一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法技术

本发明专利技术公开了无人机自动控制技术领域的一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，利用切换系统对目标暂失现象建模，基于状态反馈这一低算力的控制器设计思路，根据实际跟踪误差实时调整控制器增益以保证所建立的切换跟踪系统的稳定性，其增益调整计算过程在无人机机载计算单元中进行；其中，无人机采用位置环

A switching control method for UAV with transient loss of target with stability guarantee

【技术实现步骤摘要】
一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机自动控制
，具体为一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机以其灵活性、隐蔽性、经济性等优势被军民领域广泛应用。无人机目标跟踪是指无人机对指定目标的接近并保持同步伴随运动的过程，是无人机执行航拍跟拍、机车协同作业、监视追踪乃至目标打击等自主任务中必不可少的重要控制技术。通常，无人机利用视觉相机、激光雷达、超声波测距仪等机载传感器捕获并利用相应感知算法识别被跟踪目标，从而解算得到用于目标跟踪的参考信号。但是，在实际应用中由于感知环境动态多变，被跟踪目标有时无法被捕获或识别，如图像传感器受障碍物遮挡、自然噪声干扰，激光雷达线数不足导致被跟踪目标上的可用识别点不足，超声波测距仪三维可视范围较小导致目标易于逃出视野等，这就导致了用于无人机目标跟踪的参考信号有部分时间无法获得。
[0003]在无人机目标跟踪控制问题中，绝大多数方法尚未考虑对存在被跟踪目标丢失情况下的无人机跟踪控制。一旦目标丢失，无人机将在目标丢失时刻位置悬停，直至目标再次被捕获。显然，这将大大影响跟踪性能，而且随着目标丢失时间的增长，这种悬停的方案将导致目标被捕获的概率越来越小。部分方法着力于目标丢失后的位置预测，以提供估计位置用以解算无人机跟踪控制的参考信号，但该方法仅适用于一些目标丢失时刻较短、运动状态变化随机性小的场景中。也有方法为传感器安装了云台，使得目标可以被锁定从而降低了目标丢失的概率，但该方法受限于云台及传感器的质量，难以适用于所有尺寸的无人机上。近年来也有基于模型预测控制的方法，在预测目标位置的同时规划无人机位置、姿态，但其所需算力过高。因此，目前亟需一种低算力的适用于无人机的目标暂失情况下的跟踪控制方案。
[0004]面向前述的低算力需求，部分方法基于状态反馈，利用切换系统框架对具有暂失目标情况的无人车等智能体的目标跟踪问题进行建模，根据目标是否丢失分别建立可测子系统和不可测子系统，将暂失目标的跟踪问题转化为了所建模的切换系统的镇定问题。通过确定最大目标不可测时长及最小目标可测时长，保证了系统的稳定性。然而，以上研究是在对每个子系统状态反馈控制器预先设计的基础上进行的，推导得出的子系统时间上下界条件只能用于系统的稳定性分析，所获得的稳定性条件并没有被合理的应用在控制器设计上。此外，已有基于切换系统框架的方法大多是针对无人车等全驱动控制系统的，无法直接应用在无人机这类的欠驱动系统上，针对常见无人机控制方案尚未考虑目标丢失现象，基于切换系统建模的低成本控制方法仅应用在稳定性分析上，已有方法的研究对象大多为全驱动系统等问题，本专利技术基于切换系统框架，提出一种具有稳定性保证的、低计算成本的、面向无人机欠驱动系统的切换控制方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，包括如下步骤：
[0007]S1：初始化及跟踪坐标系建立；
[0008]S2：目标可测情况下无人机位置控制；
[0009]S3：目标不可测情况下的增益确定；
[0010]S4：目标不可测情况下位置控制；
[0011]S5：跟踪过程中的控制器增益更新；需要说明的是，上述步骤均在机载计算单元内实现，目标可测情况由无人机加载的传感器及测量算法判断，其余所有计算均为数值运算，保证了小计算量的无人机目标暂失情况下的跟踪控制。
[0012]优选的，所述步骤S1具体为：无人机接收地面操作人员给出的信息，包括目标的初始位置、速度，目标的最大速度，无人机所需与目标保持的相对位置、给定的最小可测时间及最大不可测时间，预设的可测子系统的位置控制器增益；构建机体坐标系、跟踪坐标系；调整无人机姿态使目标在传感器视野之内，使初始时刻及后续最小可测时间内目标位置是可测的，以保证有足够的时间完成相邻的不可测子系统的控制器增益的确定。
[0013]优选的，所述步骤S2具体为：根据步骤S1解算得到参考信号，在跟踪坐标系下计算无人机当前的跟踪误差，从而计算并记录跟踪系统能量；将无人机当前的位置跟踪误差带入位置环的状态反馈控制器中，得到所需控制输入以及姿态环的期望值，进而获得姿态环的控制输入；最终，实现无人机在目标可测情况下的位置控制，即可测子系统控制；其中无人机采用位置环和姿态环的双环控制方案，无人机动力学模型为
[0014][0015]其中u1～u4为控制输入，可由无人机电机转速调整实现；x、y、z、θ、φ、ψ分别为对应坐标轴的水平位置与绕坐标轴旋转的姿态角，其参考信号分别用x
d
、y
d
、z
d
、θ
d
、φ
d
、ψ
d
表示，在控制器设计与稳定性分析阶段，根据小角度定理可知，状态z、θ、φ、ψ可由u1～u4直接控制，状态x、y则需通过改变θ、φ的大小进行控制；采用双环控制方案可以将无人机的控制环具体分为姿态内环及位置外环，由外环位置误差确定内环姿态期望角度作为虚拟控制输入；
[0016]对于内环姿态控制器，为保证其快速响应能力，采用有限时间滑模控制方法；以姿态θ为例，设计滑模面为其中e
θ
＝θ
‑
θ
d
，α、β、p、q均是正实数且p＜q，滑模面关于时间的导数可以计算为
[0017][0018]根据滑模条件可设计等价控制器为
[0019][0020]结合滑模控制中常用的趋近律，最终设计的基于有限时间滑模控制方法的姿态控制器为
[0021]u2＝u
θ,eq
‑
K sgn(s
θ
)
ꢀꢀ
(4)
[0022]其中K为正实数，姿态控制器u3、u4的设计与u2相同；
[0023]在位置控制方面，利用比例
‑
微分控制进行控制器设计，具体为：首先设计高度控制器为其中：k
vz
、k
pz
为正实数，当高度达到稳态时u1恒为1；至此，无人机的4个控制输入设计完毕，对于欠驱动状态x和y，利用比例
‑
微分控制思路设计虚拟控制输入
[0024][0025]其中k
vx
，k
px
，k
vy
，k
py
均为正实数，从而通过无人机姿态的调整间接实现其位置控制。
[0026]优选的，所述步骤S3具体为：根据步骤S2所记录的目标可测子系统能量初值，以保证相邻目标不可测子系统运行结束时系统能量小于当前可测子系统能量初值为目标，即保证每个切换阶段的稳定性，进行不可测子系统的控制器增益计算，选取能够保证无人机具有较大加速度的控制器增益记录备用；判断可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：初始化及跟踪坐标系建立；S2：目标可测情况下无人机位置控制；S3：目标不可测情况下的增益确定；S4：目标不可测情况下位置控制；S5：跟踪过程中的控制器增益更新；需要说明的是，上述步骤均在机载计算单元内实现，目标可测情况由无人机加载的传感器及测量算法判断，其余所有计算均为数值运算，保证了小计算量的无人机目标暂失情况下的跟踪控制。2.根据权利要求1所述的一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：无人机接收地面操作人员给出的信息，包括目标的初始位置、速度，目标的最大速度，无人机所需与目标保持的相对位置、给定的最小可测时间及最大不可测时间，预设的可测子系统的位置控制器增益；构建机体坐标系、跟踪坐标系；调整无人机姿态使目标在传感器视野之内，使初始时刻及后续最小可测时间内目标位置是可测的，以保证有足够的时间完成相邻的不可测子系统的控制器增益的确定。3.根据权利要求1所述的一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：根据步骤S1解算得到参考信号，在跟踪坐标系下计算无人机当前的跟踪误差，从而计算并记录跟踪系统能量；将无人机当前的位置跟踪误差带入位置环的状态反馈控制器中，得到所需控制输入以及姿态环的期望值，进而获得姿态环的控制输入；最终，实现无人机在目标可测情况下的位置控制，即可测子系统控制；其中无人机采用位置环和姿态环的双环控制方案，无人机动力学模型为其中u1～u4为控制输入，可由无人机电机转速调整实现；x、y、z、θ、φ、ψ分别为对应坐标轴的水平位置与绕坐标轴旋转的姿态角，其参考信号分别用x
d
、y
d
、z
d
、θ
d
、φ
d
、ψ
d
表示，在控制器设计与稳定性分析阶段，根据小角度定理可知，状态z、θ、φ、ψ可由u1～u4直接控制，状态x、y则需通过改变θ、φ的大小进行控制；采用双环控制方案可以将无人机的控制环具体分为姿态内环及位置外环，由外环位置误差确定内环姿态期望角度作为虚拟控制输入；对于内环姿态控制器，为保证其快速响应能力，采用有限时间滑模控制方法；以姿态θ为例，设计滑模面为其中e
θ
＝θ
‑
θ
d
，α、β、p、q均是正实数且p＜q，滑模面关于时间的导数可以计算为
根据滑模条件可设计等价控制器为结合滑模控制中常用的趋近律，最终设计的基于有限时间滑模控制方法的姿态控制器为u2＝u
θ,eq
‑
Ksgn(s
θ
)
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(4)其中K为正实数，姿态控制器u3、u4的设计与u2相同；在位置控制方面，利用比例
‑
微分控制进行控制器设计，具体为：首先设计高度控制器为其中：k
vz
、k
pz
为正实数，当高度达到稳态时u1恒为1；至此，无人机的4个控制输入设计完毕，对于欠驱动状态x和y，利用比例
‑
微分控制思路设计虚拟控制输入其中k
vx
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立宪，梁野，蔡博，翁睿，朱益民，杨嘉楠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学人工智能研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：