CN113741548A

CN113741548A - 一种无人机编队非线性协同导引方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN113741548A
Application number: CN202111218273.XA
Authority: CN
Inventors: 董晓飞; 任章; 宋斌
Original assignee: Beijing Electromechanical Engineering Research Institute
Current assignee: Beijing Electromechanical Engineering Research Institute
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2021-12-03

Abstract

本发明公开了一种无人机编队非线性协同导引方法、装置及存储介质，该方法包括：利用有限时间干扰观测器计算目标观测估计值；基于所述观测估计值，利用视线法向协同制导律计算视线法向参数以及利用视线切向协同制导律计算视线切向参数；以及基于所述视线法向参数、视线切向参数以及无人机编队与目标之间的相对运动参数生成无人机过载指令。本发明通过有限时间干扰观测器来观测目标的未知机动，并基于有限时间一致理论分别设计了沿视线方向和沿视线法向的制导律，同时考虑了碰撞时间约束和瞄准角约束。此外，通过非线性稳定性分析，避免了反馈线性化引起的数值奇异。

Description

一种无人机编队非线性协同导引方法、装置及存储介质

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，尤其是涉及一种无人机编队非线性协同导引方法及装置。

背景技术

在过去的十年中，协同制导因其在提高防御突防率和机动目标拦截方面的有效性而受到了极大的关注。具有良好协同的多架无人机通过多个方向同时攻击目标，能够显著提高效率。此外，针对机动目标进行协同拦截，能够对目标形成多方向包围的态势，显著提升了目标逃逸的成本。

协同制导律在功能上可分为碰撞角协同和碰撞时间协同。在最初的研究中，没有考虑协同无人机之间的信息交换，协同攻击是通过预先设定命中角度以及命中时间来实现，其局限性在于很难设定合理的预定值，如果命中时间及命中角度设计不合理有可能增加能量消耗，甚至导致制导失败。

目前，研究主要集中在协同引导方面，将剩余飞行时间和碰撞角作为协调变量，基于一致性理论，利用局部通信建立了分布式协同制导律。然而，现有机动目标协同制导存在以下问题：

(1)目标机动估计问题；部分研究成果需要知道目标的加速度，而在工程实践中很难准确得到。或者一些研究假定目标加速度是恒定的或缓慢变化，而事实上大多数情况下并非如此。

(2)协同制导律的需用切向加速度指令过大问题；部分研究采用反馈线性化的方法，然而这会导致制导末端切向角速度指令奇异。此外，部分研究需要无人机-目标距离及距离变化率都实现一致，从而带来更大的能量消耗。

发明内容

根据本发明的第1方面，公开了一种无人机编队协同导引方法，包括：

利用有限时间干扰观测器计算目标观测估计值；

基于所述观测估计值，利用视线法向协同制导律计算视线法向参数以及利用视线切向协同制导律计算视线切向参数；以及

基于所述视线法向参数、视线切向参数以及无人机编队与目标之间的相对运动参数生成无人机过载指令。

根据本发明的第2方面，公开了一种无人机编队协同导引装置，包括：

存储单元，用于存储协同导引模型以及协同制导律；其中，所述协同制导律包括视线法向协同制导律及视线切向协同制导律；

获取单元，用于获取无人机编队与目标之间的几何关系，所述几何关系由无人机编队与目标之间的相对运动参数表示；

有限时间干扰观测器，用于计算目标观测估计值；

计算单元，用于基于所述观测估计值，利用视线法向协同制导律计算视线法向参数以及利用视线切向协同制导律计算视线切向参数；

指令生成单元，基于所述视线法向参数、视线切向参数以及无人机编队与目标之间的相对运动参数生成无人机过载指令。

在一些示例中，所述有限时间干扰观测器为：

其中，

分别为w_ri,w_qi的估计值，

V_T表示目标的轴向速度，η_Ti表示目标的前置角，θ_T表示目标飞行轨迹角，

分别表示观测器的观测误差。

根据本发明的第3方面，还公开一种电子设备，包括：处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现所述的无人机编队协同导引方法。

根据本发明的第4方面，一种非暂态可读存储介质，所述可读存储介质上存储有程序，所述程序被处理器执行时实现所述的无人机编队协同导引方法。

与现有技术相比，本发明通过有限时间干扰观测器来观测目标的未知机动，并基于有限时间一致理论分别设计了沿视线方向和沿视线法向的制导律，同时考虑了碰撞时间约束和瞄准角约束。此外，通过非线性稳定性分析，避免了反馈线性化引起的数值奇异。

附图说明

图1为协同导引过程中无人机编队与目标的几何关系示意图；

图2为根据本发明实施例的无人机编队协同导引方法流程示意图；

图3为根据本发明实施例的无人机编队协同导引装置结构示意图；

图4为根据本发明实施例的电子设备结构示意图；

图5为无人机编队通信拓扑结构。

具体实施方式

以下，基于附图及实施例，对本发明公开的无人机非线性协同导引方法及装置进行详细地描述，但本发明并不限定于这些实施例。

根据本发明的一个方面，公开了一种无人机编队协同导引方法，用于对包括至少两架无人机的无人机编队进行协同控制，对入侵机动目标进行拦截或攻击。图5示出了包括4架无人机M1～M4的编队通信拓扑结构的一个示例，该示例中，编队采用闭环串联结构。然而，本领域技术人员可以理解，无人机编组也可以采用其他形式组建通信网络结构。

图1为协同导引过程中无人机编队(图中仅示意性地)与目标的几何关系示意图。图中，m_i(i∈{1,2,...,N})表示第i个无人机，θ_i表示其飞行轨迹角，η_i表示其前置角，q_i表示其视线角，V_i表示其轴向速度，n_yi,n_xi为该无人机在其速度坐标系下的加速度，分别调整速度方向和大小；

T表示目标，V_T表示目标的轴向速度，η_Ti表示目标的前置角；

r_i表示无人机m_i与目标T之间的距离。

因此，无人机与目标的几何关系可以通过上述相对运动参数来表示。

图2为根据本发明实施例的流程示意图。如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤201、基于无人机编队与目标之间的几何关系构建协同导引模型；

本发明中，基于无人机编队与目标之间的相对运动参数，预先建立如下协同导引模型，并进行存储。该协同导引模型为：

对无人机与目标之间的距离求二阶导数，得：

记：

其中，w_ri为目标机动对无人机与目标连线距离变化率的干扰，u_ri为无人机加速度在无人机与目标连线方向的分量。

由此可以得到：

对视线角求二阶导数得：

记：

其中，w_qi为目标机动对无人机视线角变化率的干扰，u_qi为无人机加速度在无人机与目标连线法向方向的分量。

由此可以得到：

步骤202、利用有限时间干扰观测器计算目标观测估计值；

本发明中，预先构建有限时间干扰观测器，并进行存储。该有限时间干扰观测器为：

其中，

分别为上述式(5)、式(9)中w_ri,w_qi的估计值，

为观测器的观测误差：

其中，t_goi为剩余飞行器时间其计算方式为：

若有限时间干扰观测器中的参数满足α＞0,β＞0,q＞p＞0，且未知干扰满足

则扰动观测误差能够在有限时间内收敛。

步骤203、基于所述观测估计值，利用视线法向协同制导律计算视线法向参数以及利用视线切向协同制导律计算视线切向参数；

本发明中，预先构建满足瞄准角约束条件的视线法向协同制导律以及满足碰撞时间约束的视线切向协同制导律，并存储。

所述视线法向协同的瞄准角约束条件为：

其中，c_i,c_j为预设常数，用来调整各无人机的命中角度间隔。

令

则视线法向协同制导律为：

其中，

为有限时间干扰观测器(10)的输出。

若视线法向协同制导律(13)中的参数满足k₁＞0,k₂＞0,0＜α₁＜1,

则无人机编队能够在有向拓扑条件下、有限时间内实现碰撞角度协同条件(12)。

所述视线切向协同的碰撞时间约束条件为：

视线切向制导律为：

其中，

为有限时间干扰观测器(10)的输出。

当视线切向制导律(15)中的参数满足k₃＞0,0＜α₃＜1时，无人机编队能够在有向拓扑条件下、有限时间内实现同时命中约束(14)。

基于所述观测估计值

利用视线法向协同制导律计算视线法向参数u_qi，利用视线切向协同制导律计算视线切向参数u_ri。

针对上述观测器及制导律参数，本发明利用李亚普诺夫方法得到了***渐近稳定的条件。同时，利用齐次***稳定性理论可以证明制导律的有限时间稳定性，具体过程不再赘述。

步骤204、基于所述视线法向参数、视线切向参数以及无人机编队与目标之间的相对运动参数生成无人机过载指令；

基于所述制导律，按照无人机编队与目标之间的相对运动参数计算无人机过载指令，为：

其中，n_xi为无人机切向过载指令，表示加速度的大小；n_yi为无人机法向法向过载指令方向，表示加速度的方向。

本发明通过有限时间干扰观测器来观测目标的未知机动，并基于有限时间一致理论分别设计了沿视线方向和沿视线法向的制导律，所述制导律同时考虑了碰撞时间约束和瞄准角约束。此外，通过非线性稳定性分析，避免了反馈线性化引起的数值奇异。

本发明所提出的协同制导律不仅适用于静止目标，也适用于机动目标，并且不要求目标加速度恒定或缓慢变化。

为了解决制导方法的奇异性问题，本发明将制导模型线性化，直接分析非线性闭环模型的稳定性。

本发明所提出的导引方法只需要邻域信息，具有良好的稳定性，可以应用于有向通信拓扑。

以图5所示无人机编组为例进行仿真，该编组包括4架无人机拦截机动目标。其中，目标速度设置为300m/s，法向加速度设置为20cos(0.2t)m/s²，位置为(12000m,0m)，初始航向角为0°。

对于有限时间扰动观测器，参数设置为α＝1,β＝1,p＝1,q＝2,w₁＝w₂＝10。

视线法向制导律参数设为：k₁＝0.5,k₂＝0.08,α₁＝0.5,α₂＝0.667。视线切向制导律参数为：k₃＝2,α₃＝0.5。

分析结果发现，4架无人机实现了对机动目标的同时攻击。4架无人机在0时刻剩余飞行时间不同，在使用本发明的有限时间协同制导律(14)的情况下，剩余飞行时间在大约10秒后达到相同的值。在命中角度协同制导律(14)下，一段时间后视线角收敛到期望序列。

根据本发明的另一方面，公开了一种无人机编队协同导引装置，如图3所示，该装置包括：

存储单元301，用于存储协同导引模型以及协同制导律；其中，所述协同制导律包括视线法向协同制导律及视线切向协同制导律，所述视线法向协同制导律满足瞄准角约束条件，所述视线切向协同制导律满足碰撞时间约束；

获取单元302，用于获取无人机编队与目标之间的几何关系，所述几何关系由无人机编队与目标之间的相对运动参数表示；

有限时间干扰观测器303，用于计算目标观测估计值；

计算单元304，用于基于所述观测估计值，利用视线法向协同制导律计算视线法向参数以及利用视线切向协同制导律计算视线切向参数；

指令生成单元305，基于所述视线法向参数、视线切向参数以及无人机编队与目标之间的相对运动参数生成无人机过载指令。

上述各单元之间例如可以通过接口或总线进行数据交互。

此外，本发明还公开了一种电子设备，如图4所示，包括：处理器401、存储器402及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现所述的无人机编队协同导引方法。

此外，本发明还公开一种非暂态可读存储介质，所述可读存储介质上存储有程序，所述程序被处理器执行时实现所述的无人机编队协同导引方法。

上述存储器402或非暂态可读存储介质还存储协同导引模型以及协同制导律；其中，所述协同制导律包括视线法向协同制导律及视线切向协同制导律，所述视线法向协同制导律满足瞄准角约束条件，所述视线切向协同制导律满足碰撞时间约束。

应理解，本发明实施例中提及的处理器可以通过硬件实现也可以通过软件实现。当通过硬件实现时，该处理器可以是逻辑电路、集成电路等。当通过软件实现时，该处理器可以是一个通用处理器，通过读取存储器中存储的软件代码来实现。

示例性地，处理器可以是中央处理单元(central processing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processingor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

应理解，本发明实施例中提及的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。

应注意，本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。