CN113885583A - 一种应用于微***的l1航迹跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于微***的L1航迹跟踪方法,包括如下步骤:首先获得无人机实时的位置与速度信息,同时获得目标航线信息;选取需调整的当前时间点,选定一个长度L1,找到跟踪参考点;根据目标加速度和向心加速度的等价关系求得当前时刻的所需加速度值,间隔时间点重复上述步骤,即可实现航迹追踪。本发明通过在曲线路径上设定一个假想的点作为伪目标,该点沿目标路径运动,同时引入一个超前控制参数L1,即无人机当前位置与伪目标点的距离,用于克服曲线路径跟踪反馈控制的固有缺陷,并提供稳定连续的外环信号,即加速度控制目标值,作为内环的控制输入,最终输出控制量到执行机构,实现无人机对目标航迹的跟踪,普适性好,性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域,尤其涉及一种应用于微***的L1航迹跟踪方法。
背景技术
目前,航迹控制是无人机自主控制中的一个重要部分,即无人机按照既定的方法沿着目标航线进行自主跟踪飞行。常见的无人机航迹跟踪方法有两种。一种方法是将无人机的航迹跟踪问题分开为外环的制导回路和内环的控制回路。内环控制使无人机跟随由外环产生的加速度指令。外环制导回路中通常使用基于几何学和运动学特性的策略。而另一种方法是使用集成的策略,内环和外环被设计为同时运行。在这种情况下,可以应用一些现代的控制和设计技术,例如滚动时域控制、微分平滑以及基于神经网络的自适应控制。
集成微***技术是指将不同功能的多种先进元器件通过异构集成技术,以三维集成的结构形式设计、制造具有复杂功能的芯片级规格的微小型电子***的一种新技术。当这种技术应用于飞行控制***时,将要面临各个传感器使用微***技术进行微型化后带来的数据精度和稳定问题,要求飞行控制***对原有软件和算法做出优化,包括姿态控制、高度控制、速度控制与航迹跟踪控制。在航迹跟踪控制方法上,实际应用中将内外环分开的方法更常用,因为这种方法对于无人机的内环控制更简单且易于建立。常见的可以用比例微分(PD)控制器用于控制航迹误差。如果目标路径为直线,无论是否为微***条件,这种简单的策略可以提供很好的外环性能。然而,当任务需要对复杂的曲线路径进行紧密跟踪时,面对微***条件下的传感器精度下降,线性模型无法精确建立的情况,将导致航迹误差的线性反馈无法提供满意的性能。综上所述,迫切地需要提出一种微***下的航迹跟踪方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于微***的L1航迹跟踪方法,能够不依赖线性模型,具备适用性和鲁棒性,以面对微***技术条件下的传感器精度降低的问题。
本发明采用的技术方案为:
一种应用于微***的L1航迹跟踪方法,包括如下步骤:
A:首先获得无人机实时的位置与速度信息,同时获得目标航线信息;
B:选取需调整的当前时间点,选定一个长度L1,并以当前时间点无人机所在的位置为起点,以目标航线上的点为终点,沿着目标航线找到距离起点长度为L1的位置点,定义此位置点为跟踪参考点;连接当前无人机位置点与跟踪参考点,此连线长度为L1;
C:计算连线L1与无人机当前速度方向的夹角β,并且,在这一时间点定义一个圆周路径,这个圆过跟踪参考点和无人机当前位置,形成一条圆弧且与无人机速度方向相切,记圆的半径为R,所述的连线L1为其圆上的一个弦,进一步的可以得到如下关系:
R = L1/(2sinβ) (2)
D:求无人机从当前位置平滑的向跟踪参考点运动时,需要的加速度值大小;具体的,由于需要的加速度和跟踪这条瞬时圆弧的向心加速度相等,而由圆周运动的向心力公式可计算向心加速度a_cmd如下:
a_cmd = V2/R (3)
进一步将公式(2),代入公式(3)可得到:
a_cmd = 2V2sinβ/L1 (4)
则在这一时间点的目标向心加速度a_cmd的值即为所需的加速度值;
E,通过得到当前时刻所需的加速度,发送到内环控制中,内环控制以得到控制量,并发送控制信息到执行机构,从而操作无人机进行这一时间点的位置跟踪响应;
F:当无人机在这一时间点通过此L1航迹跟踪方法运动后,在下一时间点重复步骤B-E,直至跟踪结束。
所述的L1长度可调。
所述的时间点的间隔选取一般为无人机***位置传感器的位置信息采集周期。
本发明在使用微***技术时传感器精度降低的情况下,当无人机地面控制站需要无人机执行曲线路径时,通过在曲线路径上设定一个假想的点作为伪目标,该点沿目标路径运动,同时引入一个超前控制参数L1,即无人机当前位置与伪目标点的距离,用于克服曲线路径跟踪反馈控制的固有缺陷,并提供稳定连续的外环信号,即加速度控制目标值,作为内环的控制输入,最终输出控制量到执行机构,实现无人机对目标航迹的跟踪,普适性好,性能稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明L1直线确定示意图;
图2为本发明的控制原理框图;
图3为本发明连续作用下跟踪示意图;
图中各符号含义为:V,无人机速度;R,经过无人机位置与跟踪参考点的圆的半径;L1,连接无人机位置与跟踪参考点的线段;β,L1与V的夹角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅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付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。
本发明以下面实施例进行说明具体的步骤和过程,实施例中的L1航迹跟踪方法更为详细的实施途径如图1-图3所示。在接到目标航线后,并收到航迹跟踪指令后,如图1,首先获得无人机的位置与速度信息,同时获得目标航线信息。
进一步的,选定一个长度L1,并以当前无人机位置为起点,以目标航线上的点为终点,沿着目标航线找到距离起点为L1的位置点,定义为跟踪参考点。连接当前无人机位置点与跟踪参考点,显然,此连线长度为L1。
进一步的,可计算出连线L1与无人机当前速度方向的夹角β,并且,在这一时间点可以定义一个圆周路径,这个圆过跟踪参考点和无人机当前位置,形成一条圆弧且与无人机速度方向相切,半径为R,L1为其圆上的一个弦。进一步的可以得到如下关系:
L1 = 2Rsinβ (1)
进一步整理得到
R = L1/(2sinβ) (2)
进一步的,无人机从当前位置平滑的向跟踪参考点运动时,需要的加速度值和跟踪这条瞬时圆弧的向心加速度相等,而由圆周运动的向心力公式可计算向心加速度a_cmd如下:
a_cmd = V2/R (3)
进一步将公式(2),代入公式(3)可得到:
a_cmd = 2V2sinβ/L1 (4)
至此,无人机当前速度V和距离L1已知,速度与L1的夹角β可计算得到,则在这一时间点的目标向心加速度a_cmd在此得到,进一步的进入本实施例中的内环控制以得到控制量,在本实施例中进行执行机构的控制,从而操作无人机进行这一时间点的位置跟踪响应。
进一步的,当无人机在这一时间点通过此L1航迹跟踪方法运动后,在下一时间点将同样产生新的跟踪参考点,加速度的值取决于L1线段和无人机速度方向之间夹角β。如图3所示,实施例中,跟踪参考点在无人机速度方向的右边,则无人机会被命令向右加速,换言之,无人机总是趋向于将它的速度方向和L1线段的方向对齐。
当每一个时间点被连续起来后,无人机的运动方向将在跟踪参考点的引导下,沿着目标航线以L1线段为引进行实现航迹跟踪,无人机的运动曲线将与目标航线重合。
所述的L1长度最小数值为航迹跟踪开始时无人机当前位置与目标航迹上目标位置的最小连线长度,最大值为航迹跟踪开始时无人机当前位置与目标航迹上目标位置的最大连线长度,由公式(4)可知,L1的大小将决定无人机跟踪目标航迹的收敛速度,而不会影响目标跟踪的最终效果,即L1大时,无人机将以比较慢的移动速度贴近目标航迹,L1小时,无人机将比较迅速的贴近目标航迹,但是最终均将收敛于目标航迹。针对不同的无人机和不同的飞行任务,在飞行过程中可以通过此值的调整达到任务期望的跟踪效果。
所述的时间点的间隔在理论上越小越好,以便得到更连续精确的跟踪效果,而实际上取决于无人机控制***的刷新频率与位置传感器采集位置信息的频率,一般来说,目前无人机控制***的刷新频率均高于位置传感器的采集频率,即位置传感器的数据更新周期就是L1跟踪方法的最优时间间隔,若此时间间隔大于位置传感器更新周期,会导致控制滞后,跟踪过程中实际跟踪航迹效果变差,若此时间间隔小于位置传感器更新周期,产生重复的控制过程与控制量,浪费整个控制***的开销,会造成控制冗余。
上述实施例构建了一种典型的无人机航迹跟踪任务流程,从目标航线的生成到最终的执行者,明确了各个功能模块的名称与各个流程节点的信号定义与流向。更为详细的实施方式如图2所示,地面站用来生成无人机需要飞行的目标航线,经由通信链路上传到飞行控制微***,飞行控制微***硬件采用基于ARM cortex-M4架构的微处理器,软件利用C语言代码直接写入,主要包括控制指令解算及通信管理,在本实施例中,重点使用其L1航迹跟踪方法和内环控制两个部分。飞行控制微***经过通信链路获得目标航线后,进一步的,从无人机处获得无人机的实时位置和速度信息,与目标航线一起经过L1航迹跟踪方法后输出内环控制所需的目标加速度值,进一步的,内环控制将结合此目标加速度值与无人机处获得的实时姿态与加速度信息经过算法解算输出控制量到执行机构,常见的执行机构包括舵机、电机与开关等,进一步的,执行机构通过执行量来操作无人机进行航迹跟踪的响应,使得无人机按照目标航线飞行。
本发明为了适应微***技术下的低精度传感器,确定使用外环与内环分开设计的航迹跟踪方法,使用一种L1航迹跟踪方法完成外环的设计,将外环生成的参考指令输入内环,由内环生成最终的控制量,引导无人机向目标位置移动。
首先,在无人机飞行任务中,由地面站规划目标航线后通过无线链路上传到无人机***中,无人机自行确定当前位置和速度V后,以固定距离L1作为标尺,寻找目标航线上与之相距L1的位置点,此点定义为跟踪参考点,此时可以做出无人机当前位置与跟踪参考点之间的连线,长度为L1。进一步的,可以计算出无人机当前速度方向与L1连线的夹角β。进一步的,在每一个时间点可以定义一个圆周路径,这个圆过跟踪参考点和无人机当前位置,且与无人机速度方向相切,半径为R,L1为其圆上的一个弦。进一步的,根据数学中弦长计算原理可以得出距离L1、半径R和切线角β的关系,即L1=2Rsinβ。进一步的,当需要无人机从当前位置平滑的向跟踪参考点运动时,需要的加速度值和跟踪这条瞬时圆弧的向心加速度相等。进一步的,由物理学向心力的原理可以计算出此时的向心加速度a_cmd=V2/R。进一步的,根据之前得出的距离L1、半径R和切线角β的关系,将R替换替换为距离L1和切线角β,可以得出需要的加速度值与无人机当前速度V、距离L1和切线角β的关系,即a_cmd=2V2sinβ/L1。至此,计算从无人机当前位置运动到跟踪参考点的加速度值所使用的所有参数都是无人机可自主获取或者可自主计算的,在下一个时间点,随着跟踪参考点在目标航线上移动,无人机将越来越趋近于目标航线,从而实现对目标航迹的跟踪。
本发明根据距离L1,在目标航线上产生虚拟的跟踪参考点,采用目标加速度与向心加速度的等价关系,产生航迹跟踪的目标控制量,随着每个解算时间点的更新,跟踪参考点时刻沿着目标航线进行更新,从而可使用在微***技术使用的情况下,完成对复杂的曲线路径进行跟踪,而且航迹跟踪外环目标量的获得独立于内环控制,外环目标量的产生与内环控制使用什么控制算法无关。
本发明应用于微***的L1航迹跟踪方法不依赖于传统的PD比例调节器,不用建立线性模型,首先解决了微***技术下的传感器精度差,线性模型无法准确建立的情况下,进行复杂的曲线路径航迹跟踪问题;其次,将航迹跟踪的外环与内环独立出来,外环利用L1航迹跟踪方法给出目标加速度值,内环控制可以根据实际情况独立选择任意控制算法,给予不同使用条件下更多的算法种类适用性,使得本发明具备更高的适应性。
在本发明的描述中,需要说明的是,对于方位词,如有术语“ 中心”,“ 横向”、“ 纵向”、“ 长度”、“ 宽度”、“ 厚度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”、“ 顺时针”、“ 逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作,不能理解为限制本发明的具体保护范围。
需要说明的是,本申请的说明书和权利要求书中的术语“ 第一”、“ 第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施例。此外,术语“ 包括”和“ 具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明,但本发明不限于这里所述的特定实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等有效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (3)
1.一种应用于微***的L1航迹跟踪方法,其特征在于:包括如下步骤:
A:首先获得无人机实时的位置与速度信息,同时获得目标航线信息;
B:选取需调整的当前时间点,选定一个长度L1,并以当前时间点无人机所在的位置为起点,以目标航线上的点为终点,沿着目标航线找到距离起点长度为L1的位置点,定义此位置点为跟踪参考点;连接当前无人机位置点与跟踪参考点,此连线长度为L1;
C:计算连线L1与无人机当前速度方向的夹角β,并且,在这一时间点定义一个圆周路径,这个圆过跟踪参考点和无人机当前位置,形成一条圆弧且与无人机速度方向相切,记圆的半径为R,所述的连线L1为其圆上的一个弦,进一步的可以得到如下关系:
R = L1/(2sinβ) (2)
D:求无人机从当前位置平滑的向跟踪参考点运动时,需要的加速度值大小;具体的,由于需要的加速度和跟踪这条瞬时圆弧的向心加速度相等,而由圆周运动的向心力公式可计算向心加速度a_cmd如下:
a_cmd = V2/R (3)
进一步将公式(2),代入公式(3)可得到:
a_cmd = 2V2sinβ/L1 (4)
则在这一时间点的目标向心加速度a_cmd的值即为所需的加速度值;
E,通过得到当前时刻所需的加速度,发送到内环控制中,内环控制以得到控制量,并发送控制信息到执行机构,从而操作无人机进行这一时间点的位置跟踪响应;
F:当无人机在这一时间点通过此L1航迹跟踪方法运动后,在下一时间点重复步骤B-E,直至跟踪结束。
2.根据权利要求1所述的应用于微***的L1航迹跟踪方法,其特征在于:所述的L1长度可调。
3.根据权利要求2所述的应用于微***的L1航迹跟踪方法,其特征在于:所述的时间点的间隔选取一般为无人机***位置传感器的位置信息采集周期。
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