CN113589840A - 一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，所述自动避撞方法中当无人机正常飞行过程中，根据侵入机和避撞机的碰撞锥检测两无人机是否会发生碰撞，如果不发生碰撞，无人机继续正常飞行；如果检测到两无人机会发生碰撞，生成快速有限时间收敛滑模导引指令进行自动避撞飞行控制，同时计算出避撞完成时间，当达到估计的避撞完成时间后避撞完成，避撞机进入正常飞行模式飞往目标点具有以下优点：解决了现有滑模控制在无人机避撞领域应用较少，以及现有的自动避撞方法难以保证系统的稳定性并且难以准确估计自动避撞完成时间的问题。
Description
技术领域
本发明属于无人机飞行控制技术领域，具体涉及一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法。
背景技术
基于导引的无人机自动避撞方法是一种快速的反应式避撞方法，计算量较小，易于综合无人机与障碍的飞行状态信息，避撞决策实时性较强。但是现有的基于导引律的无人机自动避撞方法主要针对静态的或者匀低速运动的障碍物，对于环境的复杂性和扰动考虑较少，因此基于导引的无人机自动避撞方法有待进一步改进。自动避撞技术已成为当前无人机研究的热点。
在无人机避撞方面的研究，核心思路如下：首先通过避撞检测方法检测可能发生的碰撞，然后采取合适的避撞方法，在一定的性能指标和约束下进行避撞飞行。目前滑模导引主要应用在导弹拦截领域，在无人机避撞领域应用较少。具有有限时间收敛的特性。
发明内容
针对现有滑模控制在无人机避撞领域应用较少，以及现有的自动避撞方法难以保证系统的稳定性并且难以准确估计自动避撞完成时间的问题，本发明提供了一种基于有限时间收敛导引的无人机自动避撞方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，所述自动避撞方法中当无人机正常飞行过程中，根据侵入机和避撞机的碰撞锥检测两无人机是否会发生碰撞，如果不发生碰撞，无人机继续正常飞行；如果检测到两无人机会发生碰撞，生成快速有限时间收敛滑模导引指令进行自动避撞飞行控制，同时计算出避撞完成时间，当达到估计的避撞完成时间后避撞完成，避撞机进入正常飞行模式飞往目标点。
进一步的，步骤一：基于避撞机与侵入机的碰撞锥检测。
步骤二：基于有限时间收敛滑模导引的无人机避撞指令生成与飞行控制。
步骤三：无人机自动避撞完成时间计算，在执行步骤二时，同时对无人机完成避撞的时间进行估计；
步骤四：检测避撞是否完成；
检测飞行时间是否达到估计的无人机避撞完成时间，如果达到了就执行步骤五。如果未达到继续执行步骤二；
步骤五：避撞机进入正常飞行模式，避撞机继续飞往目标点。
进一步的，所述步骤一中初始状态下避撞机沿预定的正常飞行轨迹飞往目标点。利用机载传感器获得避撞机和侵入机的飞行状态信息，飞行状态信息包括避撞机初始位置(x0,y0)、飞行速度V和航向角ψ(t)，侵入机的位置(xOB,yOB)、速度VOB和航向角ψOB，根据避撞机和侵入机的相对几何关系，得出两无人机的相对距离为RT(t)如公式1所示：
两无人机相对速度Vrel(t)如公式2所示：
Vrel(t)＝Vcos(ψrel-ψ(t))+VOBcos(π+ψOB-ψrel(t)) 公式2；
其中，ψrel(t)为两无人机相对速度方位角如公式3所示：
进一步的，所述步骤一中视线角λ(t)如公式4所示：
相对速度方位角和视线角的差值ε(t)如公式5所示：
ε(t)＝|λ(t)-ψrel(t)| 公式5。
进一步的，所述步骤一中给定安全距离RS后可求取碰撞锥的半顶角θ(t)如公
式6所示：
碰撞锥下边界角μ(t)如公式7所示：
μ(t)＝λ(t)-θ(t) 公式7。
进一步的，所述步骤一中无人机的运动模型如公式8所示：
当相对速度Vrel(t)在碰撞锥内，即相对速度方位角与视线角的偏差绝对值小于碰撞锥的半顶角，即公式为|λ(t)-ψrel(t)|＝|ε(t)|＜θ(t)，则两个无人机会发生碰撞，并执行步骤二；如果速度方位角与视线角的偏差绝对值大于或等于碰撞锥的半顶角，则执行步骤五。
进一步的，所述步骤二中检测到避撞机与侵入机发生碰撞，首先计算机生成有限时间收敛滑模导引指令a(t)如公式9所示：
其中，N为正的导引系数，取N＞2；d(t)是避撞系统存在的扰动，可由非线性状态观测测器估计得到，σ和β是常数，0＜σ＜1，β＞0，
为碰撞锥的下边界角速度如公式10所示：
其中，
为相对速度的变化率如公式11所示：
进一步的，所述步骤三中无人机自动避撞完成时间的估计过程包括以下步骤：
步骤1：避撞机滚转机动时间估计；首先计算初始状态，通过式(10)可计算碰撞锥的下边界角速度初值
通过式公式1和公式2计算Rb(0)，则避撞机的滚转机动时间
如公式12所示：
进一步的，所述步骤三中无人机自动避撞完成时间的估计过程包括以下步骤：
步骤2：
时刻之后，避撞机保持此时的航向作匀速直线飞行至两无人机航迹交点，避撞机进行直线飞行的时间
求解过程为：
首先求解航迹交点坐标
如公式13所示：
式中
和
是
时刻避撞机的位置坐标，
为无人机在
时刻的航向角，通过解方程组公式13可以求出两无人机航迹的交点坐标(xT,yT)。
进一步的，根据两无人机航迹的交点坐标(xT,yT)，避撞机进行直线飞行的时间如公式14所示：
无人机自动避撞完成时间T：
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明提出的基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法能够保证避撞系统稳定，能够在有限的时间内完成避撞。避撞时间上限值可通过计算估计得到
能够有效解决滑模导引避撞方法的抖振问题。该无人机自动避撞方法适用于多无人机避撞条件，且自动避撞完成时间估计方法较为简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法的流程图；
图2为本发明中避撞机与侵入机的几何关系图；
图3为本发明中无人机自动避撞轨迹仿真图；
图4为本发明中无人机自动避撞距离仿真图。
具体实施方式
实施例1，如图1至图4所示，一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，当无人机正常飞行过程中，侵入机和避撞机符合图2的相对几何关系，图2中ABCD为碰撞锥，其中A点和C点分别为避撞机和侵入机的位置。B、D点是根据设置的安全距离Rs计算的碰撞锥边界点。根据侵入机和避撞机的碰撞锥检测两无人机是否会发生碰撞，如果不发生碰撞，无人机继续正常飞行，如果检测到两无人机会发生碰撞，避撞机自动驾驶系统计算生成有限时间收敛滑模导引指令
进行自动避撞飞行控制，同时计算出避撞完成时间，当达到估计的避撞完成时间后避撞完成，避撞机进入正常飞行模式飞往目标点。
一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：基于避撞机与侵入机的碰撞锥检测。
根据图2，初始状态下避撞机沿预定的正常飞行轨迹飞往目标点。利用机载传感器获得避撞机和侵入机的飞行状态信息，飞行状态信息包括避撞机初始位置(x0,y0)、飞行速度V和航向角ψ(t)，侵入机的位置(xOB,yOB)、速度VOB和航向角ψOB。根据图2的避撞机和侵入机的相对几何关系，得出两无人机的相对距离为RT(t)如公式1所示：
两无人机相对速度Vrel(t)如公式2所示：
Vrel(t)＝Vcos(ψrel-ψ(t))+VOBcos(π+ψOB-ψrel(t)) 公式2。
其中，ψrel(t)为两无人机相对速度方位角如公式3所示：
视线角λ(t)如公式4所示：
相对速度方位角和视线角的差值ε(t)如公式5所示：
ε(t)＝|λ(t)-ψrel(t)| 公式5。
给定安全距离RS后可求取碰撞锥的半顶角θ(t)如公式6所示：
碰撞锥下边界角μ(t)如公式7所示：
μ(t)＝λ(t)-θ(t) 公式7。
无人机的运动模型如公式8所示：
当相对速度Vrel(t)在碰撞锥内，即相对速度方位角与视线角的偏差绝对值小于碰撞锥的半顶角，即公式为|λ(t)-ψrel(t)|＝|ε(t)|＜θ(t)，则两个无人机会发生碰撞，并执行步骤二；如果速度方位角与视线角的偏差绝对值大于或等于碰撞锥的半顶角，则执行步骤五。
步骤二：基于有限时间收敛滑模导引的无人机避撞指令生成与飞行控制。
检测到避撞机与侵入机发生碰撞，首先计算机生成有限时间收敛滑模导引指令a(t)如公式9所示：
其中，N为正的导引系数，取N＞2；d(t)是避撞系统存在的扰动，可由非线性状态观测测器估计得到，σ和β是常数，0＜σ＜1，β＞0，
为碰撞锥的下边界角速度如公式10所示：
其中，
为相对速度的变化率如公式11所示：
步骤三：无人机自动避撞完成时间计算。
在执行步骤二时，同时对无人机完成避撞的时间进行估计；无人机自动避撞完成时间的估计过程为：
步骤1：避撞机滚转机动时间估计；首先计算初始状态，通过式(10)可计算碰撞锥的下边界角速度初值
通过式公式1和公式2计算Rb(0)，则避撞机的滚转机动时间
如公式12所示：
步骤2：
时刻之后，避撞机保持此时的航向作匀速直线飞行至两无人机航迹交点，避撞机进行直线飞行的时间
求解过程为：
首先求解航迹交点坐标
如公式13所示：
式中
和
是
时刻避撞机的位置坐标，
为无人机在
时刻的航向角，通过解方程组公式13可以求出两无人机航迹的交点坐标(xT,yT)，则避撞机进行直线飞行的时间如公式14所示：
无人机自动避撞完成时间T：
步骤四：检测避撞是否完成。
检测飞行时间是否达到估计的无人机避撞完成时间T，如果达到了就执行步骤五。如果未达到继续执行步骤二；
步骤五：避撞机进入正常飞行模式。
避撞机继续飞往目标点。图3和图4为基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞仿真图。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述自动避撞方法中当无人机正常飞行过程中，根据侵入机和避撞机的碰撞锥检测两无人机是否会发生碰撞，如果不发生碰撞，无人机继续正常飞行；如果检测到两无人机会发生碰撞，生成快速有限时间收敛滑模导引指令进行自动避撞飞行控制，同时计算出避撞完成时间，当达到估计的避撞完成时间后避撞完成，避撞机进入正常飞行模式飞往目标点。
2.如权利要求1所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：基于避撞机与侵入机的碰撞锥检测。
步骤二：基于有限时间收敛滑模导引的无人机避撞指令生成与飞行控制。
步骤三：无人机自动避撞完成时间计算，在执行步骤二时，同时对无人机完成避撞的时间进行估计；
步骤四：检测避撞是否完成；
检测飞行时间是否达到估计的无人机避撞完成时间，如果达到了就执行步骤五。如果未达到继续执行步骤二；
步骤五：避撞机进入正常飞行模式，避撞机继续飞往目标点。
3.如权利要求2所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤一中初始状态下避撞机沿预定的正常飞行轨迹飞往目标点。利用机载传感器获得避撞机和侵入机的飞行状态信息，飞行状态信息包括避撞机初始位置(x0,y0)、飞行速度V和航向角ψ(t)，侵入机的位置(xOB,yOB)、速度VOB和航向角ψOB，根据避撞机和侵入机的相对几何关系，得出两无人机的相对距离为RT(t)如公式1所示：
两无人机相对速度Vrel(t)如公式2所示：
Vrel(t)＝V cos(ψrel-ψ(t))+VOBcos(π+ψOB-Ψrel(t)) 公式2；
其中，ψrel(t)为两无人机相对速度方位角如公式3所示：
4.如权利要求3所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤一中视线角λ(t)如公式4所示：
相对速度方位角和视线角的差值ε(t)如公式5所示：
ε(t)＝|λ(t)-ψrel(t)| 公式5。
5.如权利要求4所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤一中给定安全距离Rs后可求取碰撞锥的半顶角θ(t)如公式6所示：
碰撞锥下边界角μ(t)如公式7所示：
μ(t)＝λ(t)-θ(t) 公式7。
6.如权利要求5所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤一中无人机的运动模型如公式8所示：
当相对速度Vrel(t)在碰撞锥内，即相对速度方位角与视线角的偏差绝对值小于碰撞锥的半顶角，即公式为|λ(t)-ψrel(t)|＝|ε(t)|＜θ(t)，则两个无人机会发生碰撞，并执行步骤二；如果速度方位角与视线角的偏差绝对值大于或等于碰撞锥的半顶角，则执行步骤五。
7.如权利要求2所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤二中检测到避撞机与侵入机发生碰撞，首先计算机生成有限时间收敛滑模导引指令a(t)如公式9所示：
其中，N为正的导引系数，取N＞2；d(t)是避撞系统存在的扰动，可由非线性状态观测测器估计得到，σ和β是常数，0＜σ＜1，β＞0，
为碰撞锥的下边界角速度如公式10所示：
其中，
为相对速度的变化率如公式11所示：
8.如权利要求2所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤三中无人机自动避撞完成时间的估计过程包括以下步骤：
步骤1：避撞机滚转机动时间估计；首先计算初始状态，通过式(10)可计算碰撞锥的下边界角速度初值
通过式公式1和公式2计算Rb(0)，则避撞机的滚转机动时间
如公式12所示：
9.如权利要求8所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：所述步骤三中无人机自动避撞完成时间的估计过程还包括以下步骤：
步骤2：
时刻之后，避撞机保持此时的航向作匀速直线飞行至两无人机航迹交点，避撞机进行直线飞行的时间
求解过程为：
首先求解航迹交点坐标
如公式13所示：
式中
和
是
时刻避撞机的位置坐标，
为无人机在
时刻的航向角，通过解方程组公式13可以求出两无人机航迹的交点坐标(xT,yT)。
10.如权利要求9所述的一种基于有限时间收敛滑模导引的无人机自动避撞方法，其特征在于：根据两无人机航迹的交点坐标(xT,yT)，避撞机进行直线飞行的时间如公式14所示：
无人机自动避撞完成时间T：
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