[发明专利]一种固定翼无人机编队制导装置及协同跟踪制导方法

摘要

本发明提出了一种固定翼无人机编队制导装置及协同跟踪制导方法，属于无人机飞行控制技术领域。本发明在设计一种用于无人机编队制导的嵌入式计算机装置的基础上，进行协同跟踪地面目标制导方法设计，首先，设计了Leader无人机自动跟踪地面目标的制导方法并进行了稳定性分析；其次，设计了Follower无人机自动跟踪Leader无人机的跟踪制导方法和用于编队相位控制的协同制导方法并进行了稳定性分析；最后，分别针对静止目标、匀速直线运动目标和变速运动目标的跟踪问题进行了仿真验证。本发明能够实现对各类地面目标的自动协同跟踪，并且在同等条件下跟踪性能明显优于采用经典李雅普诺夫向量法的制导方法。

主权项

1.一种固定翼无人机编队制导装置的协同跟踪制导方法，该协同跟踪制导方法所使用的制导装置包括控制信号模块、信号处理模块电源模块和重置模块，其中，控制信号模块和重置模块分别与信号处理模块连接，电源模块为各模块供电，所述控制信号模块包含串口单元和脉宽调制信号单元，所述信号处理模块包含IO驱动单元、信号调理单元和CPU单元，其中串口单元、IO驱动单元、信号调理单元、CPU单元和脉宽调制信号单元顺序连接；其特征在于，协同跟踪制导方法，包括以下步骤：(1)当跟踪目标为合作对象时，通过无人机及地面目标间的通讯链路得到无人机及地面目标的位置及航向信息；当跟踪目标为非合作对象时，通过目标指示系统获取无人机及地面目标的位置及航向信息；(2)根据无人机与地面目标在二维Frenet‑Serret框架下的位置和运动状态，定义各状态量的取值范围和方向，建立无人机与跟踪目标的二维运动学模型；所述无人机与地面目标在二维Frenet‑Serret框架下的位置和运动状态，无人机定距跟踪地面目标的二维运动学模型表述为：其中ρ为无人机与地面目标间的相对距离，ρ∈[0,∞]；为无人机与地面目标间的相对距离变化率；χ无人机速度方向与无人机和目标间连线的夹角，即视线角，χ∈(‑π,π]且逆时针为正，为χ角变化率，v为无人机速度，为无人机加速度，ω为角速度，u为制导律控制输入；(3)在建立的二维运动学模型中，对无人机定距跟踪地面目标模式下的变量关系进行分析；(4)针对地面静止目标，建立定距跟踪地面静止目标的Leader无人机制导方法，并分析其稳定性；所述针对地面静止目标，建立无人机定距跟踪地面静止目标制导方法如下：其中制导增益为k，且k＞0，ρ_d为稳定定距跟踪时无人机与目标间距离；建立的制导方法进行稳定性分析，提出李雅普诺夫方程：对李雅普诺夫方程求导可得(5)针对地面匀速运动目标，建立定距跟踪地面匀速运动目标的Leader无人机制导方法，并分析其稳定性；所述针对地面匀速运动目标，建立无人机定距跟踪地面匀速运动目标制导方法如下：其中V_m为无人机与目标间相对运动速度，V_t为目标运动速度，χ_m为V_m与无人机和目标间连线的夹角，ψ_t为地面目标航向角；(6)针对地面变速运动目标，建立定距跟踪地面变速运动目标的Leader无人机制导方法，并分析其稳定性；所述针对地面变速运动目标，建立提出无人机跟踪地面变速运动目标制导方法如下：其中k为制导律增益，ω_t为地面目标角速度，ψ_m为无人机与目标间的相对航向，为地面运动目标加速度；(7)在定距跟踪模式下建立Follower无人机制导方法，并分析其稳定性；所述定距跟踪模式下设计Follower无人机制导方法：角速度制导方法：加速度制导方法：其中：ψ₀为leader无人机航向角，为leader无人机航向角变化率，ψ_i为第i架无人机航向角，k_ω为角速度制导律增益，ω_i为第i架无人机角速度制导律输入，Δθ为相位角差，为相位角差的变化率，v₀为leader无人机速度，为leader无人机加速度，v_i为第i架无人机的速度，N为Follower无人机架数，k_v为加速度制导律增益，u_i为第i架无人机加速度制导律输入，ρ_i为第i架无人机与目标间距离，为第i架无人机与目标间距离变化率；设计的制导方法进行稳定性分析选取李雅普诺夫函数L：对李雅普诺夫函数求导得其中：ρ_i为第i架无人机与目标间距离，ρ_d为无人机稳定定距跟踪目标半径，为第i架无人机与目标间距离变化率，Δθ_i为第i架无人机的相位角差，为第i架无人机的相位角差变化率，v_i为第i架无人机速度，为第i架无人机加速度，v₀为leader无人机速度，为leader无人机加速度，ψ_i为第i架无人机航向角，为第i架无人机航向角变化率，ψ₀为leader无人机航向角，为leader无人机航向角变化率。