一种无人机精确跟踪移动目标降落的动态制导方法 |
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申请号 | CN202410071036.2 | 申请日 | 2024-01-17 | 公开(公告)号 | CN117908566A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
申请人 | 南京航空航天大学; | 发明人 | 曹东; 李俊先; 朱立; 京湛; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及一种无人机精确 跟踪 移动目标降落的动态制导方法,包括:基于静态跟踪制导方法生成一条包括直线下滑段、圆弧段和浅下滑段的静止降落点制 导轨 迹线;在静止降落点制导轨迹线的 基础 之上,通过提前改变进入圆弧段开始点的高度生成动态降落点制导轨迹线,以实现跟踪动态移动降落点降落;本发明通过设计光滑的无人机降落制导轨迹线,控制指令和飞行状态的变化得到平滑处理,减小了跳变现象;使降落过程中的无人机轨迹更加平稳和连续,减少了不必要的 姿态 调整,提高了降落的舒适性和安全性;同时,使得控制指令和飞行状态的变化更加平缓和连续;无人机的 飞行控制系统 响应更为稳定,减少了控制系统对突变 信号 的过度反应,提高了降落过程的控制 精度 和 稳定性 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种无人机精确跟踪移动目标降落的动态制导方法,包括如下所述的步骤: |
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说明书全文 | 一种无人机精确跟踪移动目标降落的动态制导方法技术领域[0001] 本发明涉及一种无人机精确跟踪移动目标降落的动态制导方法。 背景技术[0002] 目前无人机的降落制导设计,通常分为两种。一是静态跟踪,即降落点静止,如机场着陆;二是动态跟踪,即降落点时移动的,如跟踪波浪、舰载机着陆等。 [0003] 1、静态跟踪制导现有设计方案。 [0004] 静态跟踪,最简单的制导设计是通过降落点向进场平飞高度设计两段折线轨迹线。通过两段式制导设计,无人机从进场平飞;转陡下滑,以固定的下滑轨迹角γ1下滑降落;当无人机距离降落点为X2时进入浅下滑段,以γ2为下滑轨迹角降落至目标点,如图1所示。 [0005] 无人机在降落过程中,为了保持飞行状态的稳定,通常需要将水平空速保持在一定值(不考虑风速时,指示空速等于水平速度),即水平速度指令为固定值Vg,那么无人机的下沉率指令就为Vg*sinγ。由于直线下滑段与浅下滑段下滑轨迹角不同,因此下沉率指令会有跳变,对无人机飞行状态的控制质量有很大影响。 [0006] 目前为了避免这种情况,现有设计方案在此基础上做了改进,设计出了指数段作为浅下滑段与直线下滑段过渡段的设计方案。即直线下滑段与指数段起始点相切,然后与浅下滑段交点为指数段结束点,如图2所示。 [0007] 此设计方案通过指数段过渡浅下滑段,保证了轨迹线的连贯性,保证了在指数段转换点,高度给定,下沉率给定的连贯性,在做状态切换时影响较小。但是在指数拉起段时,不能严格保证无人机速度和下沉率的连贯性,虽然此时指令跳变度,比直接从直线下滑段转浅下滑段小,但是指令不是严格平滑的曲线,连贯性还有待提高,进而控制质量有待提高。 [0008] 2、动态跟踪制导现有设计方案 [0009] 现有跟踪移动目标点的制导方案比较少,目前最常见动态制导方案是舰载机着陆在航母上的制导设计方案。其中理想着陆点为移动的甲板,在设计过程中二维和三维导引段是固定的下滑轨迹线,到达末端引导线,则根据当前理想着陆点运动距离实时设计一条末端直线轨迹线,跟踪理想降落点,如图3所示。 [0010] 此种设计方案,在末端制导时,由于末端制导直线是根据移动降落点实时生成,轨迹线的速度指令,下沉率指令甚至高度指令都会产生跳变,这对无人机飞行状态的控制质量有相当的影响。 [0011] 所以目前对动态目标以及静止目标,在设计无人机降落制导过程中,普遍存在的问题是,制导轨迹的平滑性不够,即存在控制指令跳变以及飞行控制状态的跳变问题。 发明内容[0012] 为了解决现有无人机降落制导过程中轨迹平滑性不足的问题,本发明旨在提供一种改进的制导方案,利用滤波技术提高无人机降落过程中的控制质量和稳定性。该方案旨在解决现有制导方案中控制指令和飞行状态在阶段转换时出现的跳变问题,从而改善无人机的飞行控制质量。 [0013] 该设计方案能够有效改善无人机降落过程中的轨迹平滑性,减小控制指令和飞行状态的跳变,从而提高降落过程的控制质量。无人机的降落操作将更加稳定和可靠,降低了操作风险和人为失误的可能性,并提高无人机降落过程的控制性能。 [0014] 为了实现本发明的目的,本发明采用以下技术方案加以实施: [0015] 一种无人机精确跟踪移动目标降落的动态制导方法,包括如下所述的步骤: [0016] S1、基于静态跟踪制导方法生成一条静止降落点制导轨迹线;其中,所述制导轨迹线包括直线下滑段、圆弧段和浅下滑段,从所述直线下滑段过度到所述浅下滑段是通过分别与所述直线下滑段和浅下滑段相切的圆弧段实现的; [0017] S2、在静止降落点制导轨迹线的基础之上,通过提前改变进入圆弧段开始点的高度生成动态降落点制导轨迹线,以实现跟踪动态移动降落点降落。 [0018] 作为本发明的优选方案,在S1中,所述过度的趋势是通过调节圆弧段的圆心角的大小来实现的。 [0019] 作为本发明的优选方案,根据所述圆弧段分别与所述直线下滑段和浅下滑相切的几何关系,可知圆弧段的开始点高度Hf、直线下滑段直线与浅下滑段直线的交点高度Hm和圆弧段结束点高度Hp的关系为,Hf=Hm+(Hm‑Hp)*sinγ1/sinγ2,其中,γ1、γ2分别为直线下滑段与浅下滑段的下滑轨迹角; [0020] 根据圆切角公式,可知γ3为:γ3=γ1‑γ2, [0021] 计算出圆弧的半径R,圆心距离降落点的高度Hy与水平距离Xy: [0022] R=(Hm‑Hp)/(sinγ2*tan(γ3/2)); [0023] Hy=Hf+R*cosγ3; [0024] Xy=X3‑R*sinγ2; [0025] 其中,X2为所述交点与降落点的水平距离、X3为结束点与降落点的水平距离、Xy为圆弧段圆心与降落点的水平距离; [0026] 根据下滑轨迹角γ1和γ2以及开始点高度Hf,计算出结束点和开始点距离降落点的水平距离,即: [0027] X3=Hp/sinγ2; [0028] Xf=X3+(cosγ2+cosγ1)*(Hm‑Hp)/sinγ2; [0029] 其中,Xf为开始点与降落点的水平距离。 [0030] 作为本发明的优选方案,在S2中,所述高度的计算过程: [0031] 假设提前拉起的水平位移为ΔX,那么就有ΔH=ΔX*tanγ1,由于是平移,所以圆弧圆心相比于原来圆弧圆心改变位移也为ΔX与ΔH, [0032] 根据几何关系可有如下等式: [0033] ΔH+Hf=(XY2+Xm‑n+R*sinγ2)*tanγ2+R*tan(γ3/2)*(sinγ1+sinγ2); [0034] 联立求解可知: [0035] ΔX*(tanγ1‑tanγ2)=Xm‑n*tanγ2。 [0036] 有益效果 [0037] 本发明的有益效果是提高了无人机降落过程的控制质量和稳定性,具体表现在以下几个方面: [0038] 改善轨迹平滑性:通过设计光滑的无人机降落制导轨迹曲线,控制指令和飞行状态的变化得到平滑处理,减小了跳变现象。这可以使降落过程中的无人机轨迹更加平稳和连续,减少了不必要的姿态调整,提高了降落的舒适性和安全性。同时,使得控制指令和飞行状态的变化更加平缓和连续。这样一来,无人机的飞行控制系统响应更为稳定,减少了控制系统对突变信号的过度反应,提高了降落过程的控制精度和稳定性。附图说明 [0039] 图1为现有技术中的无人机自主降落轨迹线; [0040] 图2为现有技术中的无人机静态跟踪制导轨迹线; [0041] 图3为现有技术中的无人机动态跟踪制导轨迹线; [0042] 图4为本发明基于静态跟踪制导方法生成的静止降落点制导轨迹线; [0043] 图5为图4所示的静止降落点制导轨迹线,通过提前改变进入圆弧段开始点的高度后的动态降落点制导轨迹线; [0044] 图6为图5所示的动态跟踪制导轨迹线的MATLAB仿真图。 具体实施方式[0045] 以下结合具体实施例,对本发明做进一步说明。应理解,以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。 [0046] 作为本发明的实施例,如图4‑图5所示,一种无人机精确跟踪移动目标降落的动态制导方法,包括如下所述的步骤: [0047] S1、基于静态跟踪制导方法生成一条静止降落点制导轨迹线;其中,所述静止降落点制导轨迹线包括直线下滑段、圆弧段和浅下滑段,从所述直线下滑段过度到所述浅下滑段是通过分别与所述直线下滑段和浅下滑段相切的圆弧段实现的; [0048] S2、在静止降落点制导轨迹线的基础之上,通过提前改变进入圆弧段开始点的高度生成动态降落点制导轨迹线,以实现跟踪动态移动降落点降落。 [0049] 本发明创造解决其技术问题所采用的技术设计方案是:为了保证无人机能准确跟踪移动的降落目标,且降落轨迹线是一条光滑的制导轨迹线,这样无人机的控制指令才不会产生跳变,控制质量能大大提高。制导轨迹线的具体设计是设计两段折线,其中通过圆弧将两段直线圆滑过渡,如图5所示。 [0050] 所述动态降落点制导轨迹线总共分成三段直线下滑段、圆弧段和浅下滑段。由于直线段与浅下滑段通过相切的圆弧段过渡,这种设计方式可以保证无人机从直线下滑段到浅下滑段的实际速度可以缓慢平滑过渡,保证了无人机飞行状态的关系。同时可以通过调节圆弧段圆心的大小,调整圆弧过渡段的过渡趋势,圆心角越大,过渡趋势越平缓。如图4所示,图4中圆弧段的开始点高度是Hf,两直线的交点高度是Hm,圆弧段结束点(浅下滑开始点)高度为Hp;同时对应点与降落点的水平距离(即,待飞距)分别为Xf、X2、X3,其中XY为圆弧段圆心距离降落点水平距离。因此根据三段相切的几何关系,可知三点的高度关系为: [0051] Hf=Hm+(Hm‑Hp)*sinγ1/sinγ2; [0052] 其中γ1、γ2分别为直线下滑段与浅下滑段的下滑轨迹角,同时根据圆切角公式,可知γ3为: [0053] γ3=γ1‑γ2; [0054] 同时可计算出圆弧的半径R,圆心距离降落点的高度Hy与水平距离Xy: [0055] R=(Hm‑Hp)/(sinγ2*tan(γ3/2)); [0056] Hy=Hf+R*cosγ3; [0057] Xy=X3‑R*sinγ2; [0058] 同时根据下滑轨迹角和开始点高度,可计算出各个点的待飞距(距离降落点水平距离),即: [0059] X3=Hp/sinγ2; [0060] Xf=X3+(cosγ2+cosγ1)*(Hm‑Hp)/sinγ2; [0061] 由以上公式联立可计算出对应阶段变化点的物理距离。在正常的无人机降落过程中,首先根据无人机飞行状态的特性分析,确定无人机的下滑轨迹角γ1、γ2。这时可以根据圆弧段开始点、圆弧段结束点和直线延长交点三者的高度,确定两个值,就能将圆弧半径,圆心距离降落点水平距离等确定出来,如表格 [0062] [0063] [0064] 无人机如此制导跟踪静态降落点,能保证飞机飞行状态平滑过渡,且控制指令不会产生突变,能平缓过渡。 [0065] 在跟踪静态降落点的基础上,改进制导设计方案,通过提前改变进入圆弧段的开始点,实现跟踪动态移动降落点,如图5所示。 [0066] 如图5所示,红色部分是通过提前拉起圆弧段所生成的动态降落点制导轨迹线,静止降落点制导轨迹线和动态降落点制导轨迹线前后两者圆弧段的半径R都是一样的,圆弧段长度也是一样,即相当于浅下滑段与圆弧段以γ2角度沿着直线下滑段斜向上平移一段距离,进而降落时比原来降落点水平方向飞行更远距离。所以通过控制提前拉起的高度,来实现跟踪移动目标。 [0067] 根据飞机的速度与降落点的速度,估计出降落到地面时,移动点与原来降落点的位移水平差Xm‑n。 [0068] 根据上述的位移水平差,在保持圆弧半径和下滑轨迹角不变的基础上,计算出提前拉起的圆弧段的高度,实现跟踪移动降落点。 [0069] 假设提前拉起的水平位移为ΔX,那么就有ΔH=ΔX*tanγ1,由于是平移,所以圆弧圆心相比于原来圆弧圆心改变位移也为ΔX与ΔH; [0070] 根据几何关系可有如下等式:ΔH+Hf=(XY2+Xm‑n+R*sinγ2)*tanγ2+R*tan(γ3/2)*(sinγ1+sinγ2); [0071] 联立求解可知: [0072] ΔX*(tanγ1‑tanγ2)=Xm‑n*tanγ2; [0073] 最终在静止降落点轨迹线的基础之上,通过跟踪移动降落点的位移,设计提前拉起圆弧段的高度来跟踪移动降落点。MATLAB仿真图如图6所示。 [0074] 本发明无人机制导设计,根据调整无人机期望的下滑轨迹角γ2与γ1、以及预估跟踪目标距离原降落点的距离Xm‑n、进入浅下滑的高度,进入圆弧段的高度的值,确定并设计出跟踪动态移动降落点的轨迹线。 [0075] 上面结合实施例/附图对本发明的技术方案作了详细说明,但是本发明并不限于上述技术方案,对于本技术领域的普通技术人员来说,在获知本发明中记载内容后,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对其作出若干同等变换和替代,这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。 |