CN113359856B - 一种无人机指定航向目标点导引方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机指定航向目标点导引方法及系统。所述方法，包括：获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向；根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点。本发明可以在没有GPS信号的情况下将无人机以设定航向引导至目标点。

Description

一种无人机指定航向目标点导引方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机导航领域，特别是涉及一种无人机指定航向目标点导引方法及系统。

背景技术

近年来，无人机凭借其成本低、隐蔽性好、机动性高、尺寸小和速度快等优点为军事行动创造了许多有利条件。无人机作为一种新型军事装备，广泛应用于情报侦察、目标跟踪和定点打击等作战场景。无人机必须具备良好的航迹跟踪能力，特别是在执行侦察、跟踪等任务时，需严格按照预设的航迹飞行。因此，无人机的跟踪控制能力和抗干扰能力是其安全完成飞行任务的保障。

目前无人机通常使用GPS进行导航定位，但是现代战争环境复杂多变，无人机在执行作战任务时将面临更多未知的环境干扰，在城市高楼和山谷等环境下往往无法获取稳定的GPS信号，这将导致无人机导航系统失效，在穿越这类狭长的空间时将存在严重的安全隐患，在没有GPS信号的情况下无法获取无人机当前位置，从而导致无人机飞行速度的方向与虚拟目标点的夹角无法确定，无法引导无人机沿着指定航向飞向目标点，所以急需一种在没有GPS信号的情况下仍然可以引导无人机沿着指定航向飞向目标点的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机指定航向目标点导引方法及系统，可以在没有GPS信号的情况下将无人机以设定航向引导至目标点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无人机指定航向目标点导引方法，包括：

获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向；

根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点。

可选的，所述根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角具体包括：

根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度；

根据所述横向加速度计算所述滚转角。

可选的，所述根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度，具体为：

根据公式

计算所述横向加速度，其中，a_s为横向加速度，V为飞行速度，α为视线角，ψ为航向，d为无人机到目标点的距离。

可选的，所述根据所述横向加速度计算所述滚转角，具体为根据公式

计算所述滚转角，其中，φ为滚转角，a_s为横向加速度，g为重力加速度。

一种无人机指定航向目标点导引系统，包括：

获取模块，用于获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向；

滚转角确定模块，用于根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点。

可选的，所述滚转角确定模块包括：

横向加速度单元，用于根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度；

滚转角确定单元，用于根据所述横向加速度计算所述滚转角。

可选的，所述横向加速度确定单元包括：

横向加速度确定子单元，用于根据公式

计算所述横向加速度，其中，a_s为横向加速度，V为飞行速度，α为视线角，ψ为航向，d为无人机到目标点的距离。

可选的，所述滚转角确定单元，包括：

滚转角确定子单元，用于根据公式

计算所述滚转角，其中，φ为滚转角，a_s为横向加速度，g为重力加速度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：现有的非线性制导法是利用虚拟目标点牵引无人机飞行，在没有GPS信号的情况下无法获取无人机当前位置，从而导致无人机飞行速度的方向与虚拟目标点的夹角η无法确定，相比非线性制导法，本发明选用飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向来计算滚转角，可以在没有GPS信号的情况下实现无人机的导航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，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无人机指定航向目标点导引方法的流程图；

图2为非线性制导法的示意图；

图3为本发明提供的导引方法的示意图；

图4为无人机倾斜转弯的受力图；

图5为本发明实施例提供的无人机指定航向目标点导引系统的框图；

图6为无人机飞行轨迹仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的目的在于提供一种基于视觉信息的无人机导引方法，可以解决无人机飞行过程中GPS信号丢失的问题，为了达到上述目的，本实施例提供了一种无人机指定航向目标点导引方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向。其中，无人机到目标点的距离即无人机当前位置A与目标点位置B之间的距离由无人机搭载的视觉系统实时测得，视线角为无人机当前位置A到目标点位置B之间的连线与无人机速度方向的夹角，由无人机搭载的视觉系统实时测得，飞行航向以北向为基准，顺时针0～360°。

步骤102：根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点。

在实际应用中，步骤102具体包括：

步骤1021：根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度。

步骤1022：根据所述横向加速度计算所述滚转角。

在实际应用中，可以根据无人机飞行速度V和航向ψ，以及测得的距目标点的距离d和视线角α利用非线性制导法的思想计算得到无人机调整航迹所需的横向加速度，步骤1021具体为：

根据公式

计算所述横向加速度，其中，a_s为横向加速度，V为飞行速度，α为视线角，ψ为航向，d为无人机到目标点的距离，原理如下所示，如图2所示，非线性制导法是在期望航迹上假定一个与无人机相距为L的虚拟目标点，通过该点来牵引无人机飞行，使无人机收敛至期望航迹上来，其中，η为无人机当前位置到虚拟目标点之间的连线与无人机速度方向的夹角。无人机倾斜转弯的每一瞬间都可视为无人机做圆周运动，因此横向加速度a_s也可当做圆周运动的向心加速度，其中圆周运动的半径R＝L/2sinη；由向心加速度计算公式可知a_s＝V²/R，将半径R代入最终可以得到横向加速度的表达式：

由于丢失GPS信号，无法直接获得夹角η，因此对非线性制导法进行改进，改进方法如图3所示，取线段AB的垂直平分线，与设定航向的交点记为P，点P既为虚拟目标点。记β为线段AB与设定航向之间的夹角，由此可知L＝d/2cosβ，η＝α+β，从而可以得到横向加速度

又因为β＝α-(π/2-Ψ)，则横向加速度最终表达式为：

上式可以看出，横向加速度a_s的取值仅取决于无人机飞行速度V和航向Ψ，以及测得的距目标点的距离d和视线角α。

由于导航系统最终输出的控制指令为无人机的滚转角，因此还需要进一步计算，将横向加速度a_s转换为滚转角指令φ，在实际应用中，步骤1022具体为：根据公式

计算所述滚转角，其中，φ为滚转角，a_s为横向加速度，g为重力加速度，原理如下，首先对无人机飞行过程中的受力情况进行分析，无人机在倾斜转弯的过程中受到空气的升力，在保持水平飞行的过程中，无人机所受的空气升力在纵轴的分量与自身重力相互平衡，受力分析如图4所示，图中，F为无人机受到的升力，m为无人机自重，g为重力加速度；由此可以得到：ma_s＝mgtanφ，由此可得滚转角指令的表达式为：

将横向加速度a_s代入可得滚转角指令最终的表达式：

本实施例还提供了一种与上述方法对应的无人机指定航向目标点导引系统，如图5所示，所述系统包括：

获取模块A1，用于获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向。

滚转角确定模块A2，用于根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点。

作为一种可选的实施方式，所述滚转角确定模块包括：

横向加速度单元，用于根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度。

滚转角确定单元，用于根据所述横向加速度计算所述滚转角。

作为一种可选的实施方式，所述横向加速度确定单元包括：

横向加速度确定子单元，用于根据公式

计算所述横向加速度，其中，a_s为横向加速度，V为飞行速度，α为视线角，ψ为航向，d为无人机到目标点的距离。

作为一种可选的实施方式，所述滚转角确定单元，包括：

滚转角确定子单元，用于根据公式

计算所述滚转角，其中，φ为滚转角，a_s为横向加速度，g为重力加速度。

为验证本发明的有效性，本实施例进行如下的仿真试验。

设置仿真参数如下：无人机飞行速度V＝15m/s，无人机初始位置A的坐标为(0，10)，目标点B的坐标为(200，0)，初始航向角Ψ＝85°，期望航向为X轴方向，仿真结果如图6所示，从图中结果可以看出，无人机在抵达目标点之前就已经沿期望航向飞行，并且能够保持一个较小的航迹误差，验证了本发明所提出的令无人机以设定航向通过目标点方法的有效性。

本发明有以下技术效果：

1、基于视线角和无人机与目标点之间的距离信息来实现将无人机以设定航向导引至目标点处，不依赖GPS信号的无人机导引方法，在GPS信号缺失的情况下可以依靠视觉信息实现对无人机的导航控制，从而保证无人机的飞行安全，解决了无人机导航系统严重依赖GPS信号的问题。

2、现有的非线性制导法是利用虚拟目标点牵引无人机飞行，在没有GPS信号的情况下无法获取无人机当前位置，从而导致横向加速度计算公式中的夹角η无法确定。本发明相比非线性制导法，选用无人机与目标点之间的距离以及视线角信息来计算横向加速度，因此可以在没有GPS信号的情况下实现无人机的导航。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种无人机指定航向目标点导引方法，其特征在于，包括：

获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向；

根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点；

所述根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角具体包括：

根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度；

根据所述横向加速度计算所述滚转角；

所述根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度，具体为：

根据公式

计算所述横向加速度，其中，a_s为横向加速度，V为飞行速度，α为视线角，ψ为航向，d为无人机到目标点的距离。

2.根据权利要求1所述的一种无人机指定航向目标点导引方法，其特征在于，所述根据所述横向加速度计算所述滚转角，具体为：根据公式

计算所述滚转角，其中，φ为滚转角，a_s为横向加速度，g为重力加速度。

3.一种无人机指定航向目标点导引系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取无人机的飞行参数，所述飞行参数包括：飞行速度、无人机到目标点的距离、视线角和航向；

滚转角确定模块，用于根据所述飞行参数计算所述无人机的滚转角，所述滚转角用于将无人机以设定航向引导至目标点；

所述滚转角确定模块包括：

横向加速度单元，用于根据所述飞行参数计算无人机的横向加速度；

滚转角确定单元，用于根据所述横向加速度计算所述滚转角；

所述横向加速度确定单元包括：

横向加速度确定子单元，用于根据公式

计算所述横向加速度，其中，a_s为横向加速度，V为飞行速度，α为视线角，ψ为航向，d为无人机到目标点的距离。

4.根据权利要求3所述的一种无人机指定航向目标点导引系统，其特征在于，所述滚转角确定单元，包括：

滚转角确定子单元，用于根据公式

计算所述滚转角，其中，φ为滚转角，a_s为横向加速度，g为重力加速度。

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