CN109933053A - 一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开的一种基于机动动作链的无人机控制方法和设备，涉及无人机控制技术，能够解决现有无人机控制技术指挥员的操纵负担大的问题。指挥员根据无人机状态和当前空中态势，决策后选择无人机将要执行的空战任务，针对空战任务可离线规划一条机动动作链，包含机动动作类型、参数和切换条件，并将此指令信息通过遥测天线发送给无人机，无人机收到后根据指令执行机动动作链并完成空战任务，该方法和设备主要用于无人机控制。

Description

一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机。

背景技术

无人机的控制形式从顶层(全自主)到底层(全遥控)，一般包括全自主控制、任务控制、机动动作控制、位置速度控制、姿态过载控制和直接舵面控制等。针对瞬息万变的空战态势，无人机的智能水平还达不到全自主作战，而留给指挥员决策并控制无人机的战机转瞬即逝，因此无人机的控制形式应该简单明确。一般而言，控制形式越接近顶层，控制越简单，指挥员的操作负担越小。根据目前的无人机自主能力，采用机动动作链的控制形式能最大程度的简化无人机控制和减小指挥员操作负担。

机动动作链由连续多个机动动作拼接而成，国内外学者最早在有人机空战自主决策中对机动动作进行了研究，“典型战术动作库”中各个机动动作没有定量的数学描述，无法进行准确控制，而“基本操纵动作库”中各个机动动作工作在极限状态并且无法体现空战战术目的或意图。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机，能够解决现有无人机控制技术指挥员的操纵负担大的问题。

本发明的技术解决方案：

一种基于机动动作链的无人机控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，指挥员根据无人机状态和当前空中态势，在地面控制站或空中控制站选择无人机将要执行的空战任务；

步骤2，指挥员针对空战任务从第一机动动作库中选取机动动作，并在离线状态下，基于选取的机动动作生成一条机动动作链，并将所述机动动作链通过遥测天线发送给无人机，所述机动动作链是指一条按特定顺序执行的机动动作序列，机动动作链中，包含机动动作类型、机动动作的描述参数以及机动动作间的切换条件，所述描述参数用于体现机动动作的包括空间几何和时间在内的特性；

步骤3，无人机通过传感器获取自身状态信息，结合第二机动动作库和自身状态信息从所述机动动作链中解析出当前机动动作的类型和描述参数；

步骤4，无人机依据自身状态信息修改解析出的机动动作的描述参数；

步骤5，无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作；

步骤6，无人机依据自身状态信息，判断当前机动动作与下一机动动作之间的切换条件是否满足，若不满足，继续当前机动动作，若满足，切换至下一机动动作，重复步骤3和步骤4内容，直至完成最后一个机动动作。

进一步可选的，所述无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作包括：

对于高速摇摇类的机动动作，通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块生成角加速度指令，最后通过控制分配方法，根据给定的 角加速度指令，得到需要的舵偏控制指令；

对于桶滚和筋斗两个机动动作，桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制，攻角和滚转角一起作为气流角指令，侧滑角指令为零；

对于直线、转弯和盘旋三个机动动作，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小控制指令。

进一步可选的，紧急情况下，无人机指挥员通过地面控制站或空中控制站直接向无人机发送机动动作类型和描述参数，以便无人机依据接收的机动动作类型和描述参数进行飞行状态控制，确保无人机安全。

一种无人机，该无人机包括：

接收单元，用于接收指挥员通过遥测天线发送的机动动作链，所述机动动作链是指一条按特定顺序执行的机动动作序列，机动动作链中，包含机动动作类型、机动动作的描述参数以及机动动作间的切换条件，所述描述参数用于体现机动动作的包括空间几何和时间在内的特性；

解析单元，用于无人机通过传感器获取自身状态信息，结合第二机动动作库和自身状态信息从所述机动动作链中解析出当前机动动作的类型和描述参数；

参数修订单元，用于无人机依据自身状态信息修改解析出的机动动作的描述参数；

动作执行单元，用于无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作；

动作切换单元，用于无人机依据自身状态信息，判断当前机动动作与下一机动动作之间的切换条件是否满足，若不满足，继续当前机动动作，若满足，切换至下一机动动作，重复步骤3和步骤4内容，直至完成最后一个机动动作。

进一步可选的，所述动作执行单元包括：

第一机动动作控制器，用于对于高速摇摇类的机动动作，通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块生成角加速度指令，最后通过控制分配方法，根据给定的角加速度指令，得到需要的舵偏控制指令；

第二机动动作控制器，用于对于桶滚和筋斗两个机动动作，桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制，攻角和滚转角一起作为气流角指令，侧滑角指令为零；

第三机动动作控制器，用于对于直线、转弯和盘旋三个机动动作，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小控制指令。

本发明实施例提供的一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机，设计出了一个可扩充的适用于空战任务的无人机机动动作库，在此基础上通过机动动作链的形式控制无人机执行空战任务。这种相对顶层的无人机控制形式，有效地减轻了无人机指挥员的操纵负担，能充分利用无人机自主作战能力和智能水平。指挥无人机完成空战任务。无人机采用机动动作链的控制方法，无论是地面还是空中的无人机指挥员，都可以通过机动动作指令的形式实现对无人机的实时准确控制，在保证无人机安全的前提下能大大减小指挥员的操纵负担，最大可能地发挥出无人机机动能力强、隐身性能好、成本低廉等显著优势。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于机动动作链的无人机控制方法原理结构示意图；

图2为本发明实施例中第一机动动作控制器结构示意图；

图3为本发明实施例中第二机动动作控制器结构示意图；

图4为本发明实施例中第三机动动作控制器结构示意图；

图5为本发明实施例中机动动作控制器的控制结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

为了设计适用于空战的无人机机动动作，本发明实施例提供一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机，从机动动作本身的几何形态出发，有其确定的几何和数学描述，同时体现空战战术目的或意图。无人机指挥员可通过地面控制站或空中控制站遥控指挥无人机，指挥员根据无人机状态和当前空中态 势，决策后选择无人机将要执行的空战任务，针对空战任务可离线规划一条机动动作链，包含机动动作类型、参数和切换条件，并将此指令信息通过遥测天线发送给无人机，无人机收到后根据指令执行机动动作链并完成空战任务。

具体的，参见图1，该方法包括以下步骤：

步骤1，指挥员根据无人机状态和当前空中态势，在地面控制站或空中控制站选择无人机将要执行的空战任务；

步骤2，指挥员针对空战任务从第一机动动作库中选取机动动作，并在离线状态下，基于选取的机动动作生成一条机动动作链，并将所述机动动作链通过遥测天线发送给无人机，所述机动动作链是指一条按特定顺序执行的机动动作序列，机动动作链中，包含机动动作类型、机动动作的描述参数以及机动动作间的切换条件，所述描述参数用于体现机动动作的包括空间几何和时间在内的特性；

步骤3，无人机通过传感器获取自身状态信息，结合第二机动动作库和自身状态信息从所述机动动作链中解析出当前机动动作的类型和描述参数；

例如从机动动作链解析出来的第一个机动动作是直线机动动作，则需设置航向角、航迹倾斜角和速率导数三个描述参数，完成直线机动动作；

步骤4，无人机依据自身状态信息修改解析出的机动动作的描述参数；

步骤5，无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作；

对于高速摇摇类的机动动作，参见图2，通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块生成角加速度指令，最后通过控制分配方法，根据给定的角加速度指令，得到需要的舵偏控制指令；

对于桶滚和筋斗两个机动动作，参见图3，桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制，攻角和滚转角一起作为气流角指令，侧滑角指令为零；

对于直线、转弯和盘旋三个机动动作，参见图4，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小控制指令。

步骤6，无人机依据自身状态信息，判断当前机动动作与下一机动动作之间的切换条件是否满足，若不满足，继续当前机动动作，若满足，切换至下一机动动作，重复步骤3和步骤4内容，直至完成最后一个机动动作。

例如直线机动动作的下一个机动动作是转弯，切换条件是到达某指定区域，根据当前无人机位置信息判断无人机是否处于该区域，若处于则切换至转弯机动动作，若不处于，继续当前机动动作。

紧急情况下，无人机指挥员通过地面控制站或空中控制站直接向无人机发送机动动作指令控制，确保无人机安全。

为了实现上述基于机动动作链的无人机控制方法，本发明实施例还提供一种无人机，该无人机包括：

一种无人机，其特征在于，该无人机包括：

接收单元，用于接收指挥员通过遥测天线发送的机动动作链，所述机动动作链是指一条按特定顺序执行的机动动作序列，机动动作链中，包含机动动作类型、机动动作的描述参数以及机动动作间的切换条件，所述描述参数用于体现机动动作的包括空间几何和时间在内的特性；

解析单元，用于无人机通过传感器获取自身状态信息，结合第二机动动作 库和自身状态信息从所述机动动作链中解析出当前机动动作的类型和描述参数；

参数修订单元，用于无人机依据自身状态信息修改解析出的机动动作的描述参数；

动作执行单元，用于无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作；

动作切换单元，用于无人机依据自身状态信息，判断当前机动动作与下一机动动作之间的切换条件是否满足，若不满足，继续当前机动动作，若满足，切换至下一机动动作，重复步骤3和步骤4内容，直至完成最后一个机动动作。

优选的，所述动作执行单元包括：

第一机动动作控制器，用于对于高速摇摇类的机动动作，通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块生成角加速度指令，最后通过控制分配方法，根据给定的角加速度指令，得到需要的舵偏控制指令；

第二机动动作控制器，用于对于桶滚和筋斗两个机动动作，桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制，攻角和滚转角一起作为气流角指令，侧滑角指令为零；

第三机动动作控制器，用于对于直线、转弯和盘旋三个机动动作，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小控制指令。

本发明实施例提供的一种基于机动动作链的无人机控制方法和无人机，设计出了一个可扩充的适用于空战任务的无人机机动动作库，在此基础上通过机 动动作链的形式控制无人机执行空战任务。这种相对顶层的无人机控制形式，有效地减轻了无人机指挥员的操纵负担，能充分利用无人机自主作战能力和智能水平。指挥无人机完成空战任务。无人机采用机动动作链的控制方法，无论是地面还是空中的无人机指挥员，都可以通过机动动作指令的形式实现对无人机的实时准确控制，在保证无人机安全的前提下能大大减小指挥员的操纵负担，最大可能地发挥出无人机机动能力强、隐身性能好、成本低廉等显著优势。

为了便于读者理解，下面对本发明实施例的技术方案设计过程进行详细说明，如图1所示该技术方案主要包括两方面的内容，一是无人机机动动作的设计、控制和执行，二是人在回路的无人机指挥实现。

步骤1：机动动作库的建立

针对无人机的机动动作设计问题，应综合有人机在战术机动方面上的成果，结合无人机具体的性能特点，设计无人机的机动动作。在设计方法上，首先明确机动动作的种类，可参照典型战术动作；其次要以若干参数对动作进行定量描述，以体现角度、速度、曲率等空间几何特性和起止、持续等时间特性。比如，“直线”机动的航迹倾斜角体现俯冲与拉起的区别，速率导数参数体现加、减速或发动机工作状态的区别；“转弯”机动的转弯角速度体现左转、右转和转弯剧烈程度的区别，转弯航迹倾斜角体现向上转弯、向下转弯的区别；“追踪”动作的前置角体现前置跟踪、纯跟踪和滞后追踪的区别等。不同种类的机动动作需要使用不同类型的参数，有的动作需要多个参数来描述。为了降低控制层设计和实现的复杂程度，每种动作的描述参数应尽量少。

根据以上分析，本发明选取典型战术机动作为定性描述，结合每个机动的战术意义和几何形态，定义机动动作的描述参数，从而构成本发明的机动动作 库，如表所示。

表1机动动作库

步骤2：机动动作控制器的设计

机动动作的种类和描述参数的不同，导致各机动动作的控制量也不同。另外，有些机动几何形态复杂，具有多个自由度，有的甚至可划分为若干阶段(高速摇摇)，每个阶段具有不同的特征。而不可预知的目标机运动很大程度上也可能影响无人机机动动作的执行过程。机动动作本身种类繁多，特征不尽相同，关联性很小，没法构造一个数学模型准确描述多种机动动作，因此也难以通过单个控制器对多种机动进行控制。既然机动动作存在复杂性和多样性，那么可以将机动动作简单分类，分别设计机动动作控制器。

第I类机动动作只包括高速摇摇机动，主要关心无人机的角运动，产生纯粹的角运动指令，控制过程如图2所示。通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块，也就是气流角控制器生成角加速度指令，最后通过 控制分配方法，根据给定的角加速度指令，得到需要的舵偏。

第II类机动动作包括桶滚和筋斗两个机动动作，对应的描述参数给出了无人机的线加速度和滚转角指令，同时关心线运动和角运动，控制过程如图3所示。桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制。攻角和滚转角(侧滑角指令为零)一起作为气流角指令，控制过程和I类指令相同。

物理上，位置、速度和加速度形成积分关系，彼此相互关联，因此第III类和第IV类机动动作只是关注的运动层次不同。其中，第III类机动动作包括直线、转弯和盘旋三个机动，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小指令；第IV类机动动作包括航线、编队、追踪、逼近、平行接近和遍历六个机动，根据各自的描述参数得到相对位置误差指令，第III类和第IV类机动动作的控制结构如图4所示。第III类机动得到速度矢量的方向和大小指令后，通过伪动力学模块，也就是速度矢量控制生成线加速度和滚转角指令，接下来就和第II类指令的控制过程相同。第IV类机动需比第III类机动多一个从相对位置误差到速度矢量的伪动力学模块，其余的控制过程和III类机动相同。

基于以上分析，机动动作控制器的作用就是从机动动作和相应描述参数出发，根据描述参数的不同设计不同的控制律，主要包括运动学控制模块和动力学控制模块。其中运动学控制模块接收机动动作的运动学控制量，建立运动参数的闭环反馈，设计合适的动态过程，输出线加速度、角加速度等动力学指令。动力学控制模块结合对象的物理特性实现线加速度与角加速度，输出气流角、油门杆和舵偏等指令。机动动作控制器的控制结构如图5所示。

步骤3：机动动作的执行

对于巡航、监控等简单任务而言，无人机仅需要一个直线、悬停或盘旋等机动即可完成任务。但是对于绝大多数空战任务，需要依靠多个连续机动动作才能完成。鉴于此，我们提出了一个新的想法，无人机采用机动动作链的形式执行机动动作，完成空战任务。

根据无人机的自主水平，机动动作链的设计一般有以下三种方法：1)离线设计；2)人在回路实时设计；3)无人机自动在线生成。离线设计对无人机的自主性要求最低，形式与任务简报相似，但其设计出的机动动作链形式就相对固定和单一，只能执行某些确定的任务，而且不能响应空战中的突发状况。人在回路实时设计需要实时监控无人机，实现了任务与态势的即时匹配，要求无人机指挥员选择机动动作类型和设置机动参数，相对而言可以采用灵活多变的战术执行空战任务，但对指挥员的操纵负担要求较高。而自动在线生成机动动作链，对无人机的自主性和智能水平要求很高，无人机必须能感知和分析当前态势情况，做出正确的决策和选择，自动生成并执行机动动作链，可实现在线航迹规划、在线战术决策、在线任务规划等技术，此时无人机应具有一定程度的全自主空战能力，也是今后无人机的发展趋势。

步骤4：人在回路的无人机指挥实现

受当前无人机自主能力和智能水平限制，只能通过离线设计和人在回路实时设计机动动作链两种方式执行机动动作，实现对无人机的指挥控制。前者需要指挥员实时监测飞行数据，后者需要指挥员实时控制无人机。因此，需在无人机指挥系统上加入机动动作的控制形式，设计的控制界面必须简洁明了，使 得指挥员能迅速选择机动动作类型和设置机动动作参数，不贻误战机。鉴于空中能更清楚的识别空战态势，必要时需将机动动作的控制形式搬到空中，便于指挥员在空中直接决策，控制无人机。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种基于机动动作链的无人机控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，指挥员根据无人机状态和当前空中态势，在地面控制站或空中控制站选择无人机将要执行的空战任务；

步骤2，指挥员针对空战任务从第一机动动作库中选取机动动作，并在离线状态下，基于选取的机动动作生成一条机动动作链，并将所述机动动作链通过遥测天线发送给无人机，所述机动动作链是指一条按特定顺序执行的机动动作序列，机动动作链中，包含机动动作类型、机动动作的描述参数以及机动动作间的切换条件，所述描述参数用于体现机动动作的包括空间几何和时间在内的特性；

步骤3，无人机通过传感器获取自身状态信息，结合第二机动动作库和自身状态信息从所述机动动作链中解析出当前机动动作的类型和描述参数；

步骤4，无人机依据自身状态信息修改解析出的机动动作的描述参数；

步骤5，无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作；

步骤6，无人机依据自身状态信息，判断当前机动动作与下一机动动作之间的切换条件是否满足，若不满足，继续当前机动动作，若满足，切换至下一机动动作，重复步骤3和步骤4内容，直至完成最后一个机动动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作包括：

对于高速摇摇类的机动动作，通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块生成角加速度指令，最后通过控制分配方法，根据给定的角加速度指令，得到需要的舵偏控制指令；

对于桶滚和筋斗两个机动动作，桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制，攻角和滚转角一起作为气流角指令，侧滑角指令为零；

对于直线、转弯和盘旋三个机动动作，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小控制指令。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，紧急情况下，无人机指挥员通过地面控制站或空中控制站直接向无人机发送机动动作类型和描述参数，以便无人机依据接收的机动动作类型和描述参数进行飞行状态控制，确保无人机安全。

4.一种无人机，其特征在于，该无人机包括：

接收单元，用于接收指挥员通过遥测天线发送的机动动作链，所述机动动作链是指一条按特定顺序执行的机动动作序列，机动动作链中，包含机动动作类型、机动动作的描述参数以及机动动作间的切换条件，所述描述参数用于体现机动动作的包括空间几何和时间在内的特性；

解析单元，用于无人机通过传感器获取自身状态信息，结合第二机动动作库和自身状态信息从所述机动动作链中解析出当前机动动作的类型和描述参数；

参数修订单元，用于无人机依据自身状态信息修改解析出的机动动作的描述参数；

动作执行单元，用于无人机依据修改后的机动动作的描述参数和当前机动动作类型执行该机动动作；

动作切换单元，用于无人机依据自身状态信息，判断当前机动动作与下一机动动作之间的切换条件是否满足，若不满足，继续当前机动动作，若满足，切换至下一机动动作，重复步骤3和步骤4内容，直至完成最后一个机动动作。

5.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，所述动作执行单元包括：

第一机动动作控制器，用于对于高速摇摇类的机动动作，通过雷达系下的指向误差得到气流角指令，再通过伪动力学模块生成角加速度指令，最后通过控制分配方法，根据给定的角加速度指令，得到需要的舵偏控制指令；

第二机动动作控制器，用于对于桶滚和筋斗两个机动动作，桶滚和筋斗机动都给出了线加速度和滚转角指令，通过线运动动态逆模块对线加速度进行控制，得到攻角和油门杆指令，油门杆指令作为一个单独的输入指令对无人机进行控制，攻角和滚转角一起作为气流角指令，侧滑角指令为零；

第三机动动作控制器，用于对于直线、转弯和盘旋三个机动动作，根据各自的描述参数得到速度矢量的方向和大小控制指令。