CN109254594A - 一种用于无人机的全捷联末制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无人机的捷联末制导方法，一、全捷联于无人机的导引头采集目标区域的图像信息；二、将图像信息进行拼接，并在拼接后的图像上进行可疑目标检测；三、确定图像上可疑目标的实际位置，并根据该实际位置调整航线，使无人机围绕该可疑目标飞行；四、确认目标并对目标进行跟踪；五、当对目标进行有效跟踪后，地面站下达攻击指令，无人机的制导系统接收该指令，并判断制导系统是否更新制导信息，若已更新则制导系统实施末制导控制，制导系统实时判断末制导过程是否完成和是否取消末制导任务，若制导信息未更新、末制导过程已完成或末制导任务取消，返回步骤四，本发明成本低，解决微小型无人机基于全捷联导引头的导航制导控制问题。

Description

一种用于无人机的全捷联末制导方法

技术领域

本发明属于飞行器导航制导与控制的技术领域，具体涉及一种用于无人机的全捷联末制导方法。

背景技术

随着制导技术的发展，人们研发了平台稳定式导引头和全捷联式光学导引头。其中，捷联末制导是一种新的制导形式，是各种低成本、小型化无人机的首选技术方案，与传统的平台导引头相比，最大的优势在于体积小、重量轻、成本低。它分为全捷联和半捷联两种形式，全捷联方式彻底取消了机械回转机构，使得跟踪速度和跟踪精度不受机械限制和摩擦力矩的影响，且提高了可靠性。

全捷联技术在制导系统中的应用研究大都集中于利用所探测的弹目相对距离与体视线角信息，通过数学方法进行视线角速率重构来降低捷联方式带来的误差影响，并保证与平台式系统硬件兼容使用。平台式导引头的对机体扰动解耦，驱动平台精确跟踪及制导指令提取的方式也为捷联导引头的制导应用提供了有益的指导。

全捷联技术在微小型无人机上应用后，光学导引头和机体固联后导致跟踪算法和机体控制算法耦合且互相制约。此外，跟踪过程需要较大的瞬时视场，从而导致单幅图像数据量增加，同时视线角速度的提取十分困难。不过随着基础器件的技术进步，光学大面阵探测器日趋成熟，不仅解决了较大视场的需要，测角精度也极高，可直接用获取的体视线角来进行无人机的末端制导。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于无人机的全捷联末制导方法，适用于微小型无人机，可使用较低的成本、更好的解决微小型无人机基于捷联图像导引头的导航制导与控制问题。

一种用于无人机的全捷联末制导方法，包括以下步骤：

步骤一、全捷联于无人机的导引头采集目标区域的图像信息；

步骤二、将图像信息进行拼接，并在拼接后的图像上进行可疑目标检测；

步骤三、确定图像上可疑目标的实际位置，并根据该实际位置调整航线，使无人机围绕该可疑目标飞行；

步骤四、确认目标并对目标进行跟踪；

步骤五、当对目标进行有效跟踪后，操纵人员在地面站下达攻击指令，无人机的制导系统接收该指令，并判断制导系统是否更新制导信息，若已更新则制导系统实施末制导控制，同时，制导系统实时判断末制导过程是否完成和是否取消末制导任务，若制导信息未更新、末制导过程已完成或末制导任务取消，则返回步骤四。

进一步地，用于拼接的图像信息为：对所采集的图片进行筛选，选择无人机姿态波动在±5°内所采集到的图片，并筛除无人机在转弯时所采集图片。

进一步地，导引头的采集频率为：根据视场面积及当前无人机的速度计算出速度方向上相邻两帧图像视场面积不重合的最小时间间隔，以此作为导引头采集图像的最大间隔。

进一步地，所述末制导控制具体为：

(1)保持无人机在末制导过程中零滚转，即在无人机外环控制回路的滚转通道控制器中使得期望滚转角度为零度，将垂直视线角信息传递给无人机外环控制回路的俯仰通道控制器得到期望俯仰角度，将水平视线角信息传递给无人机外环控制回路的偏航通道控制器得到期望偏航角度；(2)将期望滚转角度、期望俯仰角度和期望偏航角度传递给无人机内环姿态控制回路得到无人机的舵机控制量，控制无人机飞向所攻击目标直至撞击。

有益效果：

1.本发明提出了一种用于无人机的全捷联末制导方法，通过采用低成本小型化的全捷联导引头，并通过拼接采集图像、围绕目标飞行进行跟踪确认等方式克服了全捷联导引头的采集图像有限、不灵活等问题，并进行了末制导控制方案设计，对于微小型固定翼无人机末制导的应用具有很大的指导意义；

2.本发明方案所采用的全捷联导引头使得捷联末制导无人机实现低成本化；

3.本发明的在末制导过程中，通过将滚转通道控制器中的期望滚转角度设置为零度，实现采用侧滑转弯方案进行末制导控制，对水平方向和垂直方向进行解耦控制，扬长避短，使方案效能最大化。

附图说明

图1为本发明方案的系统框架示意图；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种用于无人机的全捷联末制导方法，包括以下步骤：

步骤一、全捷联于无人机的可见光导引头采集目标区域的图像信息；本发明方案采用的是前置单可见光摄像头全捷联末制导形式。导引头成像光轴位于机体对称面，和机体轴以一定的角度固联。

可见光导引头在前期侦查阶段负责拍摄图片提供给地面站用于大范围侦查，当确定攻击目标之后负责拍摄视频用于末制导阶段的目标确认和跟踪。

步骤二、将图像信息进行拼接，并在拼接后的图像上进行可疑目标检测；

地面站操作人员根据目标区域大致地形设定航点，为无人机规划侦查路径。触发侦查程序后，图像导引头工作模式切换至拍照模式，无人机开始进行定焦拍照，并将所拍的图像回传至地面站，由地面站进行图像拼接，并进行可疑目标检测。通过对可疑目标由远及近的跟踪，一方面可以对目标进行确认，另一方面也可以对跟踪效果进行确认。

步骤三、确定图像上可疑目标的实际位置，并根据该实际位置调整航线，使无人机围绕该可疑目标飞行；

发现可疑目标后根据可疑目标在目标区域的位置设定用于攻击前调整的航线，使无人机降低高度并围绕可疑目标飞行。将图像导引头工作模式切换至拍摄视频模式，并通过回传的视频对可疑目标进行二次确认。

步骤四、确认目标并对目标进行跟踪；

确认可疑目标即为打击目标后，地面站操作人员可对该目标进行左键点选，触发跟踪程序，对目标跟踪效果进行确认，跟踪良好即可进行步骤五，跟踪效果不理想，出现目标跟丢的情况则需要更换攻击前调整的航线或者取消目标跟踪。

步骤五、当对目标进行有效跟踪后，操纵人员在地面站下达攻击指令，无人机的制导系统接收该指令，并判断制导系统是否更新制导信息，若已更新则制导系统实施末制导控制，同时，制导系统实时判断末制导过程是否完成和是否取消末制导任务，若制导信息未更新、末制导过程已完成或末制导任务取消，则返回步骤四。

图像的拼接技术包括三大部分：特征点提取与匹配、图像配准、图像融合。本方法中用于图像拼接的图片是基于无人机飞行平台拍摄的，为了保证图像拼接的准确与快速，进行了一下两点改进：地面站侦查指令触发图像拼接任务的同时完成对初始帧的选择和初始化，并根据该帧拍摄时的姿态信息对之后的图片进行筛选，筛选的原则是需要保证姿态没有较大的波动，一般限定于±5°，并筛除掉无人机转弯时候拍的照片。此外，捷联图像导引头会根据视场面积及当前无人机的速度计算出速度方向上两帧图像视场面积不重合的最小时间间隔，以此作为无人机拍照的最大间隔，可根据图像拼接效果对这个时间间隔进行在线调整。通过图像拼接进行侦查可以对捷联导引头视场小的不足进行弥。

所述末制导所用的侧滑转弯控制策略使得无人机俯仰、滚转和偏航通道可以解耦控制，具体为：(1)保持无人机在末制导过程中零滚转，即在无人机外环控制回路的滚转通道控制器中使得期望滚转角度为零度，将垂直视线角信息传递给无人机外环控制回路的俯仰通道控制器得到期望俯仰角度，将水平视线角信息传递给无人机外环控制回路的偏航通道控制器得到期望偏航角度；(2)将期望滚转角度、期望俯仰角度和期望偏航角度传递给无人机内环姿态控制回路得到无人机的舵机控制量，控制无人机飞向所攻击目标直至撞击。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于无人机的捷联末制导方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、全捷联于无人机的导引头采集目标区域的图像信息；

步骤二、将图像信息进行拼接，并在拼接后的图像上进行可疑目标检测；

步骤三、确定图像上可疑目标的实际位置，并根据该实际位置调整航线，使无人机围绕该可疑目标飞行；

步骤四、确认目标并对目标进行跟踪；

步骤五、当对目标进行有效跟踪后，操纵人员在地面站下达攻击指令，无人机的制导系统接收该指令，并判断制导系统是否更新制导信息，若已更新则制导系统实施末制导控制，同时，制导系统实时判断末制导过程是否完成和是否取消末制导任务，若制导信息未更新、末制导过程已完成或末制导任务取消，则返回步骤四。

2.如权利要求1所述的一种用于无人机的捷联末制导方法，其特征在于，用于拼接的图像信息为：对所采集的图片进行筛选，选择无人机姿态波动在±5°内所采集到的图片，并筛除无人机在转弯时所采集图片。

3.如权利要求1所述的一种用于无人机的捷联末制导方法，其特征在于，导引头的采集频率为：根据视场面积及当前无人机的速度计算出速度方向上相邻两帧图像视场面积不重合的最小时间间隔，以此作为导引头采集图像的最大间隔。

4.如权利要求1所述的一种用于无人机的捷联末制导方法，其特征在于，所述末制导控制具体为：

(1)保持无人机在末制导过程中零滚转，即在无人机外环控制回路的滚转通道控制器中使得期望滚转角度为零度，将垂直视线角信息传递给无人机外环控制回路的俯仰通道控制器得到期望俯仰角度，将水平视线角信息传递给无人机外环控制回路的偏航通道控制器得到期望偏航角度；(2)将期望滚转角度、期望俯仰角度和期望偏航角度传递给无人机内环姿态控制回路得到无人机的舵机控制量，控制无人机飞向所攻击目标直至撞击。