巫艷明

一種無人直升機運動目標跟蹤控制系統(tǒng)設計

巫艷明

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

由于空間中目標運動具有的隨機性及感知傳感器自身測量范圍的約束，同時，考慮到無人直升機本身的機動性以及較優(yōu)的策略跟蹤目標等方面因素，僅通過控制無人直升機自身的運動實現(xiàn)對目標的實時跟蹤是不現(xiàn)實且不合理的，因此，設計了一種基于視覺傳感器、毫米波雷達及云臺控制的雙閉環(huán)結構的無人直升機運動目標跟蹤控制系統(tǒng)。

直升機；控制系統(tǒng)；云臺控制；視覺傳感器

1 運動目標跟蹤控制系統(tǒng)架構設計

控制系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

2 云臺跟蹤控制

式（1）中：v1，w1，vt，wc為雅可比矩陣。

設計的控制器為：c′=wc－1·（－v1·1－w1·1－vt·t－′·）。

由此可以得到系統(tǒng)閉環(huán)誤差方程：

為了便于后續(xù)控制器設計，定義如下狀態(tài)變換：

根據李雅普諾夫未定型理論可以設計如下控制器：

式（2）中：矩陣w1，v1，v，p可以計算，1和1可以直接測量，狀態(tài)變量和采用視覺傳感器對其進行估計獲得。

3 實際環(huán)境中的無人直升機路徑規(guī)劃

無人直升機多點軌跡規(guī)劃問題的描述可以用如下數(shù)學式表示：

Sigmoid 函數(shù)進行修正后的一般形式為：

該函數(shù)有：

maxk′（）=′（0）=（0）－2（0）=/4

maxk（）="（±1.316 9）=±0.096 2242

假設無人直升機的最大速度約束、最大加速度約束和最大初始位置誤差約束分別為max，max，max，則max=/4，max=±0.096 2242。

求出常用和，再根據max=max（0）=max（/1+）求出0，確保它的選擇滿足初始（終止）位置誤差約束。然后視位置函數(shù)的時間域0～0為加速段，在位置函數(shù)正中間內插一段勻速段0～（0+si），規(guī)劃的軌跡在此段時間域內保持最大飛行速度，（0+s）～2（0+si）為減速段，其中si表達式為。

最后視||i+1－i||與的關系來對值做進一步調整。

情況1：||i+1－i||≤時，選取=||i+1－i||。因此有si=0，此時加速度函數(shù)全程圓滑可導。

情況2：||i+1－i||>時，si≠0此時加速度函數(shù)在0和0+si兩點只是連續(xù)但不可導。

位置、速度、加速度函數(shù)可由下列公式計算得到：

引入正常數(shù)：

位置函數(shù)在三維空間的運動方程表示如下：

速度函數(shù)在三維空間的運動方程表示如下：

加速度函數(shù)在三維空間的運動方程表示如下：

綜上，基于Sigmoid函數(shù)的軌跡規(guī)劃的步驟為：首先根據某型無人直升機的速度和加速度約束max，max確定，，再由最大位置誤差約束max確定0，在給出系列路徑點坐標1，2，4，…，n，令=1，軌跡規(guī)劃時間s=0，隨后執(zhí)行如下步驟。

步驟1：考慮路徑點i和i+1，||i+1－i||與的關系按情況1和情況2來調整及勻速段時間。

步驟2：計算值及在，，軸上的分量。

步驟3：規(guī)劃出無人直升機在i至i+1的飛行軌跡。

步驟4：當||（）－i+1||

4 無人直升機飛行控制器設計

在得到了期望的位姿信息和速度信息后，需要對飛行控制器進行設計，以便使無人直升機可以按照期望的狀態(tài)飛行，無人直升機飛行控制系統(tǒng)如圖2所示。

其中，每個控制器的傳遞函數(shù)由下式給出：

式（3）中：Kp，Ki，Kd為控制增益。

整個無人直升機運動目標跟蹤路徑規(guī)劃的算法流程范圍分為五大部分：視覺運動目標跟蹤、云臺控制技術、無人直升機目標跟蹤策略與路徑規(guī)劃控制和無人直升機飛行控制器，結合視覺目標跟蹤技術算法和基于Sigmoid函數(shù)的軌跡規(guī)劃方法以及云臺控制技術，得到某型無人直升機算法的整體流程：①無人直升機和運動目標狀態(tài)初始化；②通過無人直升機上視覺傳感器對運動目標狀態(tài)的量測；③將處理結果作為輸入，進行云臺的控制，使目標在攝像機視野中心，同時，量測結果也作為輸入，利用目標跟蹤算法進行目標跟蹤；④所得運動目標狀態(tài)估計作為基于Sigmoid函數(shù)的軌跡規(guī)劃的參考點，根據某型無人直升機參數(shù)計算期望無人直升機的坐標；⑤重復步驟②③④直到形成無人直升機整個規(guī)劃路徑；⑥無人直升機按照規(guī)劃路徑飛行。無人直升機實際跟蹤飛行軌跡如圖3所示。

圖3 無人直升機實際跟蹤飛行軌跡

5 路徑規(guī)劃仿真驗證

為了測試上述設計的控制性能，本文進行了仿真試驗驗證。設定目標以100 km/h的速度按照預定正方形軌跡進行勻速運動（某型無人直升機巡航速度為120 km/h），根據相關機型參數(shù)（機長7.3 m，機高2.3 m，主旋翼直徑6.3 m，尾旋翼直徑1.08 m），設定無人直升機和目標安全距離為15 m。在無人直升機視野中發(fā)現(xiàn)跟蹤目標，根據跟蹤策略，以最短時間和最小距離為前提，給出跟蹤目標的最優(yōu)路徑，隨后無人直升機按照最優(yōu)軌跡飛行，并準確跟蹤目標。圖像中目標軌跡與軌跡誤差如圖4、圖5所示。

圖4 圖像中目標軌跡

圖5 圖像中軌跡誤差

［1］辛哲奎.基于視覺的小型無人直升機地面目標跟蹤技術研究［D］.天津：南開大學，2010.

［2］陳雯雯，劉明，雷建和，等.基于Sigmoid函數(shù)的四旋翼無人機軌跡規(guī)劃算法［J］.控制工程，2016（6）：922-927.

〔編輯：張思楠〕

V279

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.012

2095－6835（2019）13－0028－03

巫艷明（1989—），男，本科，助理工程師，研究方向為無人直升機總體設計。