一种仅基于视线测量信息的无人机编队相对状态估计方法技术

本发明专利技术属于无人机集群编队技术领域，提供一种仅基于视觉测量新息的固定翼无人机编队的相对状态估计方法。首先测量相邻无人机的视线高低角q

【技术实现步骤摘要】
一种仅基于视线测量信息的无人机编队相对状态估计方法


[0001]本专利技术属于无人机集群编队
，特别是涉及一种仅基于视觉测量新息的固定翼无人机编队的相对状态估计方法。

技术介绍

[0002]信息的感知与交互是无人集群编队协同的基础。当前集群编队协同的研究主要集中于实现各无人机飞行时间、空间位置和任务功能的协同，其中时间协同侧重于各飞行器飞行时间的交互，空间协同侧重于各飞行器位置、速度等状态的交互，而功能协同则侧重于各无人平台载荷特性互补与增强的协同。通信是集群编队协同所需信息的主要手段，目前编队稳定条件下的通信拓扑约束和有限通信带宽条件下的编队协同已得到深入研究，基于通信的集群编队协同技术有效性也在试验和应用中得到广泛验证。但在实际应用中无人机集群商演坠机等事件也暴漏了通信在电磁干扰环境下易受干扰，信息交互可靠性降低的缺点，严重影响了集群协同的效果。
[0003]视觉感知是集群编队获取空间协同需要信息的重要补充手段。相比于通信，视觉感知信息不受电磁干扰，可显著提高集群编队对复杂环境的适应能力。此外，通信作为一种典型的信息有源感知和交互手段，在敏感争议地区执行任务的通信集群容易暴漏，视觉感知具有较强的隐蔽性，且可同时完成对合作目标与非合作目标的信息感知，实现编队协同和目标搜索侦察等多项任务。目前视觉已广泛应用于无人系统的导航，但在编队协同领域的应用还较少，这主要受限于目前的视觉图像处理算法主要用于目标辨识，而编队空间协同依赖于相对状态的估计，需要利用图像完成相邻无人机状态的估计，这不仅仅要完成目标的辨识，还要完成目标外形特征部位的辨识后，并结合目标外形先验信息、视觉传感器等先验信息才能准确结算相对状态。为保证相对状态的估计精度，目标视觉成像质量和目标先验信息可信度都要满足较高的要求，同时无人机运动时可能会引起机身特征部分遮挡，降低了该方法的可用性。

技术实现思路

[0004]本专利技术结合固定翼无人机的运动特性，提出了基于仅基于视线的目标相对状态信息估计方法。与现有基于视觉图像辨识特征部分结算相对运动状态的思路不同，本专利技术只需要测量相邻无人机的视线高低角和方位角信息，极大的降低了相对状态估计对视觉信息测量的要求，提高了视觉作为集群获取协同信息重要补充手段的实用性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于视线测量信息的无人机编队相对状态估计方法，包括如下步骤：
[0007]第一步：配置视觉传感器，准确测量相邻无人机的视线高低角q
ε
和方位角q
β
；
[0008]第二步：搜索与锁定目标固定翼无人机，确保目标固定翼无人机在观测固定翼无人机见光吊舱图像下；
[0009]第三步：测量观测固定翼无人机飞行状态和吊舱框架角；
[0010]第四步：根据步骤三所得数据计算视线角；
[0011]第五步：观测固定翼无人机主动机动，估计目标固定翼无人机初始状态；
[0012]固定翼无人机执行任务时，飞行速度大小、航向角变化率和高度在短时间内视为常值，基于此，令观测固定翼无人机保持其当前巡航水平飞行速度的情况下，以常爬升率机动；在机动期间不断解算其与目标固定翼无人机的视线，依次记为
[0013]基于目标固定翼无人机飞行速度大小、航向角变化率和高度短时间内视为常值的假设，其运动特性由下式表示：
[0014][0015]其中x
g,l
、y
g,l
和z
g,l
分别表示目标固定翼无人机在东北天惯性坐标系下的位置，v
l
和ψ
v,l
分别表示无人机的速度大小和航向角，ω
l
为无人机的航向角变化率；为避免目标固定翼无人机位置求解时因航向角速度为零出现歧义，目标固定翼无人机各时刻的位置解析表达式需分情况讨论；
[0016](1)工况1：目标固定翼无人机直线运动
[0017]若观测固定翼无人机各时刻视线与水平面的交点共线，则目标固定翼无人机做直线运动，记观测初始时刻为0，则目标固定翼无人机各时刻的位置解析表达式为：
[0018][0019]结合观测固定翼无人机各时刻的位置解算目标固定翼无人机的视线角，即有：
[0020][0021]其中：
[0022][0023]式中x
g,f
、y
l,g
和z
g,f
为僚机状态；记各时刻观测固定翼无人机利用上式估算得到的
视线信息为则目标固定翼无人机初始时刻的x
g,l,0
、y
g,l,0
和z
g,l,0
确定，确定，因此各时刻视线信息视为以X0为变量的函数：
[0024]X0＝[x
g,l,0
,y
g,l,0
,z
g,l,0
,v
l,0
,ψ
v,l,0
]T
[0025]考虑各时刻视线单位方向矢量的测量偏差，以观测固定翼无人机各时刻的视线单位方向矢量估计值与测量值的平方差和J最小为目标，确定X0；
[0026][0027]即：
[0028][0029]其中
[0030][0031][0032]W＝diag(W1,W2,...,W
n
)
[0033][0034]式中R
e
为视线单位方向矢量的测量协方差，即视线高低角和方位角的测量偏差分别为σ
qε
和σ
qβ
，则
[0035][0036]其中：
[0037][0038]实际计算时，各时刻的权重W1、W2、
…
、W
n
由当前时刻的视线角利用上式求得；
[0039]记为X0的最优估计值，则各时刻的视线单位矢量测量值用下式近似：
[0040][0041]则J中表示为：
[0042][0043]相应有
[0044]J＝(Δe
LOS
‑
HΔX)
T
W(Δe
LOS
‑
HΔX)
[0045]其中：
[0046][0047]H＝diag(h1,h2,...,h
n
)
[0048][0049][0050][0051]对于一X0，若J取值最小时，应有：
[0052][0053]即有：
[0054]ΔX＝(H
T
WH)
‑1H
T
WΔe
LOS
[0055]其中：
[0056][0057]与之对应：
[0058][0059]其中：
[0060][0061]利用上式确定ΔX后，首先按下式更新X0：
[0062]X0＝X0+ΔX
[0063]然后以更新后的X0计算ΔX，并按上式更新得到新的X0，不断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仅基于视线测量信息的无人机编队相对状态估计方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：根据视觉集群编队规模，确定视觉传感器型号；第二步：搜索并锁定目标固定翼无人机，确保目标固定翼无人机在观测固定翼无人机见光吊舱图像下；第三步：测量观测固定翼无人机飞行状态、视线角、吊舱框架角；第四步：根据步骤三计算观测固定翼无人机与目标固定翼无人机视线角；第五步：观测固定翼无人机主动机动，估计目标固定翼无人机初始状态；固定翼无人机执行任务时，飞行速度大小、航向角变化率和高度在短时间内视为常值，基于此，令观测固定翼无人机保持其当前巡航水平飞行速度的情况下，以常爬升率机动；在机动期间不断解算其与目标固定翼无人机的视线，依次记为，基于目标固定翼无人机飞行速度大小、航向角变化率和高度短时间内视为常值的假设，其运动特性由下式表示：其中x
g,l
、y
g,l
和z
g,l
分别表示目标固定翼无人机在东北天惯性坐标系下的位置，v
l
和ψ
v,l
分别表示无人机的速度大小和航向角，ω
l
为无人机的航向角变化率；为避免目标固定翼无人机位置求解时因航向角速度为零出现歧义，目标固定翼无人机各时刻的位置解析表达式需分情况讨论；(1)工况1：目标固定翼无人机直线运动若观测固定翼无人机各时刻视线与水平面的交点共线，则目标固定翼无人机做直线运动，记观测初始时刻为0，则目标固定翼无人机各时刻的位置解析表达式为：结合观测固定翼无人机各时刻的位置解算目标固定翼无人机的视线角，即有：其中：
式中x
g,f
、y
l,g
和z
g,f
为僚机状态；记各时刻观测固定翼无人机利用上式估算得到的视线信息为则目标固定翼无人机初始时刻的x
g,l,0
、y
g,l,0
和z
g,l,0
确定，确定，因此各时刻视线信息视为以X0为变量的函数：X0＝[x
g,l,0
,y
g,l,0
,z
g,l,0
,v
l,0
,ψ
v,l,0
]
T
考虑各时刻视线单位方向矢量的测量偏差，以观测固定翼无人机各时刻的视线单位方向矢量估计值与测量值的平方差和J最小为目标，确定X0；即：其中其中W＝diag(W1,W2,...,W
n
)式中R
e
为视线单位方向矢量的测量协方差，即视线高低角和方位角的测量偏差分别为σ
qε
和σ
qβ
，则q＝[q
ε
,q
β
]
T
其中：实际计算时，各时刻的权重W1、W2、
…
、W
n
由当前时刻的视线角利用上式求得；
记为X0的最优估计值，则各时刻的视线单位矢量测量值用下式近似：则J中表示为：相应有J＝(Δe
LOS
‑
HΔX)
T
W(Δe
LOS
‑
HΔX)其中：H＝diag(h1,h2,...,h
n
)))对于一X0，若J取值最小时，应有：
即有：ΔX＝(H
T
WH)
‑1H
T
WΔe
LOS
其中：与之对应：其中：利用上式确定ΔX后，首先按下式更新X0：X0＝X0+ΔX然后以更新后的X0计算ΔX，并按上式更新得到新的X0，不断迭代，直至|ΔX|＜ζ，其中ζ为一近似于0的小量；(2)工况2：目标固定翼无人机曲线运动若观测固定翼无人机各时刻视线与水平面的交点共线，则目标固定翼无人机做直线运动，记观测初始时刻为0，则目标固定翼无人机各时刻的位置解析表达式为：
其中x
g,l,0
、y
g,l,0
和z
g,l,0
分别表示初始时刻目标固定翼无人机在东北天惯性坐标系下的位置，v
l,0
和ψ
v,l,0
分别表示初始时的速度大小和航向角，ω
l,0
为初始时刻的航向角变化率；采用与工况1相同的方法确定J，并得：ΔX＝(H
T
WH)
‑1H
T
WΔe
LOS
其中：H＝diag(h1,h2,...,h
n
)X0＝[x
g,l,0 y
g,l,0 z
g,l,0 v
l,0 ψ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏文山，陈磊，白显宗，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：