基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法技术

本发明专利技术提供了一种基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法，先确定飞行器的三维飞行可行域ΩF；然后采用以引导长度为调节参数的三维非线性制导算法对目标航迹进行跟踪，当飞行器在飞行可行域之外时，采用满足要求的最小引导长度作为基准引导长度，当飞行器在飞行可行域之内时，采用满足要求的最大引导长度作为基准引导长度；基准引导长度乘以适当的安全系数后，作为最终引导长度。在确定最终引导长度之后，计算完成引导航迹所需的三维向心力，然后将其映射到各轴气动力增量上作为控制系统输出。其基于可行域约束解决了非线性制导算法中引导长度选择缺乏依据的问题，实现了航迹跟踪过程中飞行安全、跟踪精度与稳定性等要求的自适应调节。

【技术实现步骤摘要】
基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法
本专利技术属于飞行器导航制导与控制
，具体涉及一种基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法。
技术介绍
现有飞行器航迹跟踪方法中，非线性制导算法由于具有较好的稳态精度与抗风能力而得以广泛关注。然而，该算法通常仅应用在飞行器二维平面航迹的跟踪上，并且引导长度的选择过于依赖经验，致使其在实际使用过程中，跟踪性能与飞行稳定性时常无法保证，从而使得被控航迹经常出现较大的超调和震荡。
技术实现思路
针对现有的飞行器航迹跟踪方法中，具有良好性能的非线性制导算法仅应用在航向轨迹跟踪，且其引导长度的选择过于依赖经验，无法保持飞行稳定性的问题，本专利技术提供了基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法，包括以下步骤：S1在飞行器的目标航迹的周围，确定飞行器的三维飞行可行域ΩF。三维飞行可行域ΩF是根据飞行器自身特性、外界环境限制、飞行任务需求以及跟踪精度要求等确定的。S2采用以引导长度为调节参数的三维非线性制导算法对目标航迹进行跟踪，当飞行器在飞行可行域之外时，采用满足要求的最小引导长度作为基准引导长度，当飞行器在飞行可行域之内时，采用满足要求的最大引导长度作为基准引导长度；基准引导长度乘以适当的安全系数后，作为最终引导长度。S3在确定最终引导长度之后，计算完成引导航迹所需的三维向心力，然后将其映射到各轴气动力增量上作为控制系统输出。在本专利技术S1中，根据飞行器自身特性、外界环境限制、飞行任务需求以及跟踪精度要求，在飞行器的目标航迹的周围，确定飞行器的三维飞行可行域ΩF，方法如下：S1.1在飞行器的目标航迹的周围，根据不断更新的飞行任务数据和外界环境数据，计算出四个基本的空间可行域；(1)飞行器自身特性包括但不限于飞行速度以及续航时间等飞行器自身的特征参数，由飞行器自身特性确定空间可行域Ω1，当飞行器航迹超出该空间可行域Ω1时，会造成不可接受的额外能量消耗或使飞行器的飞行安全性受到明显挑战。(2)飞行任务需求包括但不限于观测设备的覆盖需求、通讯设备的链路需求、编队飞行器队型保持需求等，由飞行器的飞行任务需求确定空间可行域Ω2；(3)外界环境限制包括但不限于为了规避障碍物、降低大气干扰等，由外界环境限制而确定的空间可行域Ω3；(4)由跟踪精度要求确定的空间可行域Ω4。上述四个可行域的确定方法，即根据某方面限制条件，推导和计算飞行器在目标航线周围空间约束的方法，是本领域的常规方法。在实际应用中，可以由设计人员直接根据当前飞行器的自身特性、外界环境限制、飞行任务需求以及跟踪精度要求直接给定上述四个空间可行域。S1.2计算S1.1中四个空间可行域的交集Ω0＝Ω1∩Ω2∩Ω3∩Ω4；S1.3为了降低空间可行域边界对飞行器的加速度、角加速度、姿态角的控制需求，避免飞行器在可行域边界发生震荡，对这个交集Ω0的外边界做平滑和过渡处理，从而形成飞行器的三维飞行可行域ΩF。为了降低空间可行域边界对飞行器的加速度、角加速度、姿态角的控制需求，先设定一个飞行器较容易实现的最大边界曲率kbd，其值作为控制参数可根据安全性需求进行调整，但不得大于飞行器的最小盘旋半径的倒数。为了避免飞行器在可行域Ω0的外边界发生震荡，对四个基本的空间可行域的交集Ω0的外边界做平滑和过渡处理，使得其曲率不大于最大边界曲率kbd，从而形成飞行器的三维飞行可行域ΩF。对交集Ω0的外边界平滑和过渡处理的方法包括但不限于以下两种方法：(1)在超出最大边界曲率kbd的交集Ω0的外边界曲面周围，用半径为1/kbd的球面与交集Ω0的外边界内部相切，以该球面代替超出最大边界曲率的曲面部分；(2)对交集Ω0的外边界曲面进行滤波：假设交集Ω0的外边界上任意一点的坐标用(x,y0(x),z0(x))表示，从飞行目标航迹起始点周围开始生成一个新的曲面，新曲面上与(x,y0(x),z0(x))对应点的坐标值为(x,yF(x),zF(x))，二者满足关系式yF(x)＝αyF(x-1)+(1-α)y0(x)，zF(x)＝αzF(x-1)+(1-α)z0(x)，其中0＜α＜1为滤波系数，其边界条件(即x＝0时)为yF(0)＝y0(0),zF(0)＝z0(0)。本专利技术S2，通过以下步骤实现：S2.1根据飞行器的当前飞行速度、最大安全姿态角、最大舵偏角、最大可用推力，确定飞行器的最大法向加速度aM：其中，m为飞行器的总质量，FnM为最大法向力，是飞行器所受法向力矢量的模的最大值；定义飞行器航迹坐标系，其原点在飞行器质心，X轴沿飞行速度方向，Z轴在竖直平面内垂直于X轴指向下，Y轴垂直于XZ平面指向飞行器右侧机翼。飞行器所受的法向力矢量在航迹坐标系中，表示为其中，ρ是空气密度，g是重力加速度，V是飞行器速度，S是整机机翼面积，φ是滚转角，γ是爬升角；TY,TZ是推力在航迹坐标系Y轴和Z轴上的分量；CY与CL分别是侧力系数和升力系数，受到迎角和侧滑角的影响，其具体取值通常依据试验数据得到或者根据气动软件估算得到，这是本领域的常规取值方法；而迎角是俯仰角与爬升角之差，飞行器爬升角由于惯性有短期保持能力，通常通过升降舵调整俯仰角，以使迎角改变；侧滑角是偏航角和航迹偏角之差，飞行器航迹偏角由于惯性有短期保持能力，通常通过方向舵调整偏航角，以使侧滑角改变；这是本领域的公知常识；S2.2根据飞行器的最大法向加速度aM，以及飞行器当前的飞行速度V，确定飞行器的最小转弯半径Rm：S2.3根据飞行器的最小转弯半径Rm，确定飞行器最小引导圆的圆心A1，从而可以确定最小转弯半径Rm对应的飞行器的引导航迹，该引导航迹也为飞行器的最短引导航迹；最短引导航迹与目标航迹的交点即为最近引导点G1，最近引导点G1与飞行器质心O的直线距离即为最小引导长度Lm。确定飞行器其转弯半径对应的飞行器的引导航迹的方法如下：如图2所示，过飞行器的质心O点，作垂直于飞行器当前速度矢量的法平面T，同时包含飞行器当前速度矢量与最大法向加速度矢量的平面即为引导平面S；(说明：图2是平面图，其作图平面即为引导平面S，是三维空间的一个剖面，法平面T垂直于引导平面中的一个向量因此也垂直于引导平面S，故法平面T在引导平面S上的投影为一条直线，即图2中OT)对于飞行器其转弯半径为飞行器的最小转弯半径Rm，在引导平面S与法平面T的交线上，与飞行器的质心O点距离为Rm的点即最小转弯半径Rm对应的引导圆的圆心，且该圆心即为最小引导圆的圆心A1；在引导平面S上，以A1为圆心、最小转弯半径Rm为半径作一条劣弧，即为最小转弯半径Rm对应的飞行器的引导航迹，且该引导航迹为飞行器的最短引导航迹，最短引导航迹与目标航迹的交点即为最近引导点G1；最近引导点G1与飞行器质心O的直线距离即为最小引导长度Lm。S2.4判断当前飞行器在飞行可行域ΩF之外还是飞行可行域ΩF之内；如果飞行器在飞行可行域ΩF之外，则将最小引导长度Lm作为基准引导长度Lk；如果飞行器在飞行可行域ΩF之内，则逐渐增加飞行器的转弯半径，按照步骤S2.3的方法，确定不同转弯半径对应的飞行器的引导航迹，直到飞行器的引导航迹与飞行可行域ΩF的边界相切，此时飞行器的的转本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1在飞行器的目标航迹的周围，确定飞行器的三维飞行可行域ΩF；S2采用以引导长度为调节参数的三维非线性制导算法对目标航迹进行跟踪，当飞行器在飞行可行域之外时，采用满足要求的最小引导长度作为基准引导长度，当飞行器在飞行可行域之内时，采用满足要求的最大引导长度作为基准引导长度；基准引导长度乘以适当的安全系数后，作为最终引导长度。S3在确定最终引导长度之后，计算完成引导航迹所需的三维向心力，然后将其映射到各轴气动力增量上作为控制系统输出。

【技术特征摘要】
1.基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1在飞行器的目标航迹的周围，确定飞行器的三维飞行可行域ΩF；S2采用以引导长度为调节参数的三维非线性制导算法对目标航迹进行跟踪，当飞行器在飞行可行域之外时，采用满足要求的最小引导长度作为基准引导长度，当飞行器在飞行可行域之内时，采用满足要求的最大引导长度作为基准引导长度；基准引导长度乘以适当的安全系数后，作为最终引导长度。S3在确定最终引导长度之后，计算完成引导航迹所需的三维向心力，然后将其映射到各轴气动力增量上作为控制系统输出。2.根据权利要求1所述的基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法，其特征在于，S1中，根据飞行器自身特性、外界环境限制、飞行任务需求以及跟踪精度要求，在飞行器的目标航迹的周围，确定飞行器的三维飞行可行域ΩF，方法如下：S1.1在飞行器的目标航迹的周围，根据不断更新的飞行任务数据和外界环境数据，计算出四个基本的空间可行域；(1)飞行器自身特性包括但不限于飞行速度以及续航时间，由飞行器自身特性确定空间可行域Ω1；(2)飞行任务需求包括但不限于观测设备的覆盖需求、通讯设备的链路需求、编队飞行器队型保持需求，由飞行器的飞行任务需求确定空间可行域Ω2；(3)外界环境限制包括但不限于为了规避障碍物、降低大气干扰，由外界环境限制而确定的空间可行域Ω3；(4)由跟踪精度要求确定的空间可行域Ω4；S1.2计算S1.1中四个基本的空间可行域的交集Ω0＝Ω1∩Ω2∩Ω3∩Ω4；S1.3设定飞行器的最大边界曲率kbd，对四个基本的空间可行域的交集Ω0的外边界做平滑和过渡处理，使得其曲率不大于最大边界曲率kbd，从而形成飞行器的三维飞行可行域ΩF。3.根据权利要求1所述的基于可行域约束的无人飞行器三维航迹自适应跟踪方法，其特征在于，S2通过以下步骤实现：S2.1根据飞行器的当前飞行速度、最大安全姿态角、最大舵偏角、最大可用推力，确定飞行器的最大法向加速度aM；S2.2根据飞行器的最大法向加速度aM，以及飞行器当前的飞行速度V，确定飞行器的最小转弯半径Rm，S2.3根据飞行器的最小转弯半径Rm，确定飞行器最小引导圆的圆心A1，从而可以确定飞行器的最短引导航迹；最短引导航迹与目标航迹的交点即为最近引导点G1，最近引导点G1与飞行器质心O的直线距离即为最小引导长度Lm；S2.4判断当前飞行器在飞行可行域ΩF之外还是飞行可行域ΩF之内；如果飞行器在飞行可行域ΩF之外，则将最小引导长度Lm作为基准引导长度Lk；如果飞行器在飞行可行域ΩF之内，则逐渐增加飞行器的转弯半径，按照步骤S2.3的方法，确定不同转弯半径对应的飞行器的引导航迹，直到飞行器的引导航迹与飞行可行域ΩF的边界相切，此时飞行器的的转弯半径为最大转弯半径R2，接着确定最大转弯半径R2对应的飞行器最大引导圆的圆心A2，从而确定飞行器的最远引导航迹，最远引导航迹与目标航迹的交点即为最远引导点G2，飞行器质心O与最远引导点G2的直线距离即为最大引导长度LM，将最大引导长度LM作为基准引导长度Lk；即其中O是飞行器质心的位置坐标；S2.5将基准引导长度乘以设定的安全系数w，作为最终引导长度LF。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈清阳，贾高伟，侯中喜，郭正，郭天豪，高俊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43