CN115512572A - 一种无人机圆弧形跑道航线控制方法 - Google Patents

一种无人机圆弧形跑道航线控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人机圆弧形跑道航线控制方法，无人机装订好圆弧形跑道航线，当收到进入圆弧跑道指令时，无人机先从当前位置直接飞往跑道航线中心位置，在飞行过程中实时判断无人机与跑道的位置关系，当无人机进入到圆弧航线所在的圆心角范围内且无人机与圆弧跑道的任意一个长边距离较近时，根据盘旋方向控制无人机以该跑道长弧边航线飞行。当到达下一段圆弧航线后，根据相应的航向角控制算法进行该段航线的跟踪控制，如此按照设定的盘旋方向进行跑道四段圆弧航线的循环飞行控制，最终实现整个圆弧形跑道的飞行控制，直到收到退出圆弧形航线指令。可以利用跑道航线覆盖较大范围的作业区域。

Description

一种无人机圆弧形跑道航线控制方法
技术领域
本发明属于无人机领域控制，涉及一种无人机圆弧形跑道航线控制方法，主要应用在典型任务下一种无人机航线控制方法。
背景技术
在现代战争中，最能影响战局的无疑是制空权，而由于无人机具有价值低、安全性高、实用性强等优点，逐渐成为空战中的重要一员，且现代战争及边境摩擦越来越倾向于无线无色的电子战，当无人机在执行电子干扰或导航定位干扰等任务时，如果无人机携带的电抗类载荷装载在无人机机身两侧，由于无人机载荷作用距离、波束覆盖范围以及飞行空域的限制，经常需要在对抗目标的一侧进行圆弧形航线的飞行，以保证无人机在圆弧跑道两个长弧边上飞行时，装载在无人机两侧的载荷波束能有效的覆盖目标区域，且与目标位置距离及视线角始终保持在一定的范围内。
目前较常用的电子对抗飞行航线包括圆形航线和跑道航线，圆形航线的对抗目标一般位于圆心位置附近，且载荷的干扰距离应大于圆形航线的半径，飞行过程中无人机两侧载荷的波束始终能覆盖目标位置，但在边境线及灰色地带进行干扰任务时，往往由于空域的限制，无人机无法在目标上空位置完成整个圆周航线的飞行；跑道航线可以应用于边界线地带且在目标位置一侧方向进行飞行，但无人机在进行跑道航线飞行时，在跑道长边上无人机与目标的距离及视线角在不断变化，受载荷干扰范围和波束角度的限制不能对目标形成有效的干扰，且由于受到载荷波束角度的影响，跑道长度不能太长，这就导致无人机始终在转弯掉头的过程中，大大的缩减了任务时长和干扰的有效性。为了解决上述两种常规干扰航线的弊端，考虑设计一种以目标位置为圆心的圆弧形跑道航线。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无人机圆弧形跑道航线控制方法，克服圆形航线和跑道航线在边境线执行电子对抗任务中的不足，设计了一种圆弧形跑道航线控制方法。本发明为无人机任务执行提供了一种典型任务航线控制方法。
技术方案
一种无人机圆弧形跑道航线控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：为无人机装订圆弧形跑道航线，其中圆弧形跑道的圆心位置坐标o1(x1,y1)、圆弧跑道内弧半径R1和外弧半径R2、盘旋方向即顺时针或逆时针，以及跑道长边两个边缘对应的方位角θ1和θ2；
步骤2：当收到进入圆弧跑道指令时，无人机从当前位置飞往跑道航线中心位置；
步骤3：在飞行过程中，根据圆弧形跑道航线信息，实时判断无人机与跑道的位置关系：
1、计算圆弧跑道两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)以及跑道中心位置o4(x4,y4)；
2、计算无人机位置P(x0,y0)距离圆弧长边对应圆心位置o1(x1,y1)的距离D1及方位角θ0；
3、计算无人机位置P(x0,y0)距离跑道短边两个圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)的距离D2和D3；
步骤4：根据角度判断执行命令：
当θ0＜θ1或θ0＞θ2，且D1＞R2+50或D1＜R1-50时，执行步骤5；
当θ1≤θ0≤θ2且R2+50＞D1＞(R1+R2)/2时，设置标志位flag1＝1，执行步骤6；
当θ1≤θ0≤θ2且R1-50＜D1＜(R1+R2)/2时，设置标志位flag1＝3，执行步骤7；
当进入步骤6和步骤7后不再执行本条判据；
步骤5：从当前无人机位置沿着直线飞往圆弧形航线中心点，无人机的期望航向
Figure BDA0003799126900000031
其中，
Figure BDA0003799126900000032
步骤6：无人机以外圆弧为目标航线进行飞行控制，当给定盘旋方向为顺时针时，设置标志位flag2＝1，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000033
其中，Dd＝(D1-R2)，当θ0＜θ1时，标志flag1＝2，执行步骤8；
当给定盘旋方向为逆时针时，设置标志位flag2＝2，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000034
其中，Dd＝(R2-D1)；当θ0＞θ2时，标志flag1＝4，执行步骤9；
步骤7：以内圆弧为目标航线进行飞行控制，当给定盘旋方向为顺时针时，设置标志位flag2＝1，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000035
其中，Dd＝(R1-D1)，当θ0＞θ2时，标志flag1＝4，执行步骤9；
当给定盘旋方向为逆时针时，设置标志位flag2＝2，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000036
其中，Dd＝(D1-R1)；当θ0＜θ1时，标志flag1＝2，执行步骤8；
步骤8：开始执行以o2(x2,y2)为圆心的半圆弧航线，当flag2＝1时，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000037
其中，Dd＝(D2-(R2-R1)/2)，当θ0＞θ1时，标志flag1＝3，执行步骤7；
当flag2＝2时，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000038
其中，Dd＝((R2-R1)/2-D2)，当θ0＞θ1时，标志flag1＝1，执行步骤6；
步骤9：开始执行以o3(x3,y3)为圆心的半圆弧航线，当flag2＝1时，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000039
其中，Dd＝(D3-(R2-R1)/2)，当θ0＜θ2时，标志flag1＝1，执行步骤6；
当flag2＝2时，无人机的期望航向角
Figure BDA00037991269000000310
其中，Dd＝((R2-R1)/2-D3)，当θ0＜θ2时，标志flag1＝3，执行步骤7；
步骤10：以期望航向角对应的舵面舵机的控制量，并通过舵机的控制实时跟踪给定航线；
步骤11：判断是否收到退出圆弧形跑道航线的指令，若收到则退出圆弧形跑道航线，否则继续执行。
所述计算圆弧跑道两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)以及跑道中心位置o4(x4,y4)：
Figure BDA0003799126900000041
Figure BDA0003799126900000042
Figure BDA0003799126900000043
其中：R1和R2为分别两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)与目标位置o1(x1,y1)的距离半径；θ1和θ2为跑道长边两个边缘对应的方位角。
所述无人机位置P(x0,y0)距离圆弧长边对应圆心位置o1(x1,y1)的距离D1及方位角θ0：
Figure BDA0003799126900000044
Figure BDA0003799126900000045
所述无人机位置P(x0,y0)距离跑道短边两个圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)的距离D2和D3：
Figure BDA0003799126900000051
有益效果
本发明提出的一种无人机圆弧形跑道航线控制方法，无人机装订好圆弧形跑道航线，当收到进入圆弧跑道指令时，无人机先从当前位置直接飞往跑道航线中心位置，在飞行过程中实时判断无人机与跑道的位置关系，当无人机进入到圆弧航线所在的圆心角范围内且无人机与圆弧跑道的任意一个长边距离较近时，根据盘旋方向控制无人机以该跑道长弧边航线飞行。当到达下一段圆弧航线后，根据相应的航向角控制算法进行该段航线的跟踪控制，如此按照设定的盘旋方向进行跑道四段圆弧航线的循环飞行控制，最终实现整个圆弧形跑道的飞行控制，直到收到退出圆弧形航线指令。
本发明提供一种圆弧形跑道航线的飞行控制方法，有益效果是：
1、在空域受限或执行边境线电子对抗任务时，设计的圆弧形跑道航线能较大的增加干扰任务时长和干扰的有效性；
2、跑道航线航向控制中加入了对航线跟踪偏差的纠正，使得无人机在有侧风等干扰下也能很好的按照预设的跑道航线进行飞行；
3、跑道航线的内弧半径和外弧半径以及圆弧对应的圆心角大小和方位均可调，灵活性较大，可以利用跑道航线覆盖较大范围的作业区域。
附图说明
图1给出了吧发明方法的流程图
图2给出了一个圆弧形航线任务示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
首先，无人机需装订好圆弧形跑道航线，当收到进入圆弧跑道指令时，无人机先从当前位置直接飞往跑道航线中心位置，在飞行过程中实时判断无人机与跑道的位置关系，当无人机进入到圆弧航线所在的圆心角范围内且无人机与圆弧跑道的任意一个长边距离较近时，根据盘旋方向控制无人机以该跑道长弧边航线飞行，按照跑道圆弧的数目不同，将圆弧形跑道看做四段不同的圆弧分别设计控制方式，并在飞行过程中实时判断是否到达下一段圆弧航线范围内，当到达下一段圆弧航线后，根据相应的航向角控制算法进行该段航线的跟踪控制，如此按照设定的盘旋方向进行跑道四段圆弧航线的循环飞行控制，最终实现整个圆弧形跑道的飞行控制，直到收到退出圆弧形航线指令。算法流程图见图1，具体过程如下：
(1)给定圆弧形跑道的圆心位置坐标o1(x1,y1)、圆弧跑道内弧半径R1和外弧半径R2、盘旋方向(顺、逆时针)以及跑道长边两个边缘对应的方位角θ1和θ2；
(2)根据(1)中给出的圆弧形跑道航线信息，进行圆弧跑道两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)以及跑道中心位置o4(x4,y4)计算；
Figure BDA0003799126900000061
Figure BDA0003799126900000062
(3)计算无人机位置P(x0,y0)距离圆弧长边对应圆心位置o1(x1,y1)的距离D1及方位角θ0，
Figure BDA0003799126900000063
(4)计算无人机位置P(x0,y0)距离跑道短边两个圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)的距离D2和D3，
Figure BDA0003799126900000064
(5)判断当θ0＜θ1或θ0＞θ2，且D1＞R2+50或D1＜R1-50时，执行步骤(6)，若θ1≤θ0≤θ2且R2+50＞D1＞(R1+R2)/2时，设置标志位flag1＝1，执行步骤(7)，若θ1≤θ0≤θ2且R1-50＜D1＜(R1+R2)/2时，设置标志位flag1＝3，执行步骤(8)，当进入步骤(7)和(8)后不再执行本条判据；
(6)从当前无人机位置沿着直线飞往圆弧形航线中心点，无人机的期望航向
Figure BDA0003799126900000071
其中，
Figure BDA0003799126900000072
(7)无人机以外圆弧为目标航线进行飞行控制，当给定盘旋方向为顺时针时，设置标志位flag2＝1，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000073
其中，Dd＝(D1-R2)，当θ0＜θ1时，标志flag1＝2，执行步骤(9)；当给定盘旋方向为逆时针时，设置标志位flag2＝2，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000074
其中，Dd＝(R2-D1)；当θ0＞θ2时，标志flag1＝4，执行步骤(10)；
(8)以内圆弧为目标航线进行飞行控制，当给定盘旋方向为顺时针时，设置标志位flag2＝1，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000075
其中，Dd＝(R1-D1)，当θ0＞θ2时，标志flag1＝4，执行步骤(10)；当给定盘旋方向为逆时针时，设置标志位flag2＝2，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000076
其中，Dd＝(D1-R1)；当θ0＜θ1时，标志flag1＝2，执行步骤(9)；
(9)开始执行以o2(x2,y2)为圆心的半圆弧航线，当flag2＝1时，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000077
其中，Dd＝(D2-(R2-R1)/2)，当θ0＞θ1时，标志flag1＝3，执行步骤(8)；当flag2＝2时，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000078
其中，Dd＝((R2-R1)/2-D2)，当θ0＞θ1时，标志flag1＝1，执行步骤(7)；
(10)开始执行以o3(x3,y3)为圆心的半圆弧航线，当flag2＝1时，无人机的期望航向角
Figure BDA0003799126900000079
其中，Dd＝(D3-(R2-R1)/2)，当θ0＜θ2时，标志flag1＝1，执行步骤(7)；当flag2＝2时，无人机的期望航向角
Figure BDA00037991269000000710
其中，Dd＝((R2-R1)/2-D3)，当θ0＜θ2时，标志flag1＝3，执行步骤(8)；
(11)根据计算出的期望航向角得出舵面舵机的控制量，并通过舵机的控制实时跟踪给定航线；
(12)判断是否收到退出圆弧形跑道航线的指令，若收到则退出圆弧形跑道航线，否则继续执行。
本发明适用于无人机圆弧形跑道航线的控制，算法的流程如图1所示，首先无人机需装订好圆弧形跑道航线，算法将圆弧跑道航线控制分解为对四段圆弧航线的分别控制，当收到进入圆弧跑道指令时，无人机先从当前位置直接飞往跑道航线中心位置，在飞行过程中实时判断无人机与跑道的位置关系，当无人机进入到圆弧航线所在的圆心角范围内且无人机与圆弧跑道的任意一个长边距离较近时，根据盘旋方向解算无人机以该跑道长弧边航线飞行时的航向角控制量，并将其作用在相应舵控量，从而实现对航线的跟踪，在飞行过程中实时判断是否到达下一段圆弧航线范围内，当到达下一段航线后，根据相应的航向角控制算法进行该段航线的跟踪控制，如此按照设定的盘旋方向进行跑道四段圆弧航线的循环飞行控制，直到收到退出圆弧形航线的指令。
图2给出了一个圆弧形航线任务示意图，图中圆弧形跑道的长边对应的圆心位置均为目标位置，以保证无人机飞行航线方向与无人机和目标的视线角垂直，两个长边圆弧的半径分别为R1和R2，在进行跑道航线控制时，将跑道分解为4段(外圆弧为第一段，按顺时针方向编号)进行航向控制律的设计，通过循环切换最终实现整个圆弧形跑道的平滑控制。
本发明的上述实施方式不能认为是对本发明权利要求所作的限制，如果本领域的技术人员通过本发明的启发不需要创造性的劳动做出相应的变化，都应该落入本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种无人机圆弧形跑道航线控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：为无人机装订圆弧形跑道航线，其中圆弧形跑道的圆心位置坐标o1(x1,y1)、圆弧跑道内弧半径R1和外弧半径R2、盘旋方向即顺时针或逆时针，以及跑道长边两个边缘对应的方位角θ1和θ2；
步骤2：当收到进入圆弧跑道指令时，无人机从当前位置飞往跑道航线中心位置；
步骤3：在飞行过程中，根据圆弧形跑道航线信息，实时判断无人机与跑道的位置关系：
1、计算圆弧跑道两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)以及跑道中心位置o4(x4,y4)；
2、计算无人机位置P(x0,y0)距离圆弧长边对应圆心位置o1(x1,y1)的距离D1及方位角θ0；
3、计算无人机位置P(x0,y0)距离跑道短边两个圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)的距离D2和D3；
步骤4：根据角度判断执行命令：
当θ0＜θ1或θ0＞θ2，且D1＞R2+50或D1＜R1-50时，执行步骤5；
当θ1≤θ0≤θ2且R2+50＞D1＞(R1+R2)/2时，设置标志位flag1＝1，执行步骤6；
当θ1≤θ0≤θ2且R1-50＜D1＜(R1+R2)/2时，设置标志位flag1＝3，执行步骤7；
当进入步骤6和步骤7后不再执行本条判据；
步骤5：从当前无人机位置沿着直线飞往圆弧形航线中心点，无人机的期望航向
Figure FDA0003799126890000011
其中，
Figure FDA0003799126890000012
步骤6：无人机以外圆弧为目标航线进行飞行控制，当给定盘旋方向为顺时针时，设置标志位flag2＝1，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000013
其中，Dd＝(D1-R2)，当θ0＜θ1时，标志flag1＝2，执行步骤8；
当给定盘旋方向为逆时针时，设置标志位flag2＝2，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000021
其中，Dd＝(R2-D1)；当θ0＞θ2时，标志flag1＝4，执行步骤9；
步骤7：以内圆弧为目标航线进行飞行控制，当给定盘旋方向为顺时针时，设置标志位flag2＝1，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000022
其中，Dd＝(R1-D1)，当θ0＞θ2时，标志flag1＝4，执行步骤9；
当给定盘旋方向为逆时针时，设置标志位flag2＝2，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000023
其中，Dd＝(D1-R1)；当θ0＜θ1时，标志flag1＝2，执行步骤8；
步骤8：开始执行以o2(x2,y2)为圆心的半圆弧航线，当flag2＝1时，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000024
其中，Dd＝(D2-(R2-R1)/2)，当θ0＞θ1时，标志flag1＝3，执行步骤7；
当flag2＝2时，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000025
其中，Dd＝((R2-R1)/2-D2)，当θ0＞θ1时，标志flag1＝1，执行步骤6；
步骤9：开始执行以o3(x3,y3)为圆心的半圆弧航线，当flag2＝1时，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000026
其中，Dd＝(D3-(R2-R1)/2)，当θ0＜θ2时，标志flag1＝1，执行步骤6；
当flag2＝2时，无人机的期望航向角
Figure FDA0003799126890000027
其中，Dd＝((R2-R1)/2-D3)，当θ0＜θ2时，标志flag1＝3，执行步骤7；
步骤10：以期望航向角对应的舵面舵机的控制量，并通过舵机的控制实时跟踪给定航线；
步骤11：判断是否收到退出圆弧形跑道航线的指令，若收到则退出圆弧形跑道航线，否则继续执行。
2.根据权利要求1所述无人机圆弧形跑道航线控制方法，其特征在于：所述计算圆弧跑道两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)以及跑道中心位置o4(x4,y4)：
Figure FDA0003799126890000031
Figure FDA0003799126890000032
Figure FDA0003799126890000033
其中：R1和R2为分别两个短边圆弧圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)与目标位置o1(x1,y1)的距离半径；θ1和θ2为跑道长边两个边缘对应的方位角。
3.根据权利要求1所述无人机圆弧形跑道航线控制方法，其特征在于：所述无人机位置P(x0,y0)距离圆弧长边对应圆心位置o1(x1,y1)的距离D1及方位角θ0：
Figure FDA0003799126890000034
Figure FDA0003799126890000035
4.根据权利要求1所述无人机圆弧形跑道航线控制方法，其特征在于：所述无人机位置P(x0,y0)距离跑道短边两个圆心o2(x2,y2)和o3(x3,y3)的距离D2和D3：
Figure FDA0003799126890000036
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