无人机集群三维曲线路径跟踪方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法及装置，所述方法包括：对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场；根据所述组合向量场确定期望飞行航迹角及其变化率，并根据所述期望飞行航迹角及其变化率为无人机三维曲线路径跟踪设计带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，以满足无人机的转向率和爬升率约束；用对地转向角与对地转向率代替原始的转向角和转向率，进行无人机集群三维曲线路径跟踪。

Three dimensional curve path tracking method and device for UAV cluster

【技术实现步骤摘要】
无人机集群三维曲线路径跟踪方法及装置
本专利技术涉及无人机跟踪
，尤其涉及一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法及装置。
技术介绍
在无人机集群的电力巡线、边界巡逻等应用中，通常会要求集群中无人机跟踪一条三维曲线路径飞行(如电线、边境线等)，而不对跟踪的时效性做出要求。实际任务中，可使无人机保持巡航速度飞行，仅通过改变其转向角和爬升角实现三维曲线路径跟踪。涉及的主要问题是转向角变化率(即转向率)和爬升角变化率(即爬升率)的控制输入值设计。设计的难点包括：1)不同于一条直线或一个圆的简单性，为三维空间中一条复杂的一般曲线路径的跟踪设计控制律是困难的；2)无论是固定翼无人机还是旋翼无人机，其转向率和爬升率都受到平台性能的限制，不可能无限大；3)无人机在飞行过程中受到风扰的影响。已有的技术专利技术存在的主要缺点如下：1)待跟踪路径均为具体的、简单的，多为二维直线、二维圆形、三维直线中的一种，而非三维空间中的一般曲线路径。2)路径跟踪方法多是基于纯追踪或视线的方法，这些方法较难实现、精度较低、控制代价较高。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法及装置，用以解决现有技术中如何为无人机设计控制律以实现对给定的三维曲线路径进行跟踪的问题。本专利技术实施例提供一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法，包括：对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场，其中，所述无人机装备有能输出自身的位置和速度信息的导航模块；根据所述组合向量场确定期望飞行航迹角及其变化率，并根据所述期望飞行航迹角及其变化率为无人机三维曲线路径跟踪设计带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，以满足无人机的转向率和爬升率约束；用对地转向角与对地转向率代替原始的转向角和转向率，进行无人机集群三维曲线路径跟踪，以消除风扰的影响，其中，风速小于无人机的空速，风速只有水平分量，没有垂直分量。本专利技术实施例还提供一种无人机集群三维曲线路径跟踪装置，包括：组合向量场模块，用于对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场，其中，所述无人机装备有能输出自身的位置和速度信息的导航模块；控制器设置模块，用于根据所述组合向量场确定期望飞行航迹角及其变化率，并根据所述期望飞行航迹角及其变化率为无人机三维曲线路径跟踪设计带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，以满足无人机的转向率和爬升率约束；替换模块，用于用对地转向角与对地转向率代替原始的转向角和转向率，进行无人机集群三维曲线路径跟踪，以消除风扰的影响，其中，风速小于无人机的空速，风速只有水平分量，没有垂直分量。本专利技术实施例还提供一种无人机集群三维曲线路径跟踪装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述无人机集群三维曲线路径跟踪方法的步骤。本专利技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述无人机集群三维曲线路径跟踪方法的步骤。采用本专利技术实施例，能实现无人机对三维一般曲线路径的跟踪，可以跟踪三维空间中很复杂的曲线路径，不再局限于二维空间的路径、具体简单路径。本专利技术实施例的技术方案属于向量场法，具有易实现、精度高、控制代价低的优势。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施例的无人机集群三维曲线路径跟踪方法的流程图；图2是本专利技术实施例的组合向量场到期望三维光滑星型路径的收敛示例的示意图；图3是本专利技术实施例的无人机三维光滑星型路径跟踪的飞行轨迹示例的示意图；图4是本专利技术实施例的无人机三维光滑星型路径跟踪的控制输入示例的示意图；图5a是本专利技术实施例的由4架无人机组成的无人机集群沿三维光滑星型曲线飞行在30秒时刻位置的示意图；图5b是本专利技术实施例的由4架无人机组成的无人机集群沿三维光滑星型曲线飞行在50秒时刻位置的示意图；图5c是本专利技术实施例的由4架无人机组成的无人机集群沿三维光滑星型曲线飞行在70秒时刻位置的示意图；图5d是本专利技术实施例的由4架无人机组成的无人机集群沿三维光滑星型曲线飞行在120秒时刻位置的示意图；图6是本专利技术一个实施例的无人机集群三维曲线路径跟踪装置的示意图；图7是本专利技术另一个实施例的无人机集群三维曲线路径跟踪装置的示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。首先对本专利技术实施例中涉及到的技术名词进行解释说明。空速：无人机相对于空气的速度。地速：考虑风扰的存在，无人机相对于当地地面的速度。对地转向角/率：考虑风扰的存在，无人机相对于当地地面的转向角/率。飞行航迹角：包括无人机的转向角和爬升角。飞行航迹角变化率：包括无人机的转向角关于时间的导数(转向率)和爬升角关于时间的导数(爬升率)。根据本专利技术实施例，提供了一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法，图1是本专利技术实施例的无人机集群三维曲线路径跟踪方法的流程图，如图1所示，根据本专利技术实施的无人机集群三维曲线路径跟踪方法具体包括：步骤101，对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场，其中，所述无人机装备有能输出自身的位置和速度信息的导航模块；具体地：由隐函数方程组{f(x,y,z)＝0,g(x,y,z)＝0}确定由两个曲面相交而成的二次可微的三维一般曲线路径其中(x,y,z)为空间三维坐标，且函数f(x,y,z)和g(x,y,z)关于x、y、z的所有一阶和二阶偏导数均存在，f(x,y,z)和g(x,y,z)的数值尺度即数量级一致；对二次可微的三维一般曲线路径构造如下组合向量场：其中，表示x对时间的导数，，下标d表示期望达到的值，vd为无人机期望达到的速度，Vg为无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法，其特征在于，包括：/n对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场，其中，所述无人机装备有能输出自身的位置和速度信息的导航模块；/n根据所述组合向量场确定期望飞行航迹角及其变化率，并根据所述期望飞行航迹角及其变化率为无人机三维曲线路径跟踪设计带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，以满足无人机的转向率和爬升率约束；/n用对地转向角与对地转向率代替原始的转向角和转向率，进行无人机集群三维曲线路径跟踪，以消除风扰的影响，其中，风速小于无人机的空速，风速只有水平分量，没有垂直分量。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机集群三维曲线路径跟踪方法，其特征在于，包括：
对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场，其中，所述无人机装备有能输出自身的位置和速度信息的导航模块；
根据所述组合向量场确定期望飞行航迹角及其变化率，并根据所述期望飞行航迹角及其变化率为无人机三维曲线路径跟踪设计带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，以满足无人机的转向率和爬升率约束；
用对地转向角与对地转向率代替原始的转向角和转向率，进行无人机集群三维曲线路径跟踪，以消除风扰的影响，其中，风速小于无人机的空速，风速只有水平分量，没有垂直分量。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条一般曲线路径，根据所述一般曲线路径的隐函数方程组，确定所述一般曲线路径的可全局收敛到曲线路径上的组合向量场，具体包括：
由隐函数方程组{f(x,y,z)＝0,g(x,y,z)＝0}确定由两个曲面相交而成的二次可微的三维一般曲线路径其中(x,y,z)为空间三维坐标，且函数f(x,y,z)和g(x,y,z)关于x、y、z的所有一阶和二阶偏导数均存在，f(x,y,z)和g(x,y,z)的数值尺度即数量级一致；
对二次可微的三维一般曲线路径构造如下组合向量场：









其中，表示x对时间的导数，下标d表示期望达到的值，vd为无人机期望达到的速度，Vg为无人机的地速，表示无人机当前位置(x,y,z)到曲线路径的距离，vc和vs分别为组成组合向量场的无旋向量场分量和螺线向量场分量，fx表示函数f(x,y,z)关于x的偏导数，其余类似；κ和s为组合向量场的两个可调整参数，κ＞0和s＝±1，其中，参数κ决定向量场收敛到三维一般曲线路径的速度，参数s决定向量场的收敛方向。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述组合向量场确定期望飞行航迹角及其变化率，具体包括：
计算期望飞行航迹角，其包括期望对地转向角χd和期望爬升角γd：






其中，atan2()为四象限正切函数；
计算期望飞行航迹角变化率，其包括期望对地转向率和期望爬升率
























其中，Fl、Gl、Hl均是关于f、fx、fy、fz、fxy、fxz、fyy、fyz、fzz、g、gx、gy、gz、gxy、gxz、gyy、gyz、gzz的函数，l＝1,2,3。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述期望飞行航迹角及其变化率为无人机三维曲线路径跟踪设计带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，具体包括：
设无人机的对地转向率和爬升率限制分别为和为使无人机在满足上述限制的同时实现对三维一般曲线路径的跟踪，分别为无人机的对地转向率和爬升率设计如下饱和控制器：






其中，sat()为饱和函数，kχ＞0和kγ＞0为反馈增益，χe＝<χ-χd>、γe＝<γ-γd>表示无人机的飞行航迹角与期望飞行航迹角的误差，算子<>表示将误差角度等价转换到区间(-π,π]。


5.一种无人机集群三维曲线路径跟踪装置，其特征在于，包括：
组合向量场模块，用于对每个无人机需要跟踪的三维空间中的一条...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵彦杰，梁月乾，杨毅，张尚斌，李志飞，王向峰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司电子科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11