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    基于姿態(tài)率控制的無人機目標跟蹤算法

    2014-07-03 06:08:12周洪霞唐金元
    兵器裝備工程學報 2014年4期
    關(guān)鍵詞:抗風性固定翼航跡

    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.

    [2]Kirk E D.Optimal Control Theory[M].Englewood Cliffs,New Jersey,USA:Prentice-Hall,1970.

    [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.

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