[发明专利]一种用于无人飞机的自主导航制导方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空技术领域，更具体地说，本发明涉及无人飞机自主导航方法。

背景技术

无人飞机自主导航方法是指无人飞机在接收到执行任务后，根据其当前状态以及环境信息，在线生成航路、跟随航路，完成任务的能力。通常自主导航方法包括三大部分：导航模块、制导模块以及控制模块。本发明主要针对无人飞机自主导航方法中的导航与制导方法。

导航方法是指无人飞机的航路规划方法，是指在满足无人飞机约束的条件下，寻找一条由起飞点到目标点的最优或令人满意的飞行航线。现行的导航方法主要由地面规划人员或者地面站根据无人飞机的飞行任务以及当前已知威胁信息离线规划出航路，但随着无人飞机飞行任务越来越复杂，飞行环境的不确定性使得离线规划不能完全满足实际飞行要求，不能根据实时变化的环境在线更改航路。

制导方法是整个导航系统不可或缺的一部分，它通过一定的制导律给出制导指令，使无人飞机能够精确跟踪在航路规划中得到的航迹。现行的制导方法主要是通过计算侧偏距和偏航角，给出控制律，实现跟踪，但由于无人飞机在进行地形跟踪/地形回避/威胁回避飞行时，航迹通常比较曲折，会导致在计算侧偏距和偏航角时较困难，因此，需要研究新的方法来实现无人飞机对复杂形状航迹的跟踪。

现在的自主导航制导方法主要有以下不足之处需要改进：

1、航路规划方法大部分为离线规划方法，需要预定飞行任务，以及预知飞行环境信息。航路一旦装订到无人飞机，不易更改。当在飞行过程中，当飞行任务或者飞行环境发生改变时，无人飞机很难及时更新航路，不利于无人飞机自主导航能力的提升。

2、当前规划方法虽然能够给出最优或者令人满意的航路，但由于算法全局寻优机制，使得算法计算量大，耗时长，占用大量的硬件资源，不利于作为导航模块嵌入到小型飞行控制系统中去。

3、常规中使用的航迹跟踪方法大部分为基于侧偏距和偏航角的控制方案，需要准确计算侧偏距和偏航角。当无人飞机跟踪复杂形状航迹时，由于航迹的形状复杂，存在侧偏距和航向角不容易计算的情况，不利于侧偏控制律的产生。

发明内容

本发明主要为了进一步提高无人飞机自主导航能力，其主要体现在以下两点：一是为了提高航路规划算法的快速性与实时性，将速度矢量场法融入到无人飞机航路规划中，使得无人飞机能够根据当前任务，状态以及环境信息给出下一航点位置，实现实时航路规划。二是为了实现对实时规划航路的跟踪，设计非线性导航逻辑制导律，通过目标点及无人飞机的当前位置、速度信息及探测步长，给出非线性的加速度指令，实现对目标航迹的跟踪。

其中基于速度矢量场的航路规划方法将规划空间视为场的作用区域，将目标点、威胁区域看作速度场源，规划质点在矢量场的作用下，产生合速度，导引规划点绕过威胁区域，抵达目标点。该合速度即为无人飞机航路的规划速度，而规划点在合速度场下的运动轨迹正是待规划的飞行航路。

在基于速度矢量场的航路规划中，将目标点看作牵引场源，牵引规划点以一定牵引速度V_T向目标点运动。而威胁、障碍则被看作规避场源和导引场源，它不仅提供规避速度V_P推离规划点远离威胁区域，也提供了垂直于V_P指向目标点的导引速度V_C，为飞机“指明”如何绕过威胁区域。三个矢量场作用在规划点上，使得飞机产生合规划速度，而对合速度的积分即为待规划的路径，更具体的讲，其按照下列步骤进行：

A、进入自主导航模式；

B、接收无人飞机位置信息、状态信息和环境信息；

C、根据接收到的位置信息、状态信息和环境信息，并结合目标信息，计算规划点所受牵引场、规避场以及导引场场强，叠加三个场强得到规划速度；

D、用规划速度与导航模块调用周期的乘积与当前无人飞机位置叠加即得到下一时刻需要到达的航点位置信息；

E、以上B-D步骤迭代进行，直到无人飞机到达目标点；

F、退出自主导航模式；