CN114384924A - 一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法 - Google Patents

一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法 Download PDF

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CN114384924A CN202111481645.8A CN202111481645A CN114384924A CN 114384924 A CN114384924 A CN 114384924A CN 202111481645 A CN202111481645 A CN 202111481645A CN 114384924 A CN114384924 A CN 114384924A
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吴永华
耿庆庆
李宗唐
常琼林
李元
刘军利
王法博
王少文
刘曦娟
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法。等距对运动追踪系统建立模型；通过估算目标位置以及计算期望速度，设计速度环控制率实现对目标的等距跟踪，进而达到对目标监视的效果。

Description

一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法
技术领域
本发明属于无人机自动跟踪领域，具体涉及无人机定距跟踪地面 移动目标的控制方法。
背景技术
随着科学技术的发展，旋翼飞行器得到了广泛的应用。旋翼飞行 器配合无人机场能真正的实现无人值班，为风电，油气，光伏，电力， 石油管道，矿山以及水利工程的智能化巡检提供了技术基础以及实际 应用平台。配合后端处理软件能做到真正意义上的无人自动化服务。 在建立智慧城市以及风电巡检过程中，经常需要对移动目标进行监视。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的 控制方法，能够有效准确地监视地面移动目标。
本发明的技术方案是，一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的 控制方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一，等距对运动追踪系统建立模型
为了保证目标始终保持在云台相机的图像中心，云台相机的俯仰角 α应该满足：
Figure BDA0003395081010000011
Figure BDA0003395081010000021
当旋翼无人机与目标之间的水平距离d等于旋翼无人 机的飞行高度h时，即可满足云台相机的俯仰角为
Figure BDA0003395081010000022
为了保证目标始终保持在云台相机的图像中心，云台相机的方位 角β应该满足：
β＝0° (5)
步骤二，计算旋翼无人机的目标位置
k时刻旋翼无人机位置为：
Pkv＝[xkv ykv h] (6)
k+1时刻目标位置为：
P(k+1)t＝[x(k+1)t y(k+1)t 0] (7)
那么k+1时刻旋翼无人机目标位置：
P(k+1)v＝[x(k+1)v y(k+1)vz(k+1)v] (8)
其中
Figure BDA0003395081010000023
Figure BDA0003395081010000024
z(k+1)v＝h＝zkv (13)
其中h满足如下关系：
h≥50m (14)
步骤三，目标位置估计
通过旋翼无人机当前位置推算目标位置，计算公式如下：
x(k+1)t＝xkv+d·cos(ψ)
y(k+1)t＝ykv+d·sin(ψ)
Figure BDA0003395081010000031
在进行目标位置估算时，通过云台相机的方位角β控制旋翼无人 机对准目标，可通过航向角速率控制器实现对准目标，设期望的航向 角速率为r：
r＝kp·β (16)
kp为航向角速率控制器比例增益，这样就能保证旋翼无人机实时对准 目标，使得式(15)成立；
步骤四，水平通道速度环控制率设计
在计算得到旋翼无人机期望速度Vt后，水平通道速度环控制率设 计为：
at＝Kv·(Vt-V) (19)
其中Kv为速度环比例增益，期望加速度at通过小扰动假设理论计算得 到期望的姿态Θt；期望加速度使用向量表示如下：
Figure BDA0003395081010000032
期望倾角姿态Θt使用向量表示如下：
Figure BDA0003395081010000033
Figure BDA0003395081010000041
整理得
Figure BDA0003395081010000042
再次整理式(23)得到由加速度到倾角的计算公式：
Figure BDA0003395081010000043
根据式(24)通过期望加速度at转换为期望倾角Θt，通过姿态控制 器实现对倾角的控制。
进一步地，航向角速率控制器控制流程如下：
(1)通过云台相机反馈的方位角β,调用航向角速率控制器实现旋 翼无人机对准目标，期望的航向角速率如式(16)所示；
(2)根据旋翼无人机自身的导航系统得到旋翼无人机当前位置Pkv＝[xkv ykv h],结合式(15)，估计目标位置P(k+1)t＝ [x(k+1)t y(k+1)t]；
(3)根据目标位置计算下一时刻旋翼无人机期望位置 P(k+1)v＝[x(k+1)vy(k+1)vz(k+1)v]，再得到下一时刻旋翼无人机期望的 位置；
(4)根据计算得到的旋翼无人机期望的位置后，经过比例控制器 得到期望速度，调用速度控制器，使得旋翼无人机到达期望位置，进 而跟踪运动目标，并能保证目标在云台相机的图像中心位置；由期望 位置得到期望速度的计算表达式如下：
Vt＝kpv·Pt (17)
这里的Vt表示期望速度，Pt为旋翼无人机在k+1时刻的期望位置，Kpv为比例增益；
速度控制器在得到期望速度Vt后，与机载导航系统反馈的当前X 轴的速度V做差得到误差速度ΔV，误差速度经过速度环PI控制器得 到期望加速度at；速度环PI控制器的表达式：
Figure BDA0003395081010000051
Kpv为速度环PI控制器比例增益，Kiv为速度环PI控制器积分增益，
Figure BDA0003395081010000052
为积分算子。
进一步地，姿态控制器对倾角的控制流程如下：
(1)期望姿态俯仰角度θt，由机载导航系统反馈的当前俯仰角度θ， 做差后得到误差角度Δθ，经过角度环比例控制器得到期望俯仰角速 率ωt；
角度环比例控制器的表达式如下：
ωt＝Kθ·Δθ (25)
Kθ为俯仰角姿态控制器角度外环比例增益，期望俯仰角速率ωt与记 载导航系统反馈的当前俯仰角速率ω做差得到误差角速率Δω，经过 角速率PID控制器得到控制量进而给到旋翼执行机构，执行机构产生 动作作用于旋翼的动力学和运动学模型达到期望的倾角俯仰角；
角速率PID控制器的表达式如下：
Figure BDA0003395081010000061
上式中kpθ为角速率环比例增益，kiθ为角速率环积分增益，kdθ为角 速率环微分增益，
Figure BDA0003395081010000062
为积分运算符，s为微分运算符；
(2)旋翼的动力学方程如下：
Figure BDA0003395081010000063
L表示旋翼中心到飞机质心的距离，
Figure BDA0003395081010000064
为三轴角速率，
Figure BDA0003395081010000065
为 三轴角角速率，
Figure BDA0003395081010000066
为三轴惯量；
(3)旋翼的运动学方程如下：
Figure BDA0003395081010000067
上式中等号右边第三项为阻力项，与飞行器的速度成正比，符号相反，Kd为阻力系数；上式中，
Figure BDA0003395081010000071
为三维方向加速度，
Figure BDA0003395081010000072
表示机体系到导 航系的旋转矩阵，U1为升力，旋转矩阵
Figure BDA0003395081010000073
的表达式如下：
Figure BDA0003395081010000074
式(29)中的ψ表示航向角，θ表示俯仰角，γ表示滚转角。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明中，等距对运动追踪系统建立模型；
2、本发明中，通过估算目标位置以及计算期望速度，设计速度环 控制率实现对目标的等距跟踪，进而达到对目标监视的效果。
附图说明
图1是速度环控制率设计示意图。
图2是姿态控制器结构示意图。
具体实施方式
本发明一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法，具体 实施过程包含如下步骤：
步骤一，等距对运动追踪系统建立模型
在进行旋翼无人机目标跟踪控制率设计时，需要对目标跟踪系统 进行建模，并进行变量定义。如下所示：
旋翼无人机速度：Vv；
旋翼无人机位置：Pv；
旋翼无人机与目标之间的斜距：l；
旋翼无人机与目标之间的水平距离为：d；
旋翼无人机的飞行高度：h；
旋翼无人机挂载的云台相机的俯仰角：α；
旋翼无人机挂在的云台相机的方位角：β；
旋翼无人机挂载的云台相机光轴与垂直面的夹角：
Figure BDA0003395081010000081
目标速度：Vc；
目标位置：Pc。
云台相机俯仰角θ的范围满足如下条件：
Figure BDA0003395081010000082
云台相机方位角β的范围满足如下条件：
β∈[-π，π] (2) 为了保证目标始终保持在云台相机的图像中心，云台俯仰角α应该 满足：
Figure BDA0003395081010000083
那么可得：
Figure BDA0003395081010000084
由于旋翼无人机的飞行高度h已知，可得
Figure BDA0003395081010000085
即旋翼 无人机与目标之间的水平距离等于旋翼无人机的飞行高度，即可满足 云台相机的俯仰角为
Figure BDA0003395081010000091
即使由于运动过程中的干扰，目标偏离了图 像中心，旋翼无人机仍然有足够的裕度使得目标回到图像中心。
为了保证目标始终保持在云台相机的图像中心，云台相机的方位角 β应该满足：
β＝0° (5)
步骤二，计算旋翼无人机的目标位置
在满足式约束角度(3)和(5)时，现在计算旋翼无人机的目标 位置，假设k时刻旋翼无人机位置为：
Pkv＝[xkv ykv h] (6)
k+1时刻目标位置为：
P(k+1)t＝[x(k+1)t y(k+1)t 0] (7)
那么k+1时刻旋翼无人机目标位置：
P(k+1)v＝[x(k+1)v y(k+1)vz(k+1)v] (8)
水平位置应满足：
Figure BDA0003395081010000092
k时刻旋翼无人机位置，k+|时刻目标位置，k+1时刻旋翼无人机位 置满足共线方程。
Figure BDA0003395081010000093
联立式(9)和(10)得到k+1时刻旋翼无人机的目标位置
Figure BDA0003395081010000101
Figure BDA0003395081010000102
z(k+1)v＝h＝zkv (13)
为了保证飞行安全，实际应用过程中建议h满足如下关系：
h≥50m (14)
这样能避免高楼以及树木的干扰。
步骤三，目标位置估计
根据k时刻旋翼无人机位置，此时云台相机反馈云台俯仰角α和 方位角β。那么可通过旋翼无人机当前位置推算目标位置，计算公式 如下：
x(k+1)t＝xkv+d·cos(ψ) (15)
y(k+1)t＝ykv+d·sin(ψ)
Figure BDA0003395081010000103
其中ψ为旋翼无人机自身的航向角，在进行目标位置估算时，需 要通过云台相机方位角β控制旋翼无人机对准目标，可通过航向角速 率控制器实现对准目标，设期望的航向角速率为r：
r＝kp·β (16)
kp为航向角速率控制器比例增益，这样就能保证旋翼无人机实时对准 目标，使得式(15)成立。
本部分的控制流程如下：
(1)通过云台相机反馈的方位角β，调用航向角速率控制器实现 旋翼无人机对准目标，期望的航向角速率如式(16)所示；
(2)根据旋翼无人机自身的导航系统得到旋翼无人机当前位置Pkv＝[xkv ykv h]，结合式(15)，估计目标位置P(k+1)t＝ [x(k+1)t y(k+1)t]；
(3)根据目标位置计算下一时刻旋翼无人机期望位置 P(k+1)v＝[x(k+1)vy(k+1)vz(k+1)v]，再得到下一时刻旋翼无人机期望的 位置；
(4)根据计算得到的旋翼无人机期望的位置后，经过比例控制器 得到期望速度，调用速度控制器，使得旋翼无人机到达期望位置，进 而跟踪运动目标，并能保证目标在云台相机的图像中心位置。由期望 位置得到期望速度的计算表达式如下：
Vt＝kpv.Pt (17)
这里的Vt表示期望速度，Pt为旋翼无人机在k+1时刻的期望位置，Kpv为比例增益。速度控制器控制结构示意图如图1所示。以X轴的 速度控制为例进行说明，在得到期望速度Vt后，与机载导航系统反馈 的当前X轴的速度V做差得到误差速度ΔV，误差速度经过速度环PI 控制器得到期望加速度at。速度环PI控制器的表达式：
Figure BDA0003395081010000111
Kpv为速度环PI控制器比例增益，Kiv为速度环PI控制器积分增益，
Figure BDA0003395081010000112
为积分算子。
步骤四，水平通道速度环控制率设计
在计算得到旋翼无人机期望速度Vt后，水平通道速度环控制率可 设计为：
at＝Kv·(Vt-V) (19)
其中Kv为速度环比例增益，期望加速度at通过小扰动假设理论计算得 到期望的姿态Θt。小扰动假设的条件是：旋翼飞行器在平衡位置没 有高度方向的运动，机体没有航向方向的运动并且航向角度ψ≈0为 零。期望加速度(导航系下)使用向量表示如下：
Figure BDA0003395081010000121
期望倾角姿态Θt使用向量表示：
Figure BDA0003395081010000122
Figure BDA0003395081010000123
整理得
Figure BDA0003395081010000124
再次整理式(23)得到由加速度到倾角的计算公式：
θt＝arctan(-ax/g)
γt＝arctan(ay·cosθ/g) (24)
式(24)即为从加速度到倾角(滚转和俯仰)公式。根据(24)就可以通 过期望加速度at转换为期望倾角Θt，通过姿态控制器即可实现对倾 角的控制，姿态控制的结构如图2所示。在图2中，以俯仰角姿态控 制器为例，期望姿态俯仰角度θt，由机载导航系统反馈的当前俯仰角 度θ，做差后得到误差角度Δθ，经过角度环比例控制器得到期望俯仰 角速率ωt。角度环比例控制器的表达式如下：
ωt＝Kθ·Δθ (25)
Kθ为俯仰角姿态控制器角度外环比例增益，期望俯仰角速率ωt与记 载导航系统反馈的当前俯仰角速率ω做差得到误差角速率Δω，经过 角速率PID控制器得到控制量进而给到旋翼执行机构，执行机构产生 动作作用于旋翼的动力学和运动学模型达到期望的倾角俯仰角。角速 率PID控制器的表达式如下：
Figure BDA0003395081010000131
上式中kpθ为角速率环比例增益，kiθ为角速率环积分增益，kdθ为角 速率环微分增益，
Figure BDA0003395081010000132
为积分运算符，s为微分运算符。
滚转角的控制结构与俯仰角结构一致。
旋翼的动力学方程：
Figure BDA0003395081010000133
L表示旋翼中心到飞机质心的距离，
Figure BDA0003395081010000141
为三轴角速率，
Figure BDA0003395081010000142
为 三轴角角速率，
Figure BDA0003395081010000143
为三轴惯量。
运用牛顿第二定律得到旋翼飞行器的运动学方程：
Figure BDA0003395081010000144
上式中等号右边第三项为阻力项，与飞行器的速度成正比，符号相反， Kd为阻力系数。上式中，
Figure BDA0003395081010000145
为三维方向加速度，
Figure BDA0003395081010000146
表示机体系到导 航系的旋转矩阵。U1为升力，旋转矩阵
Figure BDA0003395081010000147
的表达式：
Figure BDA0003395081010000148
式(29)中的ψ表示航向角，θ表示俯仰角，γ表示滚转角。

Claims (3)

1.一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一，等距对运动追踪系统建立模型
为了保证目标始终保持在云台相机的图像中心，云台相机的俯仰角α应该满足：
Figure FDA0003395080000000011
Figure FDA0003395080000000012
当旋翼无人机与目标之间的水平距离d等于旋翼无人机的飞行高度h时，即可满足云台相机的俯仰角为
Figure FDA0003395080000000013
为了保证目标始终保持在云台相机的图像中心，云台相机的方位角β应该满足：
β＝0° (5)
步骤二，计算旋翼无人机的目标位置
k时刻旋翼无人机位置为：
Pkv＝[xkv ykv h] (6)
k+1时刻目标位置为：
P(k+1)t＝[x(k+1)t y(k+1)t 0] (7)
那么k+1时刻旋翼无人机目标位置：
P(k+1)v＝[x(k+1)v y(k+1)vz(k+1)v] (8)
其中
Figure FDA0003395080000000021
Figure FDA0003395080000000022
z(k+1)v＝h＝zkv (13)
其中h满足如下关系：
h≥50m (14)
步骤三，目标位置估计
通过旋翼无人机当前位置推算目标位置，计算公式如下：
x(k+1)t＝xkv+d·cos(ψ)
y(k+1)t＝ykv+d·sin(ψ)
Figure FDA0003395080000000023
在进行目标位置估算时，通过云台相机的方位角β控制旋翼无人机对准目标，可通过航向角速率控制器实现对准目标，设期望的航向角速率为r：
r＝kp·β (16)
kp为航向角速率控制器比例增益，这样就能保证旋翼无人机实时对准目标，使得式(15)成立；
步骤四，水平通道速度环控制率设计
在计算得到旋翼无人机期望速度Vt后，水平通道速度环控制率设计为：
at＝Kv·(Vt-V) (19)其中Kv为速度环比例增益，期望加速度at通过小扰动假设理论计算得到期望的姿态Θt；期望加速度使用向量表示如下：
Figure FDA0003395080000000031
期望倾角姿态Θt使用向量表示如下：
Figure FDA0003395080000000032
Figure FDA0003395080000000033
整理得
Figure FDA0003395080000000034
再次整理式(23)得到由加速度到倾角的计算公式：
Figure FDA0003395080000000035
根据式(24)通过期望加速度at转换为期望倾角Θt，通过姿态控制器实现对倾角的控制。
2.如权利要求1所述的一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法，其特征是，航向角速率控制器控制流程如下：
(1)通过云台相机反馈的方位角β,调用航向角速率控制器实现旋翼无人机对准目标，期望的航向角速率如式(16)所示；
(2)根据旋翼无人机自身的导航系统得到旋翼无人机当前位置Pkv＝[xkv ykv h],结合式(15)，估计目标位置P(k+1)t＝[x(k+1)t y(k+1)t]；
(3)根据目标位置计算下一时刻旋翼无人机期望位置P(k+1)v＝[x(k+1)vy(k+1)vz(k+1)v]，再得到下一时刻旋翼无人机期望的位置；
(4)根据计算得到的旋翼无人机期望的位置后，经过比例控制器得到期望速度，调用速度控制器，使得旋翼无人机到达期望位置，进而跟踪运动目标，并能保证目标在云台相机的图像中心位置；由期望位置得到期望速度的计算表达式如下：
Vt＝kpv·Pt (17)
这里的Vt表示期望速度，Pt为旋翼无人机在k+1时刻的期望位置，Kpv为比例增益；
速度控制器在得到期望速度Vt后，与机载导航系统反馈的当前X轴的速度V做差得到误差速度ΔV,误差速度经过速度环PI控制器得到期望加速度at；速度环PI控制器的表达式：
Figure FDA0003395080000000041
Kpv为速度环PI控制器比例增益，Kiv为速度环PI控制器积分增益，
Figure FDA0003395080000000042
为积分算子。
3.如权利要求1所述的一种使用无人机定距跟踪地面移动目标的控制方法，其特征是，姿态控制器对倾角的控制流程如下：
(1)期望姿态俯仰角度θt,由机载导航系统反馈的当前俯仰角度θ,做差后得到误差角度Δθ,经过角度环比例控制器得到期望俯仰角速率ωt；
角度环比例控制器的表达式如下：
ωt＝Kθ·Δθ (25)
Kθ为俯仰角姿态控制器角度外环比例增益，期望俯仰角速率ωt与记载导航系统反馈的当前俯仰角速率ω做差得到误差角速率Δω,经过角速率PID控制器得到控制量进而给到旋翼执行机构，执行机构产生动作作用于旋翼的动力学和运动学模型达到期望的倾角俯仰角；
角速率PID控制器的表达式如下：
Figure FDA0003395080000000051
上式中kpθ为角速率环比例增益，kiθ为角速率环积分增益，kdθ为角速率环微分增益，
Figure FDA0003395080000000052
为积分运算符，s为微分运算符；
(2)旋翼的动力学方程如下：
Figure FDA0003395080000000053
L表示旋翼中心到飞机质心的距离，
Figure FDA0003395080000000061
为三轴角速率，
Figure FDA0003395080000000062
为三轴角角速率，
Figure FDA0003395080000000063
为三轴惯量；
(3)旋翼的运动学方程如下：
Figure FDA0003395080000000064
上式中等号右边第三项为阻力项，与飞行器的速度成正比，符号相反，Kd为阻力系数；上式中，
Figure FDA0003395080000000065
为三维方向加速度，
Figure FDA0003395080000000066
表示机体系到导航系的旋转矩阵，U1为升力，旋转矩阵
Figure FDA0003395080000000067
的表达式如下：
Figure FDA0003395080000000068
式(29)中的ψ表示航向角，θ表示俯仰角，γ表示滚转角。
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