CN113867417B - 一种无人机移动目标久航追踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机移动目标久航追踪方法,包括以下步骤:设定无人机的有效追踪半径R;实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,以有效追踪半径R为飞行轨迹,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标处于匀速直线运动时,无人机进入久航追踪模式;久航追踪模式下,无人机交替进行无动力滑翔和有动力爬升。本发明的久航追踪方法能在满足时刻有效追踪目标的同时,尽可能地节省能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行器移动目标追踪方法,特别涉及一种无人机移动目标久航追踪方法。
背景技术
无人机即无人驾驶的飞机,由于其适应性强,可以满足许多不同场景的任务。由于固定翼无人机具有最小飞行速度的限制,因此当追踪移动目标飞行时,经常采用大半径盘旋飞行的方式,这种方式对于久航追踪移动目标来说是一种低效的飞行方式。
由于所能携带的能源有限,因此目前国内外对于无人机长时间追踪移动目标的研究主要集中在气动外形、发动机方面,研究思路是利用更先进的气动外形以及更节能高效的发动机来实现更长时间的飞行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,基于无人机的自身性能,提供一种无动力滑翔与有动力飞行结合的无人机移动目标久航追踪方法,在满足时刻有效追踪目标的同时,尽可能地节省能耗。
本发明的技术方案是:一种无人机移动目标久航追踪方法,包括以下步骤:
设定无人机的有效追踪半径R;
实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,以有效追踪半径R为飞行轨迹,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标处于匀速直线运动时,无人机进入久航追踪模式;
久航追踪模式下,无人机交替进行无动力滑翔和有动力爬升。
进一步地,无人机在久航追踪模式下,仍然实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标重新进行匀速直线运动时,无人机再次进入久航追踪模式。
进一步地,久航追踪模式下,进一步包括以下步骤:
规划无人机的久航追踪轨迹,无人机的久航追踪轨迹包括两段圆弧和两段线段;
根据无人机的飞行性能、飞机参数、移动目标运动速度、有效追踪半径,计算久航追踪轨迹中的圆弧最小半径、两段线段的总长和最大滑翔周期数;
当无人机完成最大滑翔周期数后或者检测到飞行高度接近最低安全飞行高度后,无人机进行有动力爬升,如此循环进行久航追踪。
进一步地,圆弧最小半径的计算方式如下:计算无人机在最小下滑率的滑翔状态下对应的最小下滑率h S 、飞行速度V m 和滑翔盘旋半径r,最小下滑率的滑翔状态下对应的滑翔盘旋半径r即为无人机的久航追踪轨迹的圆弧最小半径。
进一步地,无人机以最小下滑率进行滑翔时,诱导阻力是零升阻力的3倍,根据诱导阻力和零升阻力的公式计算得出:
其中:W为无人机总重,ρ为空气密度,S为机翼面积,k为诱导阻力因子,C D0为零升阻力系数;μ为无人机最大倾斜角,g为重力加速度。
进一步地,无人机的久航追踪轨迹的两段线段的总长的计算方式如下:
进一步地,无人机的最大滑翔周期数的计算方式如下:
进一步地,所述久航追踪轨迹包括:·A代表移动目标初始位置,·B代表无人机飞至移动目标正前方时目标的位置,·C代表无人机飞回移动目标正后方时目标的位置,有效追踪范围是以·A、·B、·C为圆心,半径为有效追踪半径R的圆形。
进一步地,移动目标位于初始位置·A时,无人机从移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的下方交点·S进入轨迹,此时无人机的飞行轨迹与圆形有效追踪范围相切,关闭动力按久航追踪轨迹以最小下滑率进行滑翔,无人机飞至移动目标正前方时,无人机位于移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的上方交点,同样无人机的追踪轨迹与圆形有效追踪范围相切,从而保证直线滑翔的距离尽可能大,无人机再次飞至移动目标正后方时,无人机位于移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的下方交点·E,无人机完成一个滑翔周期。
进一步地,无人机的有效追踪半径R与机载摄像头分辨率、空气能见度有关。
本发明具有以下有益效果:本发明的无人机移动目标久航追踪方法,既可以满足无人机最小飞行速度的限制,又可以通过无动力滑翔节约能源,增加无人机的追踪时间,满足时刻有效追踪目标的同时,尽可能地节省能耗。
附图说明
图1是无人机追踪轨迹俯视图。
图2是无人机滑翔与爬升轨迹侧视图。
图3是本实施方式的一种无人机移动目标久航追踪方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例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。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
一种无人机移动目标久航追踪方法包括以下步骤:
步骤S1,设定无人机的有效追踪半径R。
无人机的有效追踪半径R是指无人机的摄像头能拍摄到移动目标的最大距离,无人机的有效追踪半径R与机载摄像头分辨率、空气能见度有关。
步骤S2,实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,以有效追踪半径R为飞行轨迹,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标处于匀速直线运动时,无人机进入久航追踪模式。
步骤S3,久航追踪模式下,无人机交替进行无动力滑翔和有动力爬升。
在步骤S3中,无人机在久航追踪模式下,仍然实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标重新进行匀速直线运动时,无人机再次进入久航追踪模式。
步骤S3进一步包括以下步骤:
步骤S31、规划无人机的久航追踪轨迹,无人机的久航追踪轨迹包括两段圆弧和两段线段共同组成。
无人机的追踪轨迹的规划原则为无人机实时处于有效追踪范围内且直线运动距离尽可能长,此种飞行方式既可以满足无人机最小飞行速度的限制,又可以通过无动力滑翔节约能源,增加无人机的追踪时间,无人机的久航追踪轨迹包括两段圆弧和两段线段共同组成。
步骤S32、根据无人机的飞行性能、飞机参数、移动目标运动速度、有效追踪半径,计算久航追踪轨迹中的圆弧最小半径、两段线段的总长和最大滑翔周期数。
如图1所示,·A代表移动目标初始位置,·B代表无人机飞至移动目标正前方时目标的位置,·C代表无人机飞回移动目标正后方时目标的位置,相应地,○A’,○B’,○C’分别代表对应三个位置的有效追踪范围,有效追踪范围是以·A、·B、·C为圆心,半径为有效追踪半径R的圆形。移动目标位于初始位置·A时,无人机从移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的下方交点·S进入轨迹,此时无人机的飞行轨迹与圆形有效追踪范围相切,关闭动力按追踪轨迹以最小下滑率进行滑翔,无人机飞至移动目标正前方时,无人机位于移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的上方交点,同样无人机的追踪轨迹与圆形有效追踪范围相切,从而保证直线滑翔的距离尽可能大,无人机再次飞至移动目标正后方时,无人机位于移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的下方交点·E,无人机完成一个滑翔周期。
步骤S321、计算无人机在最小下滑率的滑翔状态下对应的最小下滑率h S 、飞行速度V m 和滑翔盘旋半径r,最小下滑率的滑翔状态下对应的滑翔盘旋半径r即为无人机的久航追踪轨迹的圆弧最小半径。
无人机以最小下滑率进行滑翔时,诱导阻力是零升阻力的3倍,根据诱导阻力和零升阻力的公式可计算得出:
其中:W为无人机总重,ρ为空气密度,S为机翼面积,k为诱导阻力因子,C D0为零升阻力系数;μ为无人机最大倾斜角,g为重力加速度。
步骤S322、计算无人机的久航追踪轨迹的两段线段的总长。
步骤S323、计算无人机的最大滑翔周期数。
步骤S33、当无人机完成最大滑翔周期数后或者检测到飞行高度接近最低安全飞行高度后,无人机进行有动力爬升,如此循环进行久航追踪。
滑翔过程实时保持飞行高度检测,当无人机已完成最大数量的滑翔周期或者检测到飞行高度接近最低安全飞行高度后,无人机转换为有动力飞行并开始爬升,无人机以与滑翔相同的前飞速度,此速度下以最大爬升率状态,进行爬升飞行,飞行高度达到最大巡航高度后再次进入无动力滑翔,无人机进行无动力滑翔与有动力爬升的往复飞行,同时保证无人机的飞行轨迹始终处于有效追踪范围内,不需要额外进行调整。
实施例1
针对一个具体的无人机样例,对本发明的追踪方法进行进一步说明。
无人机重量为W=800千克,机翼面积S=9.5平方米,零升阻力系数C D0=0.018,诱导阻力因子k = 0.08,空气密度取ρ=1.023,安全飞行条件下所允许的最大过载n=3.0。无人机有效追踪半径为R=5000m,无人机最大倾斜角μ=45°,无人机允许飞行高度为200米-4200米,即h 0=200m,h 1=4000m,海面上一移动运输船运动速度为50km/h。
无人机在以最小下滑率滑翔时,根据上述公式可计算得出:下滑率,对应的飞行速度,无人机在对应速度下滑翔盘旋半径;则无人机允许滑翔的总时间为,无人机第一次到移动目标正前方时间间隔为,无人机第一次移动到移动至目标正后方时间间隔为,则无人机每次可以滑翔周期数为;无人机每个周期航行总距离为。
综上,对于此无人机的追踪任务,无人机的轨迹为两段半径为204m的半圆和两段总长为21382m的线段组成,每滑翔2个周期后进行爬升,如此循环进行久航追踪。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无人机移动目标久航追踪方法,其特征在于,包括以下步骤:
设定无人机的有效追踪半径R;
实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,以有效追踪半径R为飞行轨迹,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标处于匀速直线运动时,无人机进入久航追踪模式;
久航追踪模式下,无人机交替进行无动力滑翔和有动力爬升;
久航追踪模式下,进一步包括以下步骤:
规划无人机的久航追踪轨迹,无人机的久航追踪轨迹包括两段圆弧和两段线段;
根据无人机的飞行性能、飞机参数、移动目标运动速度、有效追踪半径,计算久航追踪轨迹中的圆弧最小半径、两段线段的总长和最大滑翔周期数;
当无人机完成最大滑翔周期数后或者检测到飞行高度接近最低安全飞行高度后,无人机进行有动力爬升,如此循环进行久航追踪;
圆弧最小半径的计算方式如下:计算无人机在最小下滑率的滑翔状态下对应的最小下滑率h S 、飞行速度V m 和滑翔盘旋半径r,最小下滑率的滑翔状态下对应的滑翔盘旋半径r即为无人机的久航追踪轨迹的圆弧最小半径;
无人机以最小下滑率进行滑翔时,诱导阻力是零升阻力的3倍,根据诱导阻力和零升阻力的公式计算得出:
其中:W为无人机总重,ρ为空气密度,S为机翼面积,k为诱导阻力因子,C D0为零升阻力系数;μ为无人机最大倾斜角,g为重力加速度;
无人机的久航追踪轨迹的两段线段的总长的计算方式如下:
无人机的最大滑翔周期数的计算方式如下:
2.根据权利要求1所述的一种无人机移动目标久航追踪方法,其特征在于,无人机在久航追踪模式下,仍然实时监测追踪目标的运动状态,当追踪目标处于非匀速直线运动时,无人机在空中拉起至巡航最大高度,保持围绕目标的等高度盘旋飞行,当追踪目标重新进行匀速直线运动时,无人机再次进入久航追踪模式。
3.根据权利要求1所述的一种无人机移动目标久航追踪方法,其特征在于,所述久航追踪轨迹包括:·A代表移动目标初始位置,·B代表无人机飞至移动目标正前方时目标的位置,·C代表无人机飞回移动目标正后方时目标的位置,有效追踪范围是以·A、·B、·C为圆心,半径为有效追踪半径R的圆形。
4.根据权利要求3所述的一种无人机移动目标久航追踪方法,其特征在于,移动目标位于初始位置·A时,无人机从移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的下方交点·S进入轨迹,此时无人机的飞行轨迹与圆形有效追踪范围相切,关闭动力按久航追踪轨迹以最小下滑率进行滑翔,无人机飞至移动目标正前方时,无人机位于移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的上方交点,同样无人机的追踪轨迹与圆形有效追踪范围相切,无人机再次飞至移动目标正后方时,无人机位于移动目标速度轴线与圆形有效追踪范围的下方交点·E,无人机完成一个滑翔周期。
5.根据权利要求1所述的一种无人机移动目标久航追踪方法,其特征在于,无人机的有效追踪半径R与机载摄像头分辨率、空气能见度有关。
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