CN109375643A - 基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于领航‑跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，针对四旋翼执行地面目标持续跟踪任务中存在的目标逃逸、目标状态融合估计精度不佳等问题，具体为：首先，利用修正的Lyapunov导航向量场算法，构建领航者的期望速度信息；其次，通过一阶积分器得到领航者的期望位置，随后将其送入领航者自驾仪动态获取领航者的实时位置信息，同时将其实时位置反馈至修正的Lyapunov导航向量场；然后，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式；最后，构造适用于地面目标对峙跟踪、基于二阶一致性的领航‑跟随式协同编队控制器。本发明可以实现对于给定地面目标的对峙持续跟踪，可有效降低目标反侦察逃逸的概率，大大增强协同编队对峙跟踪目标任务的鲁棒性。

Description

基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制 导律

技术领域

本发明涉及导航制导方向的多四旋翼对峙跟踪领域，具体为一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律。

背景技术

四旋翼利用其搭载的传感器对目标进行持续观测，可以获取大量目标信息，进而实现目标识别与精确定位，因此，四旋翼无人机跟踪地面目标在军事和民用领域具有很大的潜在应用价值。然而，单四旋翼在执行目标跟踪任务时由于其传感器探测范围有限、自身运动/动力学约束往往容易造成目标丢失、目标状态估计性能不佳等问题，难以确保目标跟踪任务的鲁棒性。使用多架四旋翼从不同角度以编队形式对目标进行环绕观测，通过邻居间的信息交互，实现目标观测性能协同超越，对目标可能逃逸的范围进行超前覆盖，可显著提高对目标运动状态的估计精度并降低目标丢失的概率，并有望提高四旋翼执行跟踪任务的成功率。

相较于单四旋翼目标跟踪而言，多四旋翼协同目标跟踪存在两个关键问题：(1)现有的目标跟踪方法如参考点制导法、比例导引法和模型预测控制制导法等均未考虑目标跟踪过程中四旋翼的安全性和隐蔽性，而Lyapunov导航向量场制导法可以确保四旋翼以固定对峙半径对运动目标持续跟踪的同时极大降低四旋翼被目标反侦察的风险，更加适用于对目标跟踪任务安全性要求较高的场合，其在四旋翼上的应用目前未有相关报道；(2)四旋翼模型是一个典型的二阶系统，不同于一阶系统，它同时与通信拓扑和通信协议相关，这使得基于二阶一致性算法的四旋翼协同制导律设计更具挑战性。因此本发明提供了一种既考虑四旋翼的安全性和隐蔽性，同时解决多四旋翼编队飞行对峙跟踪地面目标问题的制导律。

发明内容

本发明为了解决编队几何构型约束和多四旋翼协同跟踪地面目标问题，提供了一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，包括以下步骤：

(1)结合领航者四旋翼的实时位置和搭载的光电侦察平台所探测到的目标实时位置与速度信息，利用修正的Lyapunov导航向量场算法，构建领航者的期望速度信息；

(2)将步骤(1)中设计的领航者期望速度通过一阶积分器得到领航者的期望位置，随后将其送入领航者自驾仪动态获取领航者的实时位置信息，同时将领航者实时位置反馈至步骤(1)中修正的Lyapunov导航向量场；

(3)利用代数图论知识，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式；

(4)针对步骤(1)获得的领航者期望速度和步骤(2)提供的领航者期望位置信息以及步骤(3)定义的多四旋翼通讯拓扑和编队样式，构造适用于地面目标对峙跟踪、基于二阶一致性的领航-跟随式协同编队控制器。

本发明设计了一种基于领航-跟随式三角形编队的多旋翼对峙跟踪目标制导律。领航四旋翼通过机载高性能光电探测平台捕获地面目标运动信息，并采用修正的Lyapunov导航向量场生成期望的对地目标对峙跟踪制导律；跟随四旋翼借助相邻通信拓扑，利用二阶一致性算法，将跟随四旋翼对峙跟踪地面目标问题转化为与领航四旋翼几何中心位置偏差保持问题。

上述步骤中，步骤(1)构建领航者的期望速度信息具体如下：

其中，分别为领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴的期望速度分量；g_x、g_y分别为地面目标静止时领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴的期望速度分量；分别为地面目标在惯性坐标系下沿x轴、y轴的速度分量；v₀为领航者的巡航飞行速度(一般为1～3m/s)，R₀为待设计的对峙跟踪半径；为领航者与地面目标之间的几何距离；x_r、y_r为惯性坐标系下领航者与地面目标沿x轴、沿y轴的相对位置分量；x₀、y₀为惯性坐标系下领航者沿x轴、沿y轴的位置分量；x_t、y_t为惯性坐标系下地面目标沿x轴、沿y轴的位置分量；α为导航场修正因子，并且满足如下等式(3)：

步骤(2)中，由积分器得到的领航者期望位置如下：

其中，x_d、y_d为领航者在惯性坐标系下沿x轴、沿y轴的期望位置分量，t为积分变量，t_p为领航者跟踪目标耗时；

在此基础上，所述步骤(2)中由领航者自驾仪动态获得的领航者实时位置通过以下方式得到：

其中，x₀、y₀为领航者实时位置信息，T为自驾仪的时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤(3)中，利用代数图论知识，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式具体如下：四旋翼编队采用领航-跟随式结构，定义领航者是一个编号为0的节点，每一个跟随者依次被编号为1、2、3；a₁₂＝a₂₁＞0表示跟随者1和跟随者2相连，a₂₃＝a₃₂＞0跟随者2和跟随者3相连，a₁₃＝a₃₁＝0表示跟随者1和跟随者3不相连；b₁＞0表示跟随者1可以直接获取领航者信息，b₂＝0，b₃＝0表示跟随者2和跟随者3无法直接获取领航者信息；

定义领航者为多四旋翼三角形编队样式的几何中心，即编队样式坐标原点，i∈Γ＝{1，2，3}，j∈Γ＝{1，2，3}且i≠j，根据期望的编队几何形状，设计跟随者i和跟随者j相对于领航者的位置矢量Δ_i＝[Δ_i,x,Δ_i,y,Δ_i,z]^T和Δ_j＝[Δ_j,x,Δ_j,y,Δ_j,z]^T，跟随者i和跟随者j间的相对位置偏差可由Δ_ij＝Δ_i-Δ_j＝[Δ_i,x,Δ_i,y,Δ_i,z]^T-[Δ_j,x,Δ_j,y,Δ_j,z]^T＝[Δ_ij,x,Δ_ij,y,Δ_ij,z]^T描述；

步骤(4)中，领航-跟随式协同编队控制器具体如下：

根据多四旋翼编队通讯拓扑和编队样式，基于步骤(1)和步骤(2)提供的领航者期望位置和速度信息，结合多智能体二阶一致性原理，构造如下领航-跟随式协同编队控制器：

其中，u_i,x、u_i,y、u_i,z为跟随者四旋翼质点模型的控制输入，k₁、k₂表示待设计的控制器参数，x_i、y_i、z_i分别为跟随者i在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的位置分量，z_d为领航者在惯性坐标系下沿z轴的期望位置分量，v_i,x、v_i,y、v_i,z为跟随者i在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的速度分量；为领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的加速度分量。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明的意义在于：所提供的方法可以在传感器受限的前提下形成稳固的领航-跟随式三角形编队，并能实现对于给定地面目标的对峙持续跟踪，可有效降低目标反侦察逃逸的概率，大大增强协同编队对峙跟踪目标任务的鲁棒性；这种异构型的对地目标对峙跟踪策略可以在极大降低对地目标探测平台需求的同时，保障多四旋翼对峙跟踪队形的稳固性，对于提升多四旋翼遂行对峙跟踪地面目标的可靠性和实用性意义重大。

附图说明

图1是本发明一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律的控制结构框图。

图2是多四旋翼三角形编队的通讯拓扑。

图3是惯性坐标系下由领航者、跟随者构成的三角形编队对峙目标跟踪效果。

图4是惯性坐标系下多四旋翼三角形编队运动轨迹在x-y平面的投影。

图5是跟随者四旋翼的位置响应和相邻距离曲线。

图6是领航者、跟随者四旋翼与地面目标的相对位置在x-y平面的投影。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～6本发明所述的一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，如图1所示，包括以下步骤：

(1)结合领航者四旋翼的实时位置和搭载的光电侦察平台所探测到的目标实时位置与速度信息，利用修正的Lyapunov导航向量场算法，构建领航者的期望速度信息如下：

其中，分别为领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴的期望速度分量；g_x、g_y分别为地面目标静止时领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴的期望速度分量；分别为地面目标在惯性坐标系下沿x轴、y轴的速度分量；v₀为领航者的巡航飞行速度(一般为1～3m/s)，R₀为待设计的对峙跟踪半径；为领航者与地面目标之间的几何距离；x_r、y_r为惯性坐标系下领航者与地面目标沿x轴、沿y轴的相对位置分量；x₀、y₀为惯性坐标系下领航者沿x轴、沿y轴的位置分量；x_t、y_t为惯性坐标系下地面目标沿x轴、沿y轴的位置分量；α为导航场修正因子，并且满足如下等式(3)：

(2)将步骤(1)中设计的领航者期望速度通过一阶积分器得到领航者的期望位置，随后将其送入领航者自驾仪动态获取领航者的实时位置信息，同时将领航者实时位置反馈至步骤(1)中修正的Lyapunov导航向量场：由积分器得到的领航者期望位置如下：

其中，x_d、y_d为领航者在惯性坐标系下沿x轴、沿y轴的期望位置分量，t为积分变量，t_p为领航者跟踪目标耗时；

在此基础上，所述步骤(2)中由领航者自驾仪动态获得的领航者实时位置通过以下方式得到：

其中，x₀、y₀为领航者实时位置信息，T为自驾仪的时间常数，s为拉普拉斯算子。

(3)利用代数图论知识，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式；多四旋翼通讯拓扑和编队样式具体如下：四旋翼编队采用领航-跟随式结构，定义领航者是一个编号为0的节点，每一个跟随者依次被编号为1、2、3；a₁₂＝a₂₁＞0表示跟随者1和跟随者2相连，a₂₃＝a₃₂＞0跟随者2和跟随者3相连，a₁₃＝a₃₁＝0表示跟随者1和跟随者3不相连；b₁＞0表示跟随者1可以直接获取领航者信息，b₂＝0，b₃＝0表示跟随者2和跟随者3无法直接获取领航者信息；

定义领航者为多四旋翼三角形编队样式的几何中心，即编队样式坐标原点，i∈Γ＝{1，2，3}，j∈Γ＝{1，2，3}且i≠j，根据期望的编队几何形状，设计跟随者i和跟随者j相对于领航者的位置矢量Δ_i＝[Δ_i,x,Δ_i,y,Δ_i,z]^T和Δ_j＝[Δ_j,x,Δ_j,y,Δ_j,z]^T，跟随者i和跟随者j间的相对位置偏差可由Δ_ij＝Δ_i-Δ_j＝[Δ_i,x,Δ_i,y,Δ_i,z]^T-[Δ_j,x,Δ_j,y,Δ_j,z]^T＝[Δ_ij,x,Δ_ij,y,Δ_ij,z]^T描述。

(4)针对步骤(1)获得的领航者期望速度和步骤(2)提供的领航者期望位置信息以及步骤(3)定义的多四旋翼通讯拓扑和编队样式，构造适用于地面目标对峙跟踪、基于二阶一致性的领航-跟随式协同编队控制器，具体如下：

根据多四旋翼编队通讯拓扑和编队样式，基于步骤(1)和步骤(2)提供的领航者期望位置和速度信息，结合多智能体二阶一致性原理，构造如下领航-跟随式协同编队控制器：

其中，u_i,x、u_i,y、u_i,z为跟随者四旋翼质点模型的控制输入，k₁、k₂表示待设计的控制器参数，x_i、y_i、z_i分别为跟随者i在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的位置分量，z_d为领航者在惯性坐标系下沿z轴的期望位置分量，v_i,x、v_i,y、v_i,z为跟随者i在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的速度分量；为领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的加速度分量。

将上述领航-跟随式协同编队控制器应用于如下四旋翼二阶质点模型：

本实施例所设计的领航者巡航飞行速度v₀为1.5米/秒，对峙跟踪半径R₀为5米，领航者的起始位置为[x₀(0),y₀(0)]^T＝[0,0]^T，离地面高度固定为5米。自驾仪的时间常数T＝0.1s，地面目标的起始位置信息和速度信息为：

本实施例中，多四旋翼编队的通讯拓扑和编队样式如图2所示，a₁₂＝a₂₁＝1，a₂₃＝a₃₂＝1,b₁＝1。为了便于分析，选择在x-y平面中确定的正三角形作为编队样式，且边长为米，故各跟随者相对于领航者的位置矢量为：Δ₁＝[0,5,0]^T、各从机的位置和速度初始状态如下：

[x₁(0),y₁(0),z₁(0),v_1,x(0),v_1,y(0),v_1,z(0),]＝[1,1,0,0,0，0]

[x₂(0),y₂(0),z₂(0),v_2,x(0),v_2,y(0),v_2,z(0),]＝[0,0,0,0,0,0]

[x₃(0),y₃(0),z₃(0),v_3,x(0),v_3,y(0),v_3,z(0),]＝[1,2,0,0,0,0]

为调整控制器的性能，对控制器参数进行选取。控制器参数如表1所示。控制器参数选择如下：位置保持控制器参数k₁为1.5，速度保持控制器参数k₂为3。

表1控制器参数列表

惯性坐标系下领航者、跟随者1、2、3以及地面目标的运动轨迹在x-z平面的投影如图3所示，可以看出，在所提制导律的作用下，跟随者可以定高对峙跟踪地面目标。

惯性坐标系下多四旋翼编队运动轨迹在x-y平面的投影如图4所示，可以看出，在所提制导律的作用下，多四旋翼可以保持期望的三角形编队构型，并对地面目标进行对峙跟踪。

每架四旋翼的位置响应和相邻距离曲线如图5所示，由图中可以看出，各个四旋翼轨迹状态在有限时间内保持较好的一致性；此外，跟随者之间的相邻距离可以快速、稳定收敛，最终与期望的三角形边长保持一致。

每架四旋翼相对于地面目标的运动轨迹在x-y平面的投影如图6所示，可以看出，领航者、跟随者可以对地面目标进行编队对峙跟踪，对峙跟踪半径与预先参数设计一致。

综上所述，本实施例所提供的一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，可以在机载传感器受限的前提下形成稳固的领航-跟随式三角形编队，并能实现对于给定地面目标的对峙持续跟踪，有效降低目标反侦察逃逸的概率，大大增强协同编队对峙跟踪目标任务的鲁棒性。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，其特征在于：包括以下步骤：

(1)结合领航者四旋翼的实时位置和搭载的光电侦察平台所探测到的目标实时位置与速度信息，利用修正的Lyapunov导航向量场算法，构建领航者的期望速度信息；

(2)将步骤(1)中设计的领航者期望速度通过一阶积分器得到领航者的期望位置，随后将其送入领航者自驾仪动态获取领航者的实时位置信息，同时将领航者实时位置反馈至步骤(1)中修正的Lyapunov导航向量场；

(3)利用代数图论知识，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式；

(4)针对步骤(1)获得的领航者期望速度和步骤(2)提供的领航者期望位置信息以及步骤(3)定义的多四旋翼通讯拓扑和编队样式，构造适用于地面目标对峙跟踪、基于二阶一致性的领航-跟随式协同编队控制器。

2.根据权利要求1所述的基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，其特征在于：所述步骤(1)构建领航者的期望速度信息具体如下：

其中，分别为领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴的期望速度分量；g_x、g_y分别为地面目标静止时领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴的期望速度分量；分别为地面目标在惯性坐标系下沿x轴、y轴的速度分量；v₀为领航者的巡航飞行速度(一般为1～3m/s)，R₀为待设计的对峙跟踪半径；为领航者与地面目标之间的几何距离；x_r、y_r为惯性坐标系下领航者与地面目标沿x轴、沿y轴的相对位置分量；x₀、y₀为惯性坐标系下领航者沿x轴、沿y轴的位置分量；x_t、y_t为惯性坐标系下地面目标沿x轴、沿y轴的位置分量；α为导航场修正因子，并且满足如下等式(3)：

3.根据权利要求1所述的基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，其特征在于：所述步骤(2)由积分器得到的领航者期望位置如下：

其中，x_d、y_d为领航者在惯性坐标系下沿x轴、沿y轴的期望位置分量，t为积分变量，t_p为领航者跟踪目标耗时；

在此基础上，所述步骤(2)中由领航者自驾仪动态获得的领航者实时位置通过以下方式得到：

其中，x₀、y₀为领航者实时位置信息，T为自驾仪的时间常数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述的基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，其特征在于：所述步骤(3)多四旋翼通讯拓扑和编队样式具体如下：四旋翼编队采用领航-跟随式结构，定义领航者是一个编号为0的节点，每一个跟随者依次被编号为1、2、3；a₁₂＝a₂₁＞0表示跟随者1和跟随者2相连，a₂₃＝a₃₂＞0跟随者2和跟随者3相连，a₁₃＝a₃₁＝0表示跟随者1和跟随者3不相连；b₁＞0表示跟随者1可以直接获取领航者信息，b₂＝0，b₃＝0表示跟随者2和跟随者3无法直接获取领航者信息；

定义领航者为多四旋翼三角形编队样式的几何中心，即编队样式坐标原点，i∈Γ＝{1，2，3}，j∈Γ＝{1，2，3}且i≠j，根据期望的编队几何形状，设计跟随者i和跟随者j相对于领航者的位置矢量Δ_i＝[Δ_i,x,Δ_i,y,Δ_i,z]^T和Δ_j＝[Δ_j,x,Δ_j,y,Δ_j,z]^T，跟随者i和跟随者j间的相对位置偏差可由Δ_ij＝Δ_i-Δ_j＝[Δ_i,x,Δ_i,y,Δ_i,z]^T-[Δ_j,x,Δ_j,y,Δ_j,z]^T＝[Δ_ij,x,Δ_ij,y,Δ_ij,z]^T描述。

5.根据权利要求1所述的基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，其特征在于：所述步骤(4)的领航-跟随式协同编队控制器具体如下：

根据多四旋翼编队通讯拓扑和编队样式，基于步骤(1)和步骤(2)提供的领航者期望位置和速度信息，结合多智能体二阶一致性原理，构造如下领航-跟随式协同编队控制器：

其中，u_i,x、u_i,y、u_i,z为跟随者四旋翼质点模型的控制输入，k₁、k₂表示待设计的控制器参数，x_i、y_i、z_i分别为跟随者i在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的位置分量，z_d为领航者在惯性坐标系下沿z轴的期望位置分量，v_i,x、v_i,y、v_i,z为跟随者i在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的速度分量；为领航者在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴的加速度分量。