[发明专利]基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法

说明书

本发明公开基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法，属于无人机航迹跟踪技术领域。本发明实现方法如下：考虑风场影响，建立风扰动条件下的无人机运动学模型；根据接纳圆半径与航迹段夹角的对应关系，设计自适应策略，计算自适应接纳圆半径，确定参考航迹切换时刻；建立基于航迹跟踪误差的前视距离自适应准则，根据实时航迹跟踪误差计算自适应前视距离，得到视线法导引参考角；建立航迹跟踪误差模型，设计基于状态反馈的跟踪控制律，通过极点配置法得到三维航迹跟踪控制指令，并引入风场扰动项对所设计的控制律进行修正；将控制指令输入到自动驾驶仪中，实现对参考航迹的跟踪。本发明能够实现对参考航迹的快速、准确、稳定的跟踪，并提高跟踪控制系统鲁棒性。

技术领域

本发明涉及一种基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法，属于无人机航迹跟踪技术领域。

背景技术

随着智能化和集成化的快速发展，无人机已被广泛应用于如应急救援、航空拍摄、交通管控、情报侦察、实时监控等军事及民用领域。当无人机执行既定任务时，考虑真实任务环境中的威胁、障碍和地形，需要飞行控制系统配合实现对规划航迹的准确跟踪，避免偏离参考航迹甚至发生碰撞导致任务失败等问题。因此，在无人机的相关研究中，可靠跟踪规划航迹是无人机完成任务的基础。

无人机航迹跟踪主要包括基于控制论和几何学的两类方法。基于控制论的方法中，线性控制方法结构简单，但难以处理复杂的非线性时变问题；而非线性控制方法对模型精度要求较高，生成控制指令也较复杂，在实际工程中仍有一定应用难度。

基于几何学的方法来源于导弹制导律，其中，追踪法、视线法和非线性导引广泛应用于无人机航迹跟踪。视线法(Line-of-sight,LOS)通常在跟踪航迹上选取一个运动的虚拟目标，然后控制无人机趋向目标运动，实现航迹跟踪。视线法基于前视距离得到虚拟目标点，但固定的前视距离会影响到收敛速度和跟踪误差。较小的前视距离可以实现更快的误差收敛，但可能引起跟踪过程中的振荡；而较大的前视距离虽然可以消除这些问题，但会导致收敛速度变慢。部分研究设计了以跟踪误差为参数的时变前视距离，虽然改善了收敛过程中的振荡行为，但导致无人机以较长的时间收敛到参考航迹。在无人机对由离散航迹点连接的航迹进行跟踪的过程中，当无人机趋近每段航迹终点时，需要对参考航迹段进行切换。通过引入接纳圆的概念，根据无人机与参考航迹点间距离，引导无人机跟踪和切换参考航迹段。但针对不同的航迹段夹角，固定接纳圆半径会影响无人机在参考航迹段切换时的跟踪性能，将无人机最小转弯半径作为接纳圆半径，当航迹段夹角较小时，无人机改变航向和俯仰角会滞后，导致跟踪下一段航迹的误差较大；当航迹段夹角较大时，无人机会过早跟踪下一段航迹，导致对上一段航迹跟踪不完全。

发明内容

针对无人机在真实环境中安全飞行执行既定任务的需求，为实现对规划航迹的准确跟踪，避免偏离参考航迹发生碰撞导致任务失败等情况，增强无人机执行任务能力，本发明公开的基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法要解决的技术问题为：考虑无人机机动性能约束和参考航迹特点，基于自适应视线法(Adaptive Line-of-sight,ALOS)的三维航迹跟踪方法，实现对规划航迹的快速、准确、稳定的跟踪，并提高跟踪控制系统鲁棒性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法，考虑风场影响，建立风扰动条件下的无人机运动学模型；根据接纳圆半径与航迹段夹角的对应关系，设计自适应策略，计算自适应接纳圆半径，确定参考航迹切换时刻；建立基于航迹跟踪误差的前视距离自适应准则，根据实时航迹跟踪误差计算自适应前视距离，得到视线法导引参考角；建立航迹跟踪误差模型，设计基于状态反馈的跟踪控制律，通过极点配置法得到三维航迹跟踪控制指令，并引入风场扰动项对所设计的控制律进行修正；将控制指令输入到自动驾驶仪中，实现对参考航迹的跟踪。本发明能够实现对参考航迹的快速、准确、稳定的跟踪，并提高跟踪控制系统鲁棒性。

本发明公开的基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法，包括以下步骤：