一種小型無人機(jī)的航跡跟蹤算法

吳長勝

摘 要：航跡跟蹤算法是小型無人機(jī)航跡規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，為無人機(jī)姿態(tài)回路提供控制輸入。通過分析小型無人機(jī)的飛行模態(tài)，進(jìn)行航跡跟蹤算法設(shè)計(jì)。利用Matlab進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，此方案具有良好的航跡跟蹤性能。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)；飛行模態(tài)；航跡跟蹤；仿真試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0004-02

引言

無人機(jī)要求其具有較強(qiáng)的自主飛行控制能力，以適應(yīng)執(zhí)行飛行任務(wù)的需要，航跡跟蹤是實(shí)現(xiàn)小型無人機(jī)按預(yù)定航線飛行或執(zhí)行特定飛行模態(tài)的重要支撐技術(shù)，航跡跟蹤算法根據(jù)無人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、當(dāng)前位置、航線信息及對(duì)應(yīng)航線的側(cè)偏距等飛行數(shù)據(jù)，引導(dǎo)無人機(jī)順利進(jìn)入并穩(wěn)定在預(yù)定的航跡上[1]，通過自主導(dǎo)航、航跡跟蹤與姿態(tài)控制使無人機(jī)可靠執(zhí)行飛行任務(wù)。

1 小型無人機(jī)飛行模態(tài)

在飛行過程中，無人機(jī)飛行模態(tài)主要包括航線飛行、定點(diǎn)盤旋、指點(diǎn)飛行、返航等[2]。航線由根據(jù)既定飛行任務(wù)制定的多個(gè)航點(diǎn)進(jìn)行直連規(guī)劃的折線組成，航線飛行實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域的巡察任務(wù)；定點(diǎn)盤旋進(jìn)行固定目標(biāo)的連續(xù)偵察或通過該模態(tài)提供指示任務(wù)；指點(diǎn)飛行根據(jù)臨時(shí)任務(wù)引導(dǎo)無人機(jī)到指定位置完成任務(wù)；返航是無人機(jī)以最優(yōu)距離返回指定降落地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的回收任務(wù)。無人機(jī)在飛行過程中，根據(jù)任務(wù)性質(zhì)可進(jìn)行航線飛行、定點(diǎn)盤旋、指點(diǎn)飛行、返航等飛行模態(tài)的自由切換。

2 航跡跟蹤算法設(shè)計(jì)

航跡跟蹤算法通過機(jī)載GPS獲得無人機(jī)的當(dāng)前位置，計(jì)算無人機(jī)偏離預(yù)期航線的側(cè)偏距，并結(jié)合無人機(jī)姿態(tài)信息，進(jìn)行控制指令解算，通過姿態(tài)控制回路解算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量，從而消除無人機(jī)側(cè)偏距并修正飛行航跡[3][4]，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)空中航線飛行、定點(diǎn)盤旋、指點(diǎn)飛行及返航等飛行模態(tài)。

2.1 航線飛行

無人機(jī)航線跟蹤包括切入首航點(diǎn)、航線跟蹤、航線切換即轉(zhuǎn)彎飛行等階段。根據(jù)三個(gè)過程階段分別進(jìn)行跟蹤算法設(shè)計(jì)，滿足航線飛行需求。

2.1.1 首航點(diǎn)飛行

首航點(diǎn)飛行根據(jù)當(dāng)前無人機(jī)位置，結(jié)合首行點(diǎn)位置、首航線特征，判斷無人機(jī)優(yōu)先飛向首行點(diǎn)或首航線，首航點(diǎn)飛行調(diào)整算法如下：

上式為無人機(jī)優(yōu)先飛向首航點(diǎn)的調(diào)整算法，當(dāng)dc？叟k2du時(shí)，無人機(jī)優(yōu)先飛向首航線，調(diào)整算法采用航線跟蹤算法。

2.1.2 航線跟蹤

航線跟蹤根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前位置、速度、航向，結(jié)合當(dāng)前航線，通過航向偏差角與偏航距解算航向角速度，通過控制律實(shí)現(xiàn)航向控制，促使無人機(jī)快速貼近航線，完成航線跟蹤飛行[5]。航向跟蹤調(diào)節(jié)算法如下：

2.1.3 轉(zhuǎn)彎飛行

轉(zhuǎn)彎飛行主要是完成當(dāng)前航線與目標(biāo)航線的最優(yōu)切換，通過計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)彎距離、過點(diǎn)判斷進(jìn)行無人機(jī)轉(zhuǎn)彎與進(jìn)入目標(biāo)航線的連續(xù)跟蹤。最優(yōu)拐彎距離計(jì)算：

當(dāng)無人機(jī)與目標(biāo)航點(diǎn)的距離dc？燮dopt時(shí)，無人機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)彎飛行狀態(tài)。無人機(jī)采用半角判斷是否完成航線切換，如下圖所示，當(dāng)無人機(jī)轉(zhuǎn)過航線夾角的角平分線時(shí)即完成轉(zhuǎn)彎，進(jìn)入下一航線飛行。

2.2 定點(diǎn)盤旋

定點(diǎn)盤旋根據(jù)偵察任務(wù)需要對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行繞飛實(shí)現(xiàn)持續(xù)偵察或目標(biāo)指示[6][7]。結(jié)合無人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑與導(dǎo)引頭視場，規(guī)劃外切多邊形實(shí)現(xiàn)近圓盤旋飛行，可以直接復(fù)用航線飛行的跟蹤算法完成定點(diǎn)盤旋飛行。在設(shè)計(jì)多邊形航線時(shí)應(yīng)確保多邊形最大內(nèi)切圓半徑大于無人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑，并且在導(dǎo)引頭視場范圍之內(nèi)。

式中：Rn-多邊形最大內(nèi)切圓半徑；R-無人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑；Rs-導(dǎo)引頭視場半徑；V-無人機(jī)速度；？準(zhǔn)-無人機(jī)轉(zhuǎn)彎最大傾斜角；g-重力加速度。

2.3 指點(diǎn)飛行與返航

無人機(jī)指點(diǎn)飛行（返航）是根據(jù)當(dāng)前無人機(jī)位置與指定點(diǎn)（返航點(diǎn)）進(jìn)行直線規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)按照最短距離完成目標(biāo)點(diǎn)飛行。此時(shí)無人機(jī)僅實(shí)時(shí)調(diào)整航向，保證無人機(jī)準(zhǔn)確飛向指定點(diǎn)（返航點(diǎn)）。無人機(jī)指點(diǎn)飛行與返航時(shí)采用式2-1與式2-2進(jìn)行航向調(diào)整。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)小型無人機(jī)航跡跟蹤算法設(shè)計(jì)，利用Matlab進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證航跡跟蹤算法的可行性。在仿真分析中，式（2-1）中比例系數(shù)k1=-0.85，k2=3，最大角速度rmax=15°/s，式（2-3）中比例系數(shù)k3=-1.25，k4=-1，式（2-3）中比例系數(shù)K5=1，無人機(jī)速度V=30m/s。

4 結(jié)束語

本文研究了一種小型無人機(jī)的航跡跟蹤算法，通過Matlab仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，具有較好的航跡跟蹤性能。針對(duì)定點(diǎn)盤旋提出多邊形航線規(guī)劃，滿足目標(biāo)持續(xù)監(jiān)視效果，進(jìn)一步優(yōu)化航跡跟蹤算法設(shè)計(jì)。此航跡跟蹤算法立足平面化，未考慮無人機(jī)高度變化，在后續(xù)的研究中引入相對(duì)飛行高度，完善航跡跟蹤算法設(shè)計(jì)。

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