CN111650957B - 一种用于目标搜索的无人机控制方法 - Google Patents

一种用于目标搜索的无人机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于目标搜索的无人机控制方法，包括获取无人机探测设备信息、无人机当前姿态信息、目标分布区域信息；计算满足目标搜索的无人机摆动角度范围；计算无人机牵引点，使得无人机在摆动角度范围内周期性摆动；当无人机实现对目标的探测条件后退出流程。本发明通过设计牵引点使得无人机姿态周期性摆动，在无人机指令输入形式受限的条件下，实现了无人机对指定分布区域内目标的探测。另外实时计算输出的牵引点指令变化平缓，与无人机相应能力挂钩，不宜出现飞行安全问题。该方法适用于信息不完整目标的目标搜索流程。

Description

一种用于目标搜索的无人机控制方法
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搜索的无人机控制方法。
背景技术
在被动协同探测的过程中，探测设备只能获取目标的角度信息，因此当一个探测设备发现目标后，需要请求分布在不同位置的其他探测设备进行协助探测，以便实现对目标的定位或识别。由于发现目标的探测设备只能提供目标的方位信息，结合探测设备的探测距离可大致将目标位置确定在某条线段上并提供给其他探测设备。同样，在某些目标信息不完整的情况下，无人机只能获取到目标大致的分布区域，该分布区域较大而无人机探测波束较窄，且目标信息不连续，因此需要探测设备对该区域进行往复式的探测。对于固连在无人机上的被动探测设备而言，需要调整无人机的姿态来实现对目标的探测。
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。但由于无人机系统指令输入形式的局限性（只接受“航路点+绕飞半径”的指令），无法直接对无人机的姿态进行调整，只能通过对无人机航路点指令的调整，实现无人机姿态的调节。
发明内容
针对现有技术中存在的无人机受限于指令输入形式无法直接进行姿态调整的技术问题，本发明提出了一种用于目标搜索的无人机控制方法，通过改变无人机航路点位置来调节无人机姿态，从而实现对目标探测。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种用于目标搜索的无人机控制方法，包括如下步骤：
S1、获取无人机探测设备信息、无人机当前姿态信息、目标分布区域信息；
S2、根据步骤S1获取的信息，计算满足目标搜索的无人机摆动角度范围；
S3、根据无人机当前姿态信息和无人机的摆动角度范围生成无人机牵引点，使得无人机在摆动角度范围内周期性摆动；
S4、当无人机实现对目标的探测条件后退出流程。
进一步的，所述步骤S1中无人机探测设备信息为探测角度范围和探测设备天线法线方向相对于无人机的安装角，无人机当前姿态信息为航向姿态角，目标分布区域信息为一条线段或者为无人机位置与目标分布区域两条切线的切点组成的一条线段。
进一步的，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S2.1、连接无人机质心与目标分布区域的两个端点构成两条探测边缘线；
S2.2、将两条探测边缘线分别顺时针旋转一个探测设备天线法线方向相对于无人机的安装角得到两条机头指向边缘线，两条机头指向边缘线夹角为无人机摆动角度范围；
S2.3、选取与无人机机头指向夹角绝对值较小的机头指向边缘线作为起始机头指向线，另一条作为终止机头指向线。
进一步的，所述步骤S2.2中，当两条探测边缘线夹角较大时，根据探测设备的探测 角度范围
Figure 485134DEST_PATH_IMAGE001
，将两条机头指向边缘线的夹角缩小
Figure 339958DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 119695DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步的，所述步骤S2.2中，当无人机安装有多组探测设备时，计算出多组机头指向边缘线，选择终止机头指向线与无人机机头指向夹角最小的一组作为无人机摆动角度范围。
进一步的，所述步骤S3包括如下步骤：
S3.1、无人机向
Figure 514904DEST_PATH_IMAGE004
方向偏移：将牵引点设置为无人机机头指向前部
Figure 266960DEST_PATH_IMAGE005
处、偏 向
Figure 89422DEST_PATH_IMAGE004
方向
Figure 356455DEST_PATH_IMAGE006
处的点；实时解算牵引点位置，直到
Figure 493039DEST_PATH_IMAGE007
变号，然后向
Figure 161917DEST_PATH_IMAGE008
方向偏移；
S3.2、之后让无人机向
Figure 155281DEST_PATH_IMAGE008
方向偏移：将牵引点设置为无人机机头指向前部
Figure 909611DEST_PATH_IMAGE005
处、偏向
Figure 82841DEST_PATH_IMAGE008
方向
Figure 606226DEST_PATH_IMAGE006
处的点；实时解算牵引点位置，直到
Figure 36070DEST_PATH_IMAGE009
变号，然 后向
Figure 277696DEST_PATH_IMAGE004
方向偏移；
其中，
Figure 552819DEST_PATH_IMAGE004
为起始机头指向边缘线与正北夹角，
Figure 133973DEST_PATH_IMAGE008
为终止机头指向线与正 北夹角，
Figure 469140DEST_PATH_IMAGE010
为无人机的航向姿态角。
进一步的，所述
Figure 198061DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 214559DEST_PATH_IMAGE006
由期望转弯半径估算，所述期望转弯半径应不小于最小转 弯半径。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明提出了一种用于目标搜索的无人机控制方法，适用于信息不完整目标的目标搜索流程。
本发明通过设计牵引点使得无人机姿态周期性摆动，在无人机指令输入形式受限的条件下，实现了无人机对指定分布区域内目标的探测。
本发明实时计算输出的牵引点指令变化平缓，与无人机相应能力挂钩，不宜出现飞行安全问题。
本发明容错能力强，不论无人机机头指向处于机头指向边缘线之内还是之外，最终都可以实现无人机机头指向在两条机头指向边缘线所夹劣弧上摆动。
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为本发明具体实施例提供的一种用于目标搜索的无人机控制方法的流程图；
图2为本发明具体实施例提供的一种无人机摆动角度范围示意图；
图3为本发明具体实施例提供的无人机向
Figure 712536DEST_PATH_IMAGE004
方向摆动示意图；
图4为本发明具体实施例提供的无人机向
Figure 484183DEST_PATH_IMAGE008
方向摆动示意图。
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。
本发明提出了一种用于目标搜索的无人机控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、读取信息
获取无人机探测设备信息、无人机当前姿态信息、目标分布区域信息。
S2、计算无人机摆动角度范围
根据目标分布区域信息、无人机当前姿态信息和无人机探测设备信息，计算出满足目标探测的无人机摆动角度范围。
S3、计算牵引点
根据无人机当前姿态信息和无人机的摆动角度范围生成无人机牵引点，使得无人机姿态在摆动角度范围内周期性摆动。
S4、退出流程
当无人机实现对目标的探测条件后退出流程。
下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细阐述。
S1、读取信息和信息处理
获取无人机探测设备信息：获取无人机探测设备的探测角度范围
Figure 372505DEST_PATH_IMAGE001
，获取探测设 备天线法线方向相对于无人机的安装角
Figure 255010DEST_PATH_IMAGE011
，探测设备天线法向指向无人机头部为0，法线 方向逆时针旋转为正，如：探测设备在无人机右侧安装时，天线法向向右，安装角
Figure 607494DEST_PATH_IMAGE011
为 - 90度。
获取无人机当前姿态信息：获取无人机的航向姿态角
Figure 550042DEST_PATH_IMAGE010
。
获取目标分布区域信息：获取的目标分布区域可以是一个平面区域或者一条线段，为了便于计算，均采用线段来表示目标分布区域。如果获得的目标分布区域为一个平面区域，则计算无人机位置到这个平面区域的两条切线，以两切点构成的线段表示该目标分布区域。如图2所示，目标分布区域是一条线段MP。
S2、计算无人机摆动角度范围
连接无人机质心与目标分布区域线段的两个端点构成两条探测边缘线，将两条探 测边缘线分别顺时针旋转一个探测设备天线法线方向相对于无人机的安装角
Figure 191239DEST_PATH_IMAGE011
得到两条 机头指向边缘线，两条机头指向边缘线夹角为无人机摆动角度范围，无人机机头指向需要 在两条机头指向边缘线所夹劣弧区域内往复运动，以实现对目标的探测。将与无人机机头 指向夹角绝对值较小的机头指向边缘线作为起始机头指向线，其与正北夹角为
Figure 611856DEST_PATH_IMAGE004
；另 一条作为终止机头指向线，其与正北夹角为
Figure 84426DEST_PATH_IMAGE008
。
如图2所示，过无人机质心O位置做两条射线分别与目标所在线段的两个端点M、P 相连，得到两条直线OM、OP记为探测边缘线，定义两条探测边缘线与正北的夹角分别为
Figure 371444DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 296675DEST_PATH_IMAGE013
，指向正北为0，逆时针为正，范围为[-180°~180°]。
将两条探测边缘线分别沿顺时针旋转一个安装角的角度
Figure 520983DEST_PATH_IMAGE011
得到两条直线，记为 机头指向边缘线。以安装角为-90度为例，则两条直线顺时针旋转-90度（即逆时针旋转90 度），两条机头指向边缘线与正北的夹角
Figure 520163DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 804514DEST_PATH_IMAGE015
分别为：
Figure 217040DEST_PATH_IMAGE016
Figure 182722DEST_PATH_IMAGE017
机头指向边缘线角平分线方向为
Figure 364305DEST_PATH_IMAGE018
，机头指向边缘线所夹角度大小 为
Figure 553978DEST_PATH_IMAGE019
。短时间内只要无人机机头指向OX在两条机头指向边缘线所夹劣弧区 域内往复运动，便可以实现对目标的探测。
优选的，当
Figure 453801DEST_PATH_IMAGE020
较大时，可以根据探测设备的探测角度范围
Figure 456130DEST_PATH_IMAGE001
，将两条机头指 向边缘线的夹角缩小
Figure 757798DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 118372DEST_PATH_IMAGE003
。
由于机载探测设备具有一定的波束宽度，因此，当
Figure 708753DEST_PATH_IMAGE020
较大时可以进一步缩小机 头指向边缘线所夹区域。比如当探测角度范围
Figure 78555DEST_PATH_IMAGE001
为60°时，可以将两条机头指向边缘线分 别往中部缩减20°，这样既可以保证对目标的覆盖，也可以减小无人机的机动范围。
优选的，当无人机安装有多组探测设备时，计算出多组机头指向边缘线，选择终止机头指向线与无人机机头指向夹角最小的一组作为无人机摆动角度范围。
当无人机安装有多组探测装置，会计算出多组机头指向边缘线。以第i个探测设备 为例，选取该探测设备计算出的两条机头指向边缘线中与无人机机头指向夹角绝对值较小 的一条机头指向边缘线作为起始机头指向线，记其与正北夹角为
Figure 969150DEST_PATH_IMAGE021
；另一条作为终止 机头指向线，记其与正北夹角为
Figure 766205DEST_PATH_IMAGE022
。
Figure 47145DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 220637DEST_PATH_IMAGE022
角度范围为[-180°~180]。
即：
如果
Figure 231319DEST_PATH_IMAGE023
，则
Figure 136958DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 233090DEST_PATH_IMAGE025
；
反之
Figure 944694DEST_PATH_IMAGE026
，则
Figure 809882DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 152001DEST_PATH_IMAGE028
；
选取多组探测设备计算出的
Figure 735429DEST_PATH_IMAGE022
中
Figure 985145DEST_PATH_IMAGE029
最小一组的
Figure 970419DEST_PATH_IMAGE022
作为
Figure 453746DEST_PATH_IMAGE008
，其对应的
Figure 524470DEST_PATH_IMAGE021
作为
Figure 577877DEST_PATH_IMAGE004
。
S3、计算牵引点
如图3、4所示，无人机机头指向在
Figure 417657DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 101579DEST_PATH_IMAGE008
角度所夹劣弧之间摆动，实时 计算牵引点，牵引点为无人机机头指向前部距离
Figure 394020DEST_PATH_IMAGE005
处、偏向
Figure 251118DEST_PATH_IMAGE004
或
Figure 945404DEST_PATH_IMAGE008
方向距离
Figure 269069DEST_PATH_IMAGE006
处的点，包括如下步骤：
S3.1、先让无人机向
Figure 314386DEST_PATH_IMAGE004
方向偏移：将牵引点设置为无人机机头指向前部
Figure 709595DEST_PATH_IMAGE005
处、偏向
Figure 258388DEST_PATH_IMAGE004
方向
Figure 346430DEST_PATH_IMAGE006
处的点；实时解算牵引点位置，直到
Figure 49681DEST_PATH_IMAGE007
变号，然后向
Figure 248581DEST_PATH_IMAGE008
方向偏移。
S3.2、之后让无人机向
Figure 651881DEST_PATH_IMAGE008
方向偏移：将牵引点设置为无人机机头指向前部
Figure 910824DEST_PATH_IMAGE005
处、偏向
Figure 665153DEST_PATH_IMAGE008
方向
Figure 605428DEST_PATH_IMAGE006
处的点；实时解算牵引点位置，直到
Figure 128813DEST_PATH_IMAGE009
变号。
上述步骤中，距离
Figure 558657DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 534703DEST_PATH_IMAGE006
的大小可根据期望转弯半径估算，出于安全起见，期望 转弯半径应不小于最小转弯半径，以免滚动角超限；如将牵引点设置为无人机机头前方1km 偏向
Figure 75406DEST_PATH_IMAGE004
方向400m处。其中期望转弯半径只是一个参考值，根据无人机机动性能、任务 需求确定，其值越小无人机侧向机动越剧烈。
S4、退出流程
重复上述步骤S3.1、S3.2，直到无人机实现对目标的探测条件后退出流程。
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 (4)

1.一种用于目标搜索的无人机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取无人机探测设备信息、无人机当前姿态信息、目标分布区域信息；
所述无人机探测设备信息为探测角度范围和探测设备天线法线方向相对于无人机的安装角，所述无人机当前姿态信息为航向姿态角，所述目标分布区域信息为一条线段或者为无人机位置与目标分布区域两条切线的切点组成的一条线段；
S2、根据步骤S1获取的信息，计算满足目标搜索的无人机摆动角度范围；
具体包括如下步骤：
S2.1、连接无人机质心与目标分布区域的两个端点构成两条探测边缘线；
S2.2、将两条探测边缘线分别顺时针旋转一个探测设备天线法线方向相对于无人机的安装角得到两条机头指向边缘线，两条机头指向边缘线夹角为无人机摆动角度范围；
S2.3、选取与无人机机头指向夹角绝对值较小的机头指向边缘线作为起始机头指向线，另一条作为终止机头指向线；
S3、根据无人机当前姿态信息和无人机的摆动角度范围生成无人机牵引点，使得无人机在摆动角度范围内周期性摆动；
具体包括如下步骤：
S3.1、无人机向Φstart方向偏移：将牵引点设置为无人机机头指向前部l1处、偏向Φstart方向l2处的点；实时解算牵引点位置，直到
Figure FDA0002711606750000011
变号，然后向Φend方向偏移；
S3.2、之后让无人机向Φend方向偏移：将牵引点设置为无人机机头指向前部l1处、偏向Φend方向l2处的点；实时解算牵引点位置，直到
Figure FDA0002711606750000012
变号，然后向Φstart方向偏移；
其中，Φstart为起始机头指向线与正北夹角，Φend为终止机头指向线与正北夹角，
Figure FDA0002711606750000021
为无人机的航向姿态角；
S4、当无人机实现对目标的探测条件后退出流程。
2.根据权利要求1所述的用于目标搜索的无人机控制方法，其特征在于，所述步骤S2.2中，当两条探测边缘线夹角较大时，根据探测设备的探测角度范围λs，将两条机头指向边缘线的夹角缩小2ΔΦ，
Figure FDA0002711606750000022
3.根据权利要求1所述的用于目标搜索的无人机控制方法，其特征在于，所述步骤S2.2中，当无人机安装有多组探测设备时，计算出多组机头指向边缘线，选择终止机头指向线与无人机机头指向夹角最小的一组作为无人机摆动角度范围。
4.根据权利要求1所述的用于目标搜索的无人机控制方法，其特征在于，所述l1、l2由期望转弯半径估算，所述期望转弯半径应不小于最小转弯半径，其中l1为牵引点到无人机机头的距离，l2为牵引点偏向Φstart或Φend方向的距离。
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