CN109189088A - 系留式无人机自适应巡航跟踪方法、终端及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系留式无人机自适应巡航跟踪方法、智能终端及其计算机可读存储介质，其方法包括：获取无人机的期望加速度，其中，期望加速度与载车的行驶参数相关联；获取无人机的偏航角，按照偏航角调整无人机的机头方向，并根据期望加速度的x轴分量和y轴分量计算无人机的俯仰角和翻滚角；获取无人机的实际姿态角，并根据俯仰角、翻滚角、偏航角与相对应的实际姿态角，通过PID算法计算获得无人机的控制力矩；根据控制力矩计算获得无人机的电机转速，并以电机转速控制无人机。本发明提出的技术方案针对系留式无人机平台，无人机跟踪目标为机动的汽车，跟踪目标的特点鲜明，有利于分析其运动特性，使跟踪方式更加合理。

Description

系留式无人机自适应巡航跟踪方法、终端及存储介质

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种系留式无人机自适应巡航跟踪方法、智能终端及计算机可读存储介质。

背景技术

近年来，由于无人机上各控制元件的小型化得以实现，成本不断降低，使得其使用群体逐渐扩大，用途也变得更加丰富。随着技术的不断发展，稳定性的不断提高，操作变得更加的便捷，使用门槛不断地降低，使得无人机在民用市场、军事、工程、农业等领域均有应用。

系留式无人机，是无人机在工程应用场景的一种新使用形式。系留式无人机由一个地面移动式的载车平台搭载，载车上由线缆收卷系统和发电系统组成。发电机产生的电能由线缆传输到交流转直流的装置中，然后传输到无人机上，由于无人机的工作电压较低，而传输上来的电压一般为200V至400V甚至更高，需要通过降压模块降压，才能使电压达到无人机工作电压的要求。

由于系留式无人机是由地面移动载车所搭载，而载车具有机动性，所以在机动状态下无人机对载车有跟踪移动目标的性能要求。目前运用GPS的跟踪形式一般是以被跟踪目标当前的位置为跟踪的终点。但系留式无人机存在线缆与载车的连接，对跟踪的效率有一定的要求。由于无人机在定高的工况下对移动载车进行跟踪，其距离是会发生不断变化的，这会造成收放线缆的机构不停的收放线，这样容易造成线缆在绞线盘中卡死，使得系统发生故障。如果能通过对无人机的运动参数进行控制，提高跟踪效率，减少跟踪距离的变化，能够提高系统稳定性，延长机构的寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种系留式无人机自适应巡航跟踪方法、智能终端及计算机可读存储介质，旨在解决由于载车具有机动性，在机动状态下无人机对载车有跟踪移动目标的性能要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种系留式无人机自适应巡航跟踪方法，所述无人机由地面移动载车搭载，所述系留式无人机自适应巡航跟踪方法包括：

获取无人机的期望加速度，其中，所述期望加速度与载车的行驶参数相关联；

获取所述无人机的偏航角，按照所述偏航角调整无人机的机头方向，并根据所述期望加速度的x轴分量和y轴分量计算无人机的俯仰角和翻滚角；

获取所述无人机的实际姿态角，并根据所述俯仰角、翻滚角、偏航角与相对应的实际姿态角，通过PID算法计算获得无人机的控制力矩；

根据所述控制力矩计算获得无人机的电机转速，并以所述电机转速控制无人机。

优选地，所述获取无人机的期望加速度的步骤包括：

获取无人机、载车行驶方向相同的纵向位置以及两者之间的相对距离期望值；

通过以下方程式计算获得所述无人机的期望加速度：

μ＝X_x-X_d-D

其中，μ、分别表示无人机和载车的相对距离和相对速度；D为相对距离期望值；X_x和X_d分别为无人机和载车行驶方向相同纵向位置；V_x为无人机的行驶速度；V_d为载车的行驶速度；S表示自适应巡航控制的滑模切换面；β₁和β₂为滑模控制的参数，均大于零；t为时间；η＞0；为滑模切换面的导数；分别表示无人机和载车的加速度；sat(S)为S的饱和函数；a_q为无人机的期望加速度。

优选地，所述获取所述无人机的航偏角的步骤包括：

获取无人机当前的坐标以及设定的下一航迹点坐标；

通过以下方程式计算获得所述无人机的偏航角：

其中，Ψ_n为无人机的偏航角，X_CP、Y_CP为无人机当前的坐标，X_FP、Y_FP为设定的无人机下一航迹点坐标。

优选地，所述无人机的俯仰角和翻滚角通过以下方程式计算获得：

其中，θ_n为俯仰角，φ_n为翻滚角，a_qx和a_qy分别表示无人机x轴和y轴的期望加速度，a_qz为重力加速度。

优选地，通过以下方程式计算获得无人机的控制力矩：

其中，τ_Ψ、τ_θ、τ_φ分别为偏航控制力矩、俯仰控制力矩和翻滚控制力矩，Ψ_e、θ_e、φ_e分别为Ψ_n、θ_n、φ_n与实际姿态角Ψ_r、θ_r、φ_r相对应的差值，k_p、k_i、k_d为设定的参数值。

为实现上述目的，本发明提供的一种智能终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法的步骤。

为实现上述目的，本发明提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法的步骤。

与现有技术相比，本发明提出的技术方案具有以下有益效果：

1、针对系留式无人机平台，无人机跟踪目标为机动的汽车，跟踪目标的特点鲜明，有利于分析其运动特性，使跟踪方式更加合理。

2、将距离作为控制输入参数，控制无人机的运动参数，尽量减小跟踪飞行过程中的距离变化量，避免线缆收放装置的频繁收放线。

3、按照汽车的自适应巡航系统框架，结合无人机的工作原理，将自适应巡航应用到系留式无人机系统中，同时使用了滑模控制和PID控制算法，使得跟踪效率更高。

附图说明

图1为本发明系留式无人机自适应巡航跟踪方法一实施例的流程示意图；

图2为无人机的机体坐标系的结构示意图；

图3为期望加速度的分解示意图；

图4为本发明智能终端一实施例的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，图1为本发明一实施例提出的系留式无人机自适应巡航跟踪方法，所述无人机由地面移动载车搭载。在该实施例中，系留式无人机自适应巡航跟踪方法包括：

步骤S100，获取无人机的期望加速度，其中，所述期望加速度与载车的行驶参数相关联。

具体地，本发明结合汽车系统上的ACC自适应巡航系统，开发一种适用于系留式无人机的自适应跟踪方法，将无人机的运动参数考虑到控制的内容当中。需要说明的是，无人机需要在起飞后达到一定高度后才进行跟踪，且跟踪过程中高度保持不变(此时，将无人机的控制模式切换为定高模式)，通过这种方式也能避免线缆收放装置的频繁收放线。

请参照图2，无人机领域中，基于如下假设：

(1)四旋翼飞行器的机体和旋翼看成是刚体，认为不发生弹性形变和振动。

(2)始终把机体的质心当成机体坐标系的原点，地面坐标系是惯性坐标系，地球的曲率还有自转对四旋翼飞行器的影响为0。

(3)四个螺旋桨安装在刚性支架的四端，两两对称。并且水平高度完全相同。

(4)重力加速度不随无人机高度的变化而变化。

建立了如下动力学模型方程：

其中：p，v∈R³分别为地面坐标系下无人机的位置和速度；m为无人机质量；g为重力加速度；e₃＝[0 0 1]^T为地面坐标系下的单位向量；R为机体坐标系到地面坐标系的转换矩阵；F表示无人机受除重力以外合力的向量；Q＝[φ θ ψ]^T∈R³为无人机的欧拉角；C(Q)为从机体坐标系角速度转换为欧拉角速度的转换矩阵；w＝[p q r]^T∈R为无人机的角速度；J∈R^3x3＝diag(J_x,J_y,J_z)为机体坐标系下无人机的正定常数惯性矩阵，且由无人机的结构特性决定该矩阵为一个对角矩阵；τ＝[τ_φ τ_θ τ_ψ]为控制无人机动作的力矩。

不论是汽车的ACC自适应巡航，还是无人机跟踪地面载车平台，跟踪距离都是非常重要的跟踪性能评判指标。同时本发明中把相对速度引入，作为提高模型控制进度的另一指标，将上层控制器的变量参数表示为：

μ＝X_x-X_d-D (2)

其中，μ、分别表示无人机和载车的相对距离和相对速度；D为相对距离期望值；X_x和X_d分别为无人机和载车行驶方向相同纵向位置；V_x为无人机的行驶速度；V_d为载车的行驶速度。

由滑模控制理论,自适应巡航控制的滑模切换面表示为：

其中，β₁和β₂为滑模控制的参数，均大于零；t为时间，将上式求导得：

选取合适的控制律,采用饱和函数sat(S)使滑模切换面S的一阶微分得以收敛,即：

将式(6)代入式(5),得到无人机的期望加速度a_q：

步骤S200，获取所述无人机的偏航角，按照所述偏航角调整无人机的机头方向，并根据所述期望加速度的x轴分量和y轴分量计算无人机的俯仰角和翻滚角。

具体地，无人机和地面载车平台都搭载了定位装置，无人机的行驶路径是通过地面载车平台将定位装置获取的位置坐标信息作为无人机的期望飞行轨迹发送至无人机端，并以队列的形式存放在无人机飞控系统的存储模块中。将定位装置的坐标点转换到地面坐标系后，获取无人机当前的坐标X_CP、Y_CP、Z_CP以及假设的下一航迹点坐标X_FP、Y_FP、Z_FP；

通过以下方程式计算获得所述无人机的偏航角Ψ_n：

利用得到的ψ_n调整飞行器机头方向，使其指向下个路径点，然后将期望加速度分解，请参照图3。

由于系留式无人机为保持作业时的稳定性，大部分工况为匀速或静止，只有短时间的加减速飞行，非重力加速度小或存在时间较短，不影响加速度计的测量使用。重力加速度g在机体坐标系和导航坐标系中关系可表示为：

通过转换矩阵R_n ^b来表示导航坐标系到机体坐标系的转换关系：

由上式可得：

其中，θ_n为俯仰角，φ_n为翻滚角，a_qx和a_qy分别表示无人机x轴和y轴的期望加速度，a_qz为重力加速度。

步骤S300，获取所述无人机的实际姿态角，并根据所述俯仰角、翻滚角、偏航角与相对应的实际姿态角，通过PID算法计算获得无人机的控制力矩。

具体地，通过机上传感器获取无人机当前实际姿态角(φ_r θ_r ψ_r)，通过以下方程式计算获得无人机的控制力矩：

其中，τ_Ψ、τ_θ、τ_φ分别为偏航控制力矩、俯仰控制力矩和翻滚控制力矩，Ψ_e、θ_e、φ_e分别为Ψ_n、θ_n、φ_n与实际姿态角Ψ_r、θ_r、φ_r相对应的差值，k_p、k_i、k_d为设定的参数值。

步骤S400，根据所述控制力矩计算获得无人机的电机转速，并以所述电机转速控制无人机。

具体地，设向量R＝[w₁ ² w₂ ² w₃ ² w₄ ²]^T，其中w_i(i为1、2、3、4)为各个电机转速；向量U＝[τ_φ τ_θ τ_ψF]^T为控制量，其中升力F随无人机的高度值不同而发生变化，可通过高度值计算得出，根据τ在(1)中相关的公式，可得出矩阵M：

式中，l为螺旋桨盘中心到无人机质心的距离；b_r和b_q分别为旋翼的推力系数和反扭矩系数；ρ为空气密度；A为旋翼转盘面积，再由R＝M^-1U就可以求出电机转速，从而实现无人机的控制。

本发明还提供一种智能终端，请参照图4，在一实施例中，该智能终端包括存储器100、处理器200及存储在存储器100上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意实施例的所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法的步骤。

本发明提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意实施例所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法的步骤。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第X实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料、方法步骤或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种系留式无人机自适应巡航跟踪方法，所述无人机由地面移动载车搭载，其特征在于，所述系留式无人机自适应巡航跟踪方法包括：

获取无人机的期望加速度，其中，所述期望加速度与载车的行驶参数相关联；

获取所述无人机的偏航角，按照所述偏航角调整无人机的机头方向，并根据所述期望加速度的x轴分量和y轴分量计算无人机的俯仰角和翻滚角；

获取所述无人机的实际姿态角，并根据所述俯仰角、翻滚角、偏航角与相对应的实际姿态角，通过PID算法计算获得无人机的控制力矩；

根据所述控制力矩计算获得无人机的电机转速，并以所述电机转速控制无人机。

2.如权利要求1所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法，其特征在于，所述获取无人机的期望加速度的步骤包括：

获取无人机、载车行驶方向相同的纵向位置以及两者之间的相对距离期望值；

通过以下方程式计算获得所述无人机的期望加速度：

μ＝X_x-X_d-D

其中，μ、分别表示无人机和载车的相对距离和相对速度；D为相对距离期望值；X_x和X_d分别为无人机和载车行驶方向相同纵向位置；V_x为无人机的行驶速度；V_d为载车的行驶速度；S表示自适应巡航控制的滑模切换面；β₁和β₂为滑模控制的参数，均大于零；t为时间；η＞0；为滑模切换面的导数；分别表示无人机和载车的加速度；sat(S)为S的饱和函数；a_q为无人机的期望加速度。

3.如权利要求2所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法，其特征在于，所述获取所述无人机的航偏角的步骤包括：

获取无人机当前的坐标以及设定的下一航迹点坐标；

通过以下方程式计算获得所述无人机的偏航角：

其中，Ψ_n为无人机的偏航角，X_CP、Y_CP为无人机当前的坐标，X_FP、Y_FP为设定的无人机下一航迹点坐标。

4.如权利要求3所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法，其特征在于，所述无人机的俯仰角和翻滚角通过以下方程式计算获得：

其中，θ_n为俯仰角，φ_n为翻滚角，a_qx和a_qy分别表示无人机x轴和y轴的期望加速度，a_qz为重力加速度。

5.如权利要求4所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法，其特征在于，通过以下方程式计算获得无人机的控制力矩：

其中，τ_Ψ、τ_θ、τ_φ分别为偏航控制力矩、俯仰控制力矩和翻滚控制力矩，Ψ_e、θ_e、φ_e分别为Ψ_n、θ_n、φ_n与实际姿态角Ψ_r、θ_r、φ_r相对应的差值，k_p、k_i、k_d为设定的参数值。

6.一种智能终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一项所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的系留式无人机自适应巡航跟踪方法的步骤。