是渐进稳定的，令系统矩阵A的特征值为：由于K0，所以系统的唯一平衡状态时渐进稳定的，即当t→∞，e→0；步骤3-2：控制律设计；制导律的输出u是直接与滚转角相联系的，通过使用协调转弯指令转化来计算滚转角指令；无人机在倾斜转弯情况下的受力为：得到制导律输出的滚转角指令为： 其中g为重力加速度，将制导律输出转化为无人机的滚转角指令，进行控制律的设计和实验；采用经典的PID控制器设计控制律，高度控制器的结构为： 式中的h、θ、q分别表示无人机的高度、俯仰角和俯仰角速率，hg为高度指令；δe表示升降舵，Kh表示高度信号的比例增益系数，K∫h为高度信号的积分增益系数，表示高度速率的比例增益系数，Kθ表示俯仰角的比例增益系数，K∫θ俯仰角的积分增益系数，Kq表示阻尼系数；横侧向控制器结构为： 式中，δa表示副翼，δr表示方向舵，Kφ表示滚转角信号的比例增益系数，φg表示给定的滚转角指令，φ表示滚转角，Kp表示滚转阻尼系数，p表示滚转角速率，表示副翼信号的比例增益系数；速度控制器结构为：δT＝KVVg-V+K∫V∫Vg-Vdt34式中，δT表示油门，KV表示速度信号的比例增益系数，K∫V表示速度信号的积分增益系数，Vg表示速度指令。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 西北工业大学 一种固定翼无人机跟踪制导律设计方法及验证平台

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD