CN112180972A - 基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法 - Google Patents

基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，具体按照以下步骤实施：设定参考坐标系，用户在舰船区域内自定义航点，根据航点确定标准航线，同时确定无人机初始位置信息和偏航角信息；无人机在实际航行中，根据标准航线确定实际航线段；根据当前时刻无人机偏航角和航线段的偏航角，计算无人机前轮转弯角度指令，同时根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离；根据无人机前轮转弯角度指令确定无人机的实际前轮转弯角度；本发明航线确定方法兼顾了某型无人机的尺寸参数和液压特性，能够实现该无人机地面滑行过程的控制，并能够很好的跟踪给定航线。

Description

基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法
技术领域
本发明属于无人机信息技术智能技术领域，具体涉及基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法。
背景技术
近些年来，无人机(UAV:Unmanned Aerial Vehicle)在众多领域取得了长足的发展，目前关于无人机空中飞行过程运动学和动力学研究很多，而关于无人机地面滑行阶段运动学和动力学特性的研究相对较少，尤其是关于前轮转弯技术对无人机地面滑行路径影响的研究。
在地面阶段，前三点式无人机可以通过操纵前轮进行航迹纠偏，从而沿着既定航线滑行。对于某型舰载无人机，它需要在舰船甲板上沿给定航线滑行，因此设计一种基于前轮转弯技术的无人机地面滑行路径确定方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，能够对偏离给定航线的某型舰载无人机进行纠偏。
本发明所采用的技术方案是，基于前轮转弯技术的无人机地面滑行路径确定方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设定参考坐标系，用户在舰船区域内自定义航点，根据航点确定标准航线，同时确定无人机初始位置信息和偏航角信息；
步骤2、无人机在实际航行中，根据标准航线确定实际航线段；
步骤3、根据当前时刻无人机偏航角和航线段的偏航角，计算无人机前轮转弯角度指令，同时根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离；
步骤4、根据无人机前轮转弯角度指令确定无人机的实际前轮转弯角度；
步骤5、根据无人机的实际前轮转弯角度、无人机尺寸参数，确定无人机当前时刻偏航角，更新无人机偏航角信息和位置信息；
步骤6、循环执行步骤2～步骤5，直至无人机完成整条航线。
本发明的特点还在于：
步骤1具体过程为：设定参考坐标系，根据参考坐标系，确定n个航点坐标，依次为(x1,y1),(x2,y2),……,(xn,yn)，顺序连接航点确定n-1条航线段坐标矢量，依次为(x2-x1,y2-y1),(x3-x2,y3-y2),……,(xn-xn-1,yn-yn-1)，根据参考坐标系确定无人机初始位置和偏航角信息。
步骤2具体过程为：
无人机在实际航行中，判断无人机是否进行航路段切换：假设当前时刻无人机位置信息为(x，y)，当前航线段信息为[(xi-1,yi-1),(xi,yi)]，计算(x，y)和(xi，yi)的距离，并根据距离判断是否进行航线段切换：如果距离小于门限值，则自动切换航线段为[(xi,yi),(xi+1,yi+1)]，如果距离不小于门限值，则无人机的运行航路段依然为[(xi-1,yi-1),(xi,yi)]。
步骤3中计算无人机前轮转弯角度指令过程为：
假设无人机当前位置坐标为(x,y)，当前无人机偏航角为
Figure BDA0002685660440000022
当前航线段为[(xi,yi),(xi+1,yi+1)]，航线段偏航角计算如下：
Figure BDA0002685660440000021
根据无人机设计的最大前轮转弯角度指令为23°，给出其前轮转弯角度指令αcmd计算公式：
Figure BDA0002685660440000031
步骤3中根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离过程为：假设无人机当前位置坐标为(x,y)，无人机侧偏距离S的计算公式如下：
Figure BDA0002685660440000032
步骤4过程为：
将无人机实际前轮转弯过程近似为二阶系统，根据二阶系统特性和前轮转弯角度指令确定实际的前轮转弯角度。
步骤5具体过程为：
根据初始时刻偏航角
Figure BDA0002685660440000033
解算当前时刻偏航角
Figure BDA0002685660440000034
Figure BDA0002685660440000035
其中，V表示无人机速度，L1为无人机前轮到无人机质心的垂直距离，L2是无人机主轮到其质心的距离；
无人机位置坐标(x,y)计算如下：
Figure BDA0002685660440000036
其中，x0表示初始时刻x轴位置，y0表示初始时刻y轴位置。
本发明的有益效果是：
本发明基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，兼顾了某型无人机的尺寸参数和液压特性，能够实现该无人机地面滑行过程的控制，并能够很好的跟踪给定航线。
附图说明
图1为本发明基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法流程图；
图2为实施例中前轮转弯角度指令和实际前轮转弯角度对比图；
图3为实施例中无人机滑行过程中实际航线位置点坐标变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设定参考坐标系，用户在舰船区域内自定义航点，根据航点确定标准航线，同时确定无人机初始位置信息和偏航角信息；具体过程为：设定参考坐标系，根据参考坐标系，确定n个航点坐标，依次为(x1,y1),(x2,y2),……,(xn,yn)，顺序连接航点确定n-1条航线段坐标矢量，依次为(x2-x1,y2-y1),(x3-x2,y3-y2),……,(xn-xn-1,yn-yn-1)，根据参考坐标系确定无人机初始位置和偏航角信息。
步骤2、无人机在实际航行中，根据标准航线确定实际航线段，若实际飞行航行为标准航线，则实际航线为标准航线，无需切换，若无人机实际飞行中偏离标准航线，则需要判断、切换航线；具体过程为：
无人机在实际航行中，判断无人机是否进行航路段切换：假设当前时刻无人机位置信息为(x，y)，当前航线段信息为[(xi-1,yi-1)，(xi,yi)]，计算(x，y)和(xi，yi)的距离，并根据距离判断是否进行航线段切换：如果距离小于门限值，则自动切换航线段为[(xi,yi),(xi+1,yi+1)]，如果距离不小于门限值，则无人机的运行航路段依然为[(xi-1,yi-1)，(xi,yi)]。
步骤3、无人机位置信息和偏航角信息随时间变化而变化，根据当前时刻无人机偏航角和航线段的偏航角(航线段坐标向量和参考坐标系的夹角)，计算无人机前轮转弯角度指令，同时根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离；
计算无人机前轮转弯角度指令过程为：
假设无人机当前位置坐标为(x,y)，当前无人机偏航角为
Figure BDA0002685660440000054
当前航线段为[(xi,yi),(xi+1,yi+1)]，航线段偏航角计算如下：
Figure BDA0002685660440000051
根据无人机设计的最大前轮转弯角度为23°，给出其前轮转弯角度指令αcmd计算公式：
Figure BDA0002685660440000052
根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离过程为：假设无人机当前位置坐标为(x,y)，无人机侧偏距离S的计算公式如下：
Figure BDA0002685660440000053
步骤4、根据步骤3得到的该无人机前轮转弯角度指令，该无人机的前轮转弯过程是通过液压驱动系统完成的，实验研究表明：该无人机的前轮转弯系统可以近似为二阶系统，该步骤将结合上述特性确定无人机的实际前轮转弯角度；具体过程为：
将无人机实际前轮转弯过程近似为二阶系统，根据二阶系统特性和前轮转弯角度指令确定实际的前轮转弯角度。
步骤5、根据无人机的实际前轮转弯角度、无人机尺寸参数，确定无人机当前时刻偏航角，更新无人机偏航角信息和位置信息；具体过程为：
根据初始时刻偏航角
Figure BDA0002685660440000061
解算当前时刻偏航角
Figure BDA0002685660440000062
Figure BDA0002685660440000063
其中，V表示无人机速度，L1为无人机前轮到无人机质心的垂直距离，L2是无人机主轮到其质心的距离；
无人机位置坐标(x,y)计算如下：
Figure BDA0002685660440000064
其中，x0表示初始时刻x轴位置，y0表示初始时刻y轴位置。
步骤6、循环执行步骤2～步骤5，直至无人机完成整条航线。
整体计算过程采用固定步长四阶龙格-库塔算法进行解算。
实施例
通过本发明的方法对无人机的地面滑行过程进行计算，计算结果如下：
用户给定的航点坐标依次为：(50,50),(100,100),(200,178.13)。
初始时刻，无人机的位置坐标为：(0,0)，偏航角为π/9。
图2给出了前轮转弯角度指令和实际前轮转弯角度对比图，从图中可以看出，本发明考虑了该无人机的液压特性，描述了其前轮转弯角度的动态变化过程。图3给出了该无人机滑行过程中实际航线位置点坐标变化情况，从图中可以看出，该无人机能够很好的跟踪给定航线，完成地面滑行工作，适合于无人机的地面航迹纠偏和航线跟踪，是一种新型的无人机航线确定方法。
通过上述方式，本发明基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，根据预先设定航点信息、无人机初始位置和偏航角信息，通过地面滑行算法，给出对应无人机滑行路径。本发明的方法兼顾了某型无人机尺寸参数和液压特性，提出了一种新型的无人机航线确定方法。

Claims (7)

1.基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设定参考坐标系，用户在舰船区域内自定义航点，根据航点确定标准航线，同时确定无人机初始位置信息和偏航角信息；
步骤2、无人机在实际航行中，根据标准航线确定实际航线段；
步骤3、根据当前时刻无人机偏航角和航线段的偏航角，计算无人机前轮转弯角度指令，同时根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离；
步骤4、根据无人机前轮转弯角度指令确定无人机的实际前轮转弯角度；
步骤5、根据无人机的实际前轮转弯角度、无人机尺寸参数，确定无人机当前时刻偏航角，更新无人机偏航角信息和位置信息；
步骤6、循环执行步骤2～步骤5，直至无人机完成整条航线。
2.根据权利要求1所述基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，步骤1具体过程为：设定参考坐标系，根据参考坐标系，确定n个航点坐标，依次为(x1,y1),(x2,y2),……,(xn,yn)，顺序连接航点确定n-1条航线段坐标矢量，依次为(x2-x1,y2-y1),(x3-x2,y3-y2),……,(xn-xn-1,yn-yn-1)，根据参考坐标系确定无人机初始位置和偏航角信息。
3.根据权利要求1所述基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，步骤2具体过程为：
无人机在实际航行中，判断无人机是否进行航路段切换：假设当前时刻无人机位置信息为(x，y)，当前航线段信息为[(xi-1,yi-1)，(xi,yi)]，计算(x，y)和(xi，yi)的距离，并根据距离判断是否进行航线段切换：如果距离小于门限值，则自动切换航线段为[(xi,yi),(xi+1,yi+1)]，如果距离不小于门限值，则无人机的运行航路段依然为[(xi-1,yi-1),(xi,yi)]。
4.根据权利要求1所述基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，步骤3中所述计算无人机前轮转弯角度指令过程为：
假设无人机当前位置坐标为(x，y)，当前无人机偏航角为
Figure FDA0002685660430000024
当前航线段为[(xi,yi),(xi+1,yi+1)]，航线段偏航角计算如下：
Figure FDA0002685660430000021
根据无人机设计的最大前轮转弯角度指令为23°，给出其前轮转弯角度指令αcmd计算公式：
Figure FDA0002685660430000022
5.根据权利要求1所述基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，步骤3中所述根据无人机位置信息和航线段确定无人机侧偏距离过程为：假设无人机当前位置坐标为(x，y)，无人机侧偏距离S的计算公式如下：
Figure FDA0002685660430000023
6.根据权利要求1所述基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，步骤4过程为：
将无人机实际前轮转弯过程近似为二阶系统，根据二阶系统特性和前轮转弯角度指令确定实际的前轮转弯角度。
7.根据权利要求1所述基于前轮转弯技术的无人机航线确定方法，其特征在于，步骤5具体过程为：
根据初始时刻偏航角
Figure FDA0002685660430000031
解算当前时刻偏航角
Figure FDA0002685660430000032
Figure FDA0002685660430000033
其中，V表示无人机速度，L1为无人机前轮到无人机质心的垂直距离，L2是无人机主轮到其质心的距离；
无人机位置坐标(x，y)计算如下：
Figure FDA0002685660430000034
其中，x0表示初始时刻x轴位置，y0表示初始时刻y轴位置。
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