基于姿態(tài)率控制的無人機目標跟蹤算法

周洪霞，高 飛，任 劍，唐金元

(海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

隨著各國防空技術(shù)的進步，使用無人機的偵察作戰(zhàn)能力進行遠程精確打擊是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的有效手段。小型固定翼無人機，具有低空低速、體積小、噪音低、經(jīng)濟性好的特點，將成為一種偵察探測地面目標的有效手段［1］。

無人機航跡規(guī)劃主要包括靜態(tài)航跡規(guī)劃和動態(tài)航跡規(guī)劃2 個方面［2，3］。靜態(tài)航跡規(guī)劃是在無人機起飛前，綜合考慮所有已知的約束及威脅，通過使用計算機等手段尋找出一條最優(yōu)航跡作為預(yù)定航跡［4］。動態(tài)航跡規(guī)劃是在飛行過程中，一些事先未知的威脅或環(huán)境變化被飛機上的傳感器探測到或通過通信鏈被無人機感知到時，由機上重規(guī)劃系統(tǒng)進行的更改預(yù)定航跡的過程，是在飛行中進行的，對實時性有很高的要求。動態(tài)航跡規(guī)劃可以根據(jù)在線探測到的態(tài)勢變化，實時或近實時重規(guī)劃任務(wù)目標的能力，是無人機飛行控制系統(tǒng)所期望的［5］。

本文研究的基于姿態(tài)率控制的固定翼無人機目標跟蹤算法屬于無人機動態(tài)航跡規(guī)劃，該算法指引無人機跟蹤地面運動目標。

1 算法描述

由于無人機的飛行控制受到風的干擾影響較大，所以研究一種可以抗風的無人機航跡規(guī)劃算法顯得尤為重要。本節(jié)利用無人機和目標的相對速度和位置進行建模，推導一種基于無人機姿態(tài)控制的跟蹤算法［6］。

圖1 無人機和目標相對位置圖

由圖1 可知，可以使用下面的公式來描述目標跟蹤問題:

其中ρd為無人機與目標的理想距離，可以為無人機的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

2 算法仿真

圖2、圖3 和圖4 為基于姿態(tài)率控制的算法引導無人機跟蹤機動目標的仿真圖，左為航跡圖，其中三角形為目標航跡，藍色的線代表無人機航跡;在右圖中，隨著時間的增長，ρ趨于穩(wěn)定。由圖可以看出該算法可以很好地引導無人機對機動目標進行持續(xù)跟蹤偵查，并且效果穩(wěn)定。由于該算法使用的無人機速度是無人機自身測得的相對速度，所以算法抗風性較好。

圖2 無人機跟蹤靜止目標

圖3 無人機跟蹤勻速運動目標

圖4 無人機跟蹤機動目標

3 結(jié)束語

本文針對提高固定翼無人機對機動目標的跟蹤效果，提出了一種基于姿態(tài)率控制的無人機跟蹤算法。根據(jù)無人機的機動特性對系統(tǒng)進行了建模，并對基于姿態(tài)率控制的無人機跟蹤算法進行了仿真。仿真結(jié)果表明，由于該算法使用的無人機速度是無人機自身測得的相對速度，所以算法抗風性較好，從而保證了無人機跟蹤機動目標的可靠性。該研究對提高無人機跟蹤目標的可靠性，從而加強無人機的軍事應(yīng)用有重要意義。

［1］李志宇，徐燁峰，楊國梁.跟蹤海面目標的小型無人機飛行控制仿真研究［J］. 科學技術(shù)與工程，2008（3）:1374-1378.

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［3］Lawrence D A.Lyapunov Vector Fields for UAV Flock Coordination［C］// 2nd AIAA“Unmanned Unlimited”Systems，Technologies，and Operations-Aerospace. San Diego，California，USA，2003.

［4］Singer R A.Estimating optimal tracking filter performance for manned maneuvering targets［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems.1970，6（7）:473- 483.

［5］DAM Frazzoli E，F(xiàn)eron E. Real-Time Motion Planning for Agile Autonomous Vehicles［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2002（25）:116-129.

［6］Zhiyuan Li，Naira Hovakimyan.Vision-based Target Tracking and motion estimation using a small UAV［C］//IEEE conference on decision and control.［S.l.］:［s.n.］，2010.

［7］Dobrokhodov V N，Kaminer I I，Jones K D，et al.Vision-based tracking and motion estimation for moving targets using small UAVs［C］//AIAA Guidance，Navigation and Control Conference and Exhibit.［S.l.］:［s.n.］，2006.

［8］王俊，周樹道，朱國濤，等. 無人機航跡規(guī)劃常用算法［J］.火力與指揮控制，2012（8）:5-8.