CN111650956A

CN111650956A - 一种用于目标持续观测的无人机控制方法

Info

Publication number: CN111650956A
Application number: CN202010769523.8A
Authority: CN
Inventors: 侯冀川; 李红春; 尹志德
Original assignee: Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology
Current assignee: Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2040-08-04
Also published as: CN111650956B

Abstract

本发明提供了一种用于目标持续观测的无人机控制方法，包括获取无人机、被动探测设备、目标指示信息，计算无人机位置；计算无人机与目标连线；计算无人机与目标连线和目标散布区域边缘交点，以无人机视线方向的交点作为牵引点；根据被动探测设备在无人机上的安放位置，确定绕飞半径并生成无人机控制指令。该方法简单可行，算法运算量小，生成“绕飞中心+绕飞半径”的无人机控制指令，满足现有市场上绝大部分无人机公司的输入形式，无需无人机公司对飞控程序进行大幅度更改，满足被动导引的验证要求。

Description

一种用于目标持续观测的无人机控制方法

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，具体涉及一种用于目标持续观测的无人机控制方法。

背景技术

在被动导引技术的研究中，通常采用直升机带飞和半实物仿真的方法实现对被动导引流程的验证。而随着无人机技术的发展以及设备小型化能力的提升，可以采用无人机带飞试验来实现对被动探测设备以及制导律的验证，这种试验技术在复杂制导流程的检验中更具优势，在协同制导算法的验证中显得尤为重要。

在无人机带飞试验过程中，通常采用与无人机公司合作的模式开展试验。试验前需要将被动探测设备安装在无人机上，并在地面布设信号源。试验中，无人机接收我方指令按给定航路实现飞行，在飞行过程中探测设备会探测到地面目标，将目标信息发送给制导控制系统，制导控制系统根据目标信息生成新的飞行航路，并发送给无人机，实现流程闭环。

由于需要与无人机公司进行合作，因此需要采用合适的方式实现指令传递。现在市场上的多数无人机公司都可接收“航路点与绕飞半径结合”的航迹输入形式，相当于给出一个以航路点为圆心，以绕飞半径为半径的圆形航迹。当无人机收到指令后，朝向/背离圆心飞行，当无人机到达圆形航迹后，沿着圆形航迹绕飞。而带飞试验中需要制导控制系统对无人机进行实时的航迹调整，而不是事前规划好航迹，但由于无人机系统输入形式的局限性（只接受“航路点+半径”的指令），无人机无法直接接受舵控信号或者过载指令，提高了无人机对被动导引过程模拟的难度，特别是对于侧面布局的被动探测设备。

现有无人机带飞试验控制方法主要采用制导控制法：开放飞控权限，使得无人机可以接受舵控或者过载指令，这种方式对制导过程的还原度最高。但需要无人机公司开放控制权限，对现有飞控程序进行大幅度更改；由于延时考虑只能采取机上控制方式，无法采用地面控制；学科耦合较大，无人机公司难以对指令进行检验，容易发生坠机事故；无人机故障后，难以对事故责任进行划分。

综上所述，在针对被动探测的带飞试验中，当探测设备发现目标后，需要调整无人机的姿态将探测设备对准目标以便进行持续观测，但由于无人机指令输入形式固定（均为航路点形式），因此难以直接对无人机姿态进行控制。

发明内容

针对现有技术中存在无人机受限于指令输入形式，难以便捷的调整姿态实现机载探测设备对目标的持续观测的技术问题，本发明提供了一种基于航路点指令的无人机控制方法，以便实现机载探测设备对目标的持续性观测。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种用于目标持续观测的无人机控制方法，包括如下步骤：

S1、获取无人机信息、被动探测设备信息、目标指示信息，并计算无人机位置；

S2、确定无人机与目标的连线；

S3、计算无人机与目标连线和目标散布区域边缘交点，以无人机视线方向的交点作为牵引点；

S4、确定绕飞半径并生成无人机控制指令：若被动探测设备安放于无人机前侧，则绕飞半径为无人机绕飞半径的最小值；若被动探测设备安放于无人机侧向，则绕飞半径为无人机到牵引点的距离；且目标在航向左侧则逆时针绕飞，反之顺时针绕飞。

进一步的，所述步骤S1获取的信息包括：无人机航向角、经纬度，目标航向框架角，探测设备在无人机上的安装位置，目标散布区域中心的经纬度，目标散布区域半径。

进一步的，所述控制方法在地图坐标系中进行计算，所述地图坐标系以目标散布区域中心为圆心O，以东向为x轴方向，以北向为y轴方向。

进一步的，所述步骤S1中无人机在地图坐标系的位置为：

其中，

为无人机相对于原点O的角度，

为无人机到原点的距离。

进一步的，所述步骤S2中在地图坐标系中计算无人机与目标连线

，斜率为：

其中，

，为连线方位角；

为无人机航向角；

为导引头航向框架角。

进一步的，所述步骤S3中计算无人机到牵引点距离

：

其中，

时，

；

时，

；

为无人机指向目标散布区域中心的方向角，

，取值在-180°~+ 180°范围内；

为无人机指向目标的方向角即连线方位角，取值在-180°~+180°范围内；

根据

和

计算牵引点位置。

进一步的，所述无人机控制方法设置在综合控制器上，应用于在线控制或者地面控制。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明提出的一种用于目标持续观测的无人机控制方法，导引方法简单可行，算法运算量小。可以较为精确的模拟被动导引的过程，为被动探测设备创造良好探测的条件，实现被动导引的验证。

本发明设置在综合控制器上，该方法容错能力强，对实时性要求不高，可适用于在线控制或者地面控制两种方式。

该方法生成“绕飞中心+绕飞半径”的无人机控制指令，满足现有市场上绝大部分无人机公司的输入形式，无需无人机公司对飞控程序进行大幅度更改。

本发明可适应前向、侧向两种被动探测设备的安装模式。

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示出了根据本发明的具体实施例提供的一种用于目标持续观测的无人机控制方法的流程图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的一种计算牵引点的示意图。

具体实施方式

下面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。

本发明中，目标的大致散布区域已知（目标可能存在的区域由被动探测设备粗略目标指示精度保证），且为圆形，因此可以将无人机与目标连线所在直线与目标的散布区域的交点作为牵引点，并根据探测设备安装位置下达无人机飞行指令使无人机可以实现对目标的持续性观测。

本发明提供了一种用于目标持续观测的无人机控制方法，如图1所示，主要包括如下步骤：

步骤1、获取无人机信息、探测设备信息、目标指示信息并计算无人机位置

从无人机飞控处获取：无人机姿态、无人机位置，探测设备在无人机上的安装位置和角度。

从探测设备获取：目标相对于无人机的方位，如无人机自身携带的被动探测设备输出的目标航向框架角。

从目标指示信息中获取：目标散布区域中心位置，目标散布区域半径大小。

步骤2、确定无人机与目标的连线

对无人机位置和目标方位进行一段时间的观测,使用kalman滤波等估计算法以得到较为稳定目标方位观测结果，利用观测结果计算无人机与目标连线。

步骤3、计算牵引点

计算无人机与目标连线和目标散布区域边缘交点，以无人机视线方向的交点作为牵引点。

步骤4、确定绕飞半径并生成无人机控制指令

如果被动探测设备安放于无人机前侧，则绕飞半径选择为无人机绕飞半径的最小值；如果被动探测设备安放于无人机侧向，即天线法线指向无人机侧向，则绕飞半径为无人机到牵引点的距离

。如果目标在航向左侧则逆时针绕飞，反之顺时针绕飞。

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。本实施例中，为了方便解算,在地图坐标系中进行计算，如图2所示，以目标散布区域中心为圆心O，以东向为x轴方向，以北向为y轴方向建立地图坐标系。

步骤1、获取无人机信息、探测设备信息、目标指示信息，并计算无人机在地图坐标系的位置

从无人机飞控处获取无人机航向角

（无人机航向角为机头指向与正北之间夹角，以正北为0°方向，逆时针为正），无人机经度、纬度；从被动探测设备获取目标航向框架角

（目标航向框架角为无人机与目标连线与机头指向之间夹角，以正北为0°方向，逆时针为正），被动探测设备安放在无人机侧向；从目指信息中获取目标散布区域中心的经度、纬度，目标散布区域半径

。

利用Vincenty大地解算公式求解无人机相对于地图坐标系原点O的角度

和距离

，

以正北为0°方向，顺时针为正，则无人机在地图坐标系中的坐标为：

步骤2、在地图坐标系中计算无人机与目标连线

计算连线大地方位角，以正北为0°方向，顺时针为正：

；

计算连线在地图坐标系中的斜率：

；

计算连线方程：

。

步骤3、计算牵引点

下面在地图坐标下求取无人机与目标连线和目标散布区域边缘交点位置：

无人机与目标连线所在直线到散布区域中心的距离：

；

无人机与目标连线所在直线对应弦的一半长度：

；

无人机指向目标散布区域中心的方向角

，以正北为0°方向，顺时针为正，

，并将其调整到-180°~+180°范围内。

无人机指向目标的方向角即连线大地方位角

，将其调整到-180°~+180°范围内。

计算无人机到牵引点距离

：

其中，

时，

；

时，

。

根据

和

利用Vincenty大地解算公式计算牵引点K。

步骤4、计算绕飞半径并生成无人机控制指令

被动探测设备安放于无人机侧向，天线法线指向无人机侧向，则绕飞半径为

；

，目标在航向右侧，则顺时针绕飞。

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。

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。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种用于目标持续观测的无人机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、确定无人机与目标的连线；

2.根据权利要求1所述的无人机控制方法，其特征在于，所述步骤S1获取的信息包括：无人机航向角、经纬度，目标航向框架角，探测设备在无人机上的安装位置，目标散布区域中心的经纬度，目标散布区域半径。

3.根据权利要求1所述的无人机控制方法，其特征在于，所述控制方法在地图坐标系中进行计算，所述地图坐标系以目标散布区域中心为圆心O，以东向为x轴方向，以北向为y轴方向。

4.根据权利要求3所述的无人机控制方法，其特征在于，所述步骤S1中无人机在地图坐标系的位置为：

其中，

为无人机相对于原点O的角度，

为无人机到原点的距离。

5.根据权利要求4所述的无人机控制方法，其特征在于，所述步骤S2中在地图坐标系中计算无人机与目标连线

，斜率为：

其中，

为连线方位角；

为无人机航向角；

为导引头航向框架角。

6.根据权利要求5所述的无人机控制方法，其特征在于，所述步骤S3中计算无人机到牵引点距离

：

其中，

时，

；

时，

；

为无人机指向目标散布区域中心的方向角，

，取值在-180°~+ 180°范围内；

根据

和

计算牵引点位置。

7.根据权利要求1~6任一项所述的无人机控制方法，其特征在于，所述无人机控制方法设置在综合控制器上，应用于在线控制或者地面控制。