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        基于姿態(tài)率控制的無人機(jī)目標(biāo)跟蹤算法

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

        周洪霞,高 飛,任 劍,唐金元

        (海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū),山東 青島 266041)

        隨著各國防空技術(shù)的進(jìn)步,使用無人機(jī)的偵察作戰(zhàn)能力進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī),具有低空低速、體積小、噪音低、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn),將成為一種偵察探測地面目標(biāo)的有效手段[1]。

        無人機(jī)航跡規(guī)劃主要包括靜態(tài)航跡規(guī)劃和動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃2 個(gè)方面[2,3]。靜態(tài)航跡規(guī)劃是在無人機(jī)起飛前,綜合考慮所有已知的約束及威脅,通過使用計(jì)算機(jī)等手段尋找出一條最優(yōu)航跡作為預(yù)定航跡[4]。動(dòng)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(jī)上的傳感器探測到或通過通信鏈被無人機(jī)感知到時(shí),由機(jī)上重規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行的更改預(yù)定航跡的過程,是在飛行中進(jìn)行的,對實(shí)時(shí)性有很高的要求。動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃可以根據(jù)在線探測到的態(tài)勢變化,實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)重規(guī)劃任務(wù)目標(biāo)的能力,是無人機(jī)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(jī)目標(biāo)跟蹤算法屬于無人機(jī)動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃,該算法指引無人機(jī)跟蹤地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

        1 算法描述

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

        圖1 無人機(jī)和目標(biāo)相對位置圖

        由圖1 可知,可以使用下面的公式來描述目標(biāo)跟蹤問題:

        其中ρd為無人機(jī)與目標(biāo)的理想距離,可以為無人機(jī)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(dǎo)無人機(jī)跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)的仿真圖,左為航跡圖,其中三角形為目標(biāo)航跡,藍(lán)色的線代表無人機(jī)航跡;在右圖中,隨著時(shí)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(dǎo)無人機(jī)對機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)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(jī)速度是無人機(jī)自身測得的相對速度,所以算法抗風(fēng)性較好。

        圖2 無人機(jī)跟蹤靜止目標(biāo)

        圖3 無人機(jī)跟蹤勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

        圖4 無人機(jī)跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)

        3 結(jié)束語

        本文針對提高固定翼無人機(jī)對機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤效果,提出了一種基于姿態(tài)率控制的無人機(jī)跟蹤算法。根據(jù)無人機(jī)的機(jī)動(dòng)特性對系統(tǒng)進(jìn)行了建模,并對基于姿態(tài)率控制的無人機(jī)跟蹤算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,由于該算法使用的無人機(jī)速度是無人機(jī)自身測得的相對速度,所以算法抗風(fēng)性較好,從而保證了無人機(jī)跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)的可靠性。該研究對提高無人機(jī)跟蹤目標(biāo)的可靠性,從而加強(qiáng)無人機(jī)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(biāo)的小型無人機(jī)飛行控制仿真研究[J]. 科學(xué)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.

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        [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.

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