CN117991811A - 一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，涉及水上无人机领域，水上无人机上安装有双目立体摄影测量系统，所述方法包括：步骤1：水上无人机以固定翼飞行模式飞行至降落区域上方；步骤2：水上无人机切换至垂直降落飞行模式；步骤3：双目立体摄影测量系统在线测量海面三维形貌，基于海面三维形貌分析获得最优降落点；步骤4：水上无人机开始降落，在降落过程中，控制水上无人机使得最优降落点始终位于双目立体摄影测量系统的两个摄像机的视野范围内，并且控制水上无人机以90度期望落角降落；步骤5：基于上述控制方式生成制导指令；步骤6：基于制导指令生成水上无人机姿态控制指令；步骤7：基于姿态控制指令调节水上无人机电机转速；步骤8：水上无人机着水完成降落。本方法能够使得水上无人机顺利降落在最优降落点且在降落过程中不出现丢失目标的情况，以及考虑对落角的控制以增强了无人机水上无人机降落安全性。

Description

一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法

技术领域

本发明涉及水上无人机领域，具体地，涉及一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法。

背景技术

水上无人机不仅能够在空中以较高的速度飞行，快速抵达任务区域，也能够降落在海面进行漂浮并在水面航行作业。其中，水上无人机在海上降落时，海浪作用在高速滑行的无人机机身上，巨大的冲击力会对无人机结构安全产生极大的威胁。

现有技术：

1、一种带有攻击时间约束的比例导引律设计方法，CN202011245934.3，该方案的缺点是：对剩余飞行时间进行了估算，用攻击时间偏差项来对传统比例导引律进行修正，可以保证导弹在不同发射前置角条件下以期望攻击时间命中目标，但没有对视角和落角进行约束，其给出的飞行曲线中有存在超出视角限制的情况，机载摄像机如果画面中丢失目标则无法得到目标的方位，也无法进行制导。

2、一种基于神经网络的自适应偏置比例导引方法，CN202111137643.7，该方案的缺点是：偏置项中包括了终端交会角、初始视线角、初始弹道倾角和终端交会时间等进行计算，没有考虑摄像机视角约束问题，其主要是考虑终端交会角约束，对给定的飞行初始状态参数通过神经网络来训练得到一个常数项b，其大小无法在飞行过程中实时变化，对不同的初始状态(飞行器位置、速度、姿态、目标位置)的通用性不强。

3、一种适用于变速飞行器的带视场角和落角约束的制导方法，CN202310424207.0，该方案的缺点是：采用了含有视角和期望落角的偏置项表达式，但未看见明确的满足视觉约束要求的方法及飞行数据；主要应用于导弹末制导命中目标场景，采用的是单目视觉，其运动学模型和摄影测量模型均不适用于水上无人机降落。

4、旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统，CN202010761007.0，该方案的缺点是：给出了旋翼无人机在运动平台上的降落流程和方法，但其采用了云台对目标进行跟踪和锁定，云台在框架的驱动下其摄像机视角范围比较大，能够解决其视角约束问题，但不适用于机载摄像头固定安装的无人机降落控制。主要的降落制导律为传统比例导引律，没有对落角进行控制，只能够与降落平台交会，但无法按照一定的期望落角进行降落，对于海上降落场景，容易造成无人机机头局部先触水并导致较大的冲击载荷。

发明内容

本发明的目的是使得水上无人机顺利降落在最优降落点不出现丢失目标的情况，以及考虑对落角的控制以增强无人机水上无人机降落安全性。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，水上无人机上安装有双目立体摄影测量系统，所述方法包括：

步骤1：水上无人机以固定翼飞行模式飞行至降落区域上方；

步骤2：水上无人机切换至垂直降落飞行模式；

步骤3：双目立体摄影测量系统在线测量海面三维形貌，基于海面三维形貌分析获得最优降落点；

步骤4：水上无人机开始降落，在降落过程中，控制水上无人机使得最优降落点始终位于双目立体摄影测量系统的两个摄像机的视野范围内，并且控制水上无人机以90度期望落角降落；

步骤5：基于上述控制方式生成制导指令；

步骤6：基于制导指令生成水上无人机姿态控制指令；

步骤7：基于姿态控制指令调节水上无人机电机转速；

步骤8：水上无人机着水完成降落。

其中，本方法中水上无人机机载双目立体摄影测量系统实时解算海面的三维形貌和最优降落点，只有将最优降落点始终保持两个机载摄像机的视野范围内，才能使得水上无人机在下降过程中保持对最优降落点的跟踪，在设计无人机降落导引律时考虑视角约束，设计考虑视角控制的无人机降落导引律，保证水上无人机顺利降落在最优降落点而不出现丢失目标的情况。

本方法中最优降落点为双目摄像机共同视野中最能够保证无人机降落安全的点，此外无人机降落时的姿态、终端落角等也对其受到的着水冲击力有较大影响，为了保证无人机机身以最大面积触水而降低着水冲击载荷，无人机着水时的期望落角设计为90°，即无人机着水时的视线角(无人机机身底部中心点与最优降落点构成的视线)为90°，在设计无人机降落导引律时需要考虑对落角的控制，以增强水上无人机降落安全性。

其中，在一些实施例中，最优降落点位于海浪波峰和波谷之间。最优降落点位于海浪波峰和波谷之间坡度比较平缓的位置，最优降落点随海浪向前以一定的速度移动，波峰和波谷都容易对水上无人机造成损坏。

其中，在一些实施例中，双目立体摄影测量系统包括安装在机身前端的第一摄像机和安装在机身尾端的第二摄像机。

其中，在一些实施例中，控制水上无人机使得最优降落点始终位于双目立体摄影测量系统的两个摄像机的视野范围内需满足以下条件：最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，第一摄像机和第二摄像机的最大视场角分别为η₁和η₂，且/>只有当最优降落点保持在第一摄像机和第二摄像机的共同视野中时，才能够对其进行跟踪。为了保持水上无人机在降落过程中始终对选定的最优降落点点进行跟踪，应控制视角κ₁和κ₂的变化分别不超过/>和/>

其中，在一些实施例中，本申请设计水上无人机降落制导律的思想就是在比例导引的基础上，增加2个随时间变化或根据逻辑变换的偏置项，来改进比例导引在实际应用中的性能，从而满足视角的约束，并使得无人机以期望的落角着水，所述制导指令中包括水上无人机的加速度a_c的指令，其中，a_c的计算方式为：

其中，是视线角速度，N是导引比，b₀、b₁和b₂为时变偏置项。

其中，在一些实施例中，当且/>时，在该情况下，最优降落点保持在两个摄像机的共同视野中，满足视角约束条件，偏置项的设计应主要考虑无人机以期望的落角到达终端，时变偏置项的计算方式为：

其中，λ为飞行过程中水上无人机与最优降落点的视线角，λ_d为着水时水上无人机的期望落角，α为可调节的常值参数，h为水上无人机的海拔高度，最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，和/>为临界值，V_p为无人机垂直方向的降落速度，θ为水上无人机的俯仰角。

其中，在一些实施例中，当且/>时，在此情况下，视角κ₂已经达到或超过临界值/>临界值的取值小于实际的最大视场角约束，为防止水上无人机视角进一步超过其临界值使得目标在第二摄像机的视野中丢失，时变偏置项的计算方式为：

其中，最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，β为可调节的常值参数，和/>为临界值。

其中，在一些实施例中，当且/>时，在此情况下，视角κ₂已超过临界值/>视角κ₁已到达或超过临界值/>为防止水上无人机视角进一步超过其临界值，使得目标在第一摄像机和第二摄像机的视野中丢失，时变偏置项的计算方式为：

其中，ξ为可调节的常值参数，最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，β为可调节的常值参数，和/>为临界值。

其中，在一些实施例中，所述步骤5还包括根据水上无人机与最优降落点之间的相对位置关系对水上无人机的加速度指令a_c的方向进行控制。

其中，在一些实施例中，无人机的加速度a_c小于水上无人机的最大加速度a_max。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本方法能够使得水上无人机顺利降落在最优降落点且在降落过程中不出现丢失目标的情况，以及考虑对落角的控制以增强了无人机水上无人机降落安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法的流程示意图；

图2为一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法对应的系统组成示意图；

图3为水上无人机海浪形貌在线测量和降落场景示意图；

图4为水上无人机降落制导原理示意图；

图5是本发明实施例中第一种情况对应的示意图；

图6是本发明实施例中第二种情况对应的示意图；

图7是本发明实施例中第三种情况对应的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本实施例中的水上无人机为一个垂直起降的无人机，平飞时进入固定翼飞行模式，依靠后推的电机/螺旋桨提供动力，通过舵面控制姿态，其降落过程为垂直起降模式，主要依靠四个电机/螺旋桨提供动力，通过控制电机转速控制无人机姿态，并实现对理想降落点的跟踪。

因此，针对水上无人机机载双目立体摄影这种构型，需要设计考虑视角约束的降落导引律，在水上无人机下降过程中，需要做到：1)无人机下降速度保持匀速；2)无人机跟随海面最优降落点运动，准确降落在目标降落点；3)无人机与降落点的视线角控制在机载摄像机的视觉约束范围内；4)无人机以期望的落角着水(落角定义为着水时刻的无人机机身底部中心点与降落点的视线角，期望落角一般设定为90度，即无人机垂直降落于水面)。

然而现有方法中主要是在导弹末制导命中目标的过程中，考虑了捷联导引头的视角约束问题，其摄像机一般固定于导弹头部朝前安装，属于机载单目视觉，而本实施例中的水上无人机的摄像机固定于机身下一前一后两处并朝下安装，与现有的导弹末制导模型有较大的区别。此外，本实施例的水上无人机与导弹的运动模型也有较大的差别。最后，具体到导引律的设计，不同无人机导引律的视角控制效果也不同，通过仿真试验数据对比分析可以得出本申请中方法的可行性和必要性。

下面结合具体的附图对本实施例中的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法进行介绍：

请参考图1，图1为一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法的流程示意图，水上无人机上安装有双目立体摄影测量系统，所述方法包括：

步骤1：水上无人机以固定翼飞行模式飞行至降落区域上方；

步骤2：水上无人机切换至垂直降落飞行模式；

步骤3：双目立体摄影测量系统在线测量海面三维形貌，基于海面三维形貌分析获得最优降落点；

步骤4：水上无人机开始降落，在降落过程中，控制水上无人机使得最优降落点始终位于双目立体摄影测量系统的两个摄像机的视野范围内，并且控制水上无人机以90度期望落角降落；

步骤5：基于上述控制方式生成制导指令；

步骤6：基于制导指令生成水上无人机姿态控制指令；

步骤7：基于姿态控制指令调节水上无人机电机转速；

步骤8：水上无人机着水完成降落。

请参考图2，图2为本方法对应的系统组成示意图，其中，需要使用到双目立体摄影测量系统，双目立体摄影测量系统包括2个摄像机，摄像机采集图像传输回机载图像处理计算机进行处理生成海面三维形貌及视线信息，导航模块生成速度、高度、水上无人机姿态和位置信息，将速度、高度、选定最优降落点以及将视线信息传输至制导计算机，制导计算机生成制导指令传输至飞行控制器，飞行控制器基于制导指令、姿态和位置信息生成控制指令传输至动力系统。

请参考图3，图3为水上无人机海浪形貌在线测量和降落场景示意图，图3中，a为最优降落点在摄像机1画面中的成像点，b为最优降落点在摄像机2画面中的成像点，y_c2、z_c2为和x_c2为C₂在y、z和x轴方向上的坐标，y_c1、z_c1和x_c1为C₁在y、z和x轴方向上的坐标，v_p为水上无人机垂直方向的降落速度，x_a和y_a分别为最优降落点在摄像机1画面中的成像点的x轴坐标和y轴坐标，x_b和y_b分别为最优降落点在摄像机2画面中的成像点的x轴坐标和y轴坐标，C₁和C₂分别为摄像机1和摄像机2的镜头中心点，P表示水上无人机，x_p、y_p和z_p分别表示水上无人机的在x、y和z轴方向上的实时坐标位置，x_t、y_t和z_t分别表示最优降落点的在x、y和z轴方向上的实时坐标位置，T为两台摄像机共同视野中的最优降落点，由机载计算机选定。

本发明面向无人机海上降落的实际需求，水上无人机配置一前一后两个固定朝下安装的机载摄像机，由摄像机1和摄像机2组成双目立体摄影测量系统，可以在线测量海面三维形貌，并以此来选择最优降落点，最优降落点位于海浪波峰和波谷之间坡度比较平缓的位置，可以认为其随海浪向前以一定的速度移动。

为了使无人机跟随并持续下降高度接近最优降落点，需要控制无人机使得最优降落点始终位于摄像机1和摄像机2的视野范围内，即是κ₁，κ₂＜η_max，η_max为摄像机能允许的最大视角，此外，为了使机身接触水面时减轻冲击载荷，需要控制无人机以90度期望落角降落，本实施例设计为λ_d→90°。

请参考图4，图4为水上无人机降落制导原理示意图，其中，x_n为水平方向轴，x_b为机头方向，v_T为最优降落点的运动速度，v_p为水上无人机垂直方向的降落速度，a_c为水上无人机的加速度，P表示水上无人机，T为两台摄像机共同视野中的最优降落点，由机载计算机选定，PT表示视线方向(Line-of-sight,LOS)，λ为视线角，r为相对距离，C₁和C₂分别为摄像机1和摄像机2的镜头中心点，C₁z_c1和C₂z_c2分别为摄像机1和摄像机2的光轴方向，取C₁z_c1与连线C₁T之间的夹角为最优降落点在摄像机1中的视角κ₁，取C₂z_c2与连线C₂T之间的夹角为最优降落点在摄像机2中的视角κ₂，假设摄像机1和摄像机2的最大视场角为η₁和η₂，则如果因为P与T相对运动使得T的超出了摄像机1或摄像机2的视角范围(或/>)，则视野中丢失T点，无法继续跟踪系统确定的最优点进行着水降落。只有当T点保持在摄像机1、摄像机2的共同视野中时，才能够对其进行跟踪。为了保持无人机在降落过程中始终对选定的T点进行跟踪，应控制视角κ₁、κ₂的变化不超过/>θ和θ_p分别为水上无人机的俯仰角和速度倾角，设最优降落点随海浪沿水平方向作直线运动。

本实施例设计水上无人机降落制导律的思想就是在比例导引的基础上，增加2个随时间变化或根据逻辑变换的偏置项，来改进比例导引在实际应用中的性能，从而满足视角的约束，并使得无人机以期望的落角着水，其表达式如下所示：

其中，a_c为水上无人机的加速度，是视线角速度，N是导引比(常数)，b₀、b₁和b₂是待设计的时变偏置项，以下分三种情况对其进行设计。取临界值/>和/>为/>和/>κ_c1和κ_c2为0～1之间可调节的常值参数。

第一种情况：

请参考图5，图5为第一种情况对应的示意图，其中，无人机降落过程视角κ₁和κ₂未达到临界值和/>即满足/>且/>

在该情况下，T保持在两个摄像头的共同视野中，满足视角约束条件，偏置项的设计应主要考虑无人机以期望的落角到达终端，则设计时变项b₀,b₁,b₂为如下表达式

其中，λ为飞行过程中无人机与目标的视线角，λ_d为着水时无人机期望落角(即着水时的期望视线角)，α为可调节的常值参数，h为无人机的海拔高度，这里简化地认为T点就在海平面上，则h也就是无人机与T的相对高度。

由上式可知，当视线角与期望视线角的偏差越大，则偏置项b₀的作用越大，并且随着无人机高度下降越来越接近海面，h逐渐减小，也会进一步增加偏置项b₀的作用，从产生修正的比例导引加速度指令a_c，而使无人机的视线角趋近于期望落角λ_d。

第二种情况：

请参考图6，图6为第二种情况对应的示意图，其中，飞行过程中某时刻，视角κ₁未达到临界值而κ₂已达到或超过临界值/>即满足/>且/>

在此情况下，视角κ₂已经达到或超过临界值临界值的取值小于实际的最大视场角约束，为防止无人机视角进一步超过其临界值使得目标在摄像头2的视野中丢失，时变项应切换为如下表达式

其中，β为可调节的常值参数。当无人机视角κ₂进一步超过边界值时，时变偏置项b₂的作用增大，使无人机朝着减小视角κ₂的方向运动。在无人机制导控制系统的作用下，当无人机的视角κ₂小于边界值/>满足情况一的条件时，则时变项也随之切换为情况一的取值，以使得无人机趋近于期望落角着水。

第三种情况：

请参考图7，图7为第三种情况对应的示意图，其中，飞行过程中某时刻，视角κ₁达到或超过临界值而κ₂已超过临界值/>即满足/>且/>

在此情况下，视角κ₂已超过临界值视角κ₁已到达或超过临界值/>为防止无人机视角进一步超过其临界值，使得目标在摄像头1和摄像头2的视野中丢失，时变项应切换为如下表达式：

其中，ξ为可调节的常值参数。当无人机视角κ₁和κ₂进一步超过临界值和/>时，时变偏置项b₁和b₂的作用增大，使无人机朝着减小视角κ₁和κ₂的方向运动。在无人机制导控制系统的作用下，当无人机的视角κ₁小于边界值/>满足情况二的条件时，则时变偏置项也随之切换为情况二的取值，以使得无人机视角κ₂继续减小。

以上考虑T点在无人机前方，无人机从后向前追踪T点，若无人机运动至T点前方，则生成的加速度指令a_c方向应向后，偏置项的设计可以由三种情形类推。此外，由于无人机的机动能力是有限的，加速度指令a_c不应大于无人机最大机动能力，因此需对其进行如下限幅a_c≤a_max，a_max为水上无人机的最大加速度。

上述本发明实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

根据本方法水上无人机能够根据通过双目立体摄影重建海面三维形貌并选定最优降落点，本方法可以对无人机进行自主的降落控制，将无人机引导于最优降落点进行着水，增强无人机的降落安全性。

本方法通过设计制导、制导律及偏置项，使得目标(最优降落点)能够保持在两个摄像机的视野中，满足两个摄像机视角约束，使得降落制导控制系统能够稳定地输出指令，并通过设计偏置项使得无人机以趋近于期望落角的状态着水，保证水上无人机跟踪、接近并降落于最优降落点。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，水上无人机上安装有双目立体摄影测量系统，所述方法包括：

步骤1：水上无人机以固定翼飞行模式飞行至降落区域上方；

步骤2：水上无人机切换至垂直降落飞行模式；

步骤3：双目立体摄影测量系统在线测量海面三维形貌，基于海面三维形貌分析获得最优降落点；

步骤4：水上无人机开始降落，在降落过程中，控制水上无人机使得最优降落点始终位于双目立体摄影测量系统的两个摄像机的视野范围内，并且控制水上无人机以90度期望落角降落；

步骤5：基于上述控制方式生成制导指令；

步骤6：基于制导指令生成水上无人机姿态控制指令；

步骤7：基于姿态控制指令调节水上无人机电机转速；

步骤8：水上无人机着水完成降落。

2.根据权利要求1所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，最优降落点位于海浪波峰和波谷之间。

3.根据权利要求1所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，双目立体摄影测量系统包括安装在机身前端的第一摄像机和安装在机身尾端的第二摄像机。

4.根据权利要求1所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，控制水上无人机使得最优降落点始终位于双目立体摄影测量系统的两个摄像机的视野范围内需满足以下条件：最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，第一摄像机和第二摄像机的最大视场角分别为η₁和η₂，且

5.根据权利要求1所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，所述制导指令中包括水上无人机的加速度a_c的指令，其中，a_c的计算方式为：

其中，是视线角速度，N是导引比，b₀、b₁和b₂为时变偏置项。

6.根据权利要求5所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，当且/>时，时变偏置项的计算方式为：

其中，λ为飞行过程中水上无人机与最优降落点的视线角，λ_d为着水时水上无人机的期望落角，α为可调节的常值参数，h为水上无人机的海拔高度，最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，和/>为临界值，V_p为无人机垂直方向的降落速度，θ为水上无人机的俯仰角。

7.根据权利要求5所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，当且/>时，时变偏置项的计算方式为：

其中，最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，β为可调节的常值参数，和/>为临界值。

8.根据权利要求5所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，当且/>时，时变偏置项的计算方式为：

其中，ξ为可调节的常值参数，最优降落点在第一摄像机中的视角为κ₁，最优降落点在第二摄像机中的视角为κ₂，β为可调节的常值参数，和/>为临界值。

9.根据权利要求5所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，所述步骤5还包括根据水上无人机与最优降落点之间的相对位置关系对水上无人机的加速度指令a_c的方向进行控制。

10.根据权利要求5所述的一种考虑视角和落角约束的水上无人机降落制导方法，其特征在于，无人机的加速度a_c小于水上无人机的最大加速度a_max。