CN117270402A - 一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，针对无人机受到侧力干扰，带来侧偏距误差的问题，该方法中采用基于制导律的积分控制，用于抵消极端风场带来的侧力与侧向速度干扰；而针对无人机与期望航迹相距较远时，参考距离长度选取不当的问题，该方法采用限制截距角和沿航迹距离的前向距离计算方法，能够动态调整参考距离长度，减小跟踪误差。该方法可以根据当前飞机位置坐标，精确跟踪期望航迹，同时抵抗外力干扰和力矩干扰，实现对期望航迹的精确跟踪。

Description

一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制技术领域，具体为一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法。

背景技术

近年来，随着无人机领域和计算机技术的发展，无人机数量越来越多，已被广泛应用于各领域。某型无人机带有拖曳式诱饵舱，设计作为靶机进行预定航线飞行。为了模拟真实作战环境，该无人机在在跟踪预定航线的过程中可能会遇到极端风场情况，风场中的强烈侧风干扰或其它外力的影响，导致无人机偏离航线，严重威胁无人机的飞行安全，而且影响无人机的作战训练效果。因此，研究无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，使无人机在极端风场的外力干扰下能够精确跟踪预期轨迹，具有重要的意义。

目前，大多数适用于极端风场的无人机抗扰航迹跟踪控制方法只考虑了侧风速度对航迹跟踪的影响，并没有考虑风场带来的侧力对无人机航迹跟踪的影响，而这通常会导致无人机在航迹跟踪过程中产生侧偏距，传统的航迹跟踪控制算法无法抵消这一部分侧偏距。此外，当无人机受极端风场影响而与期望航迹相距较远时，需要选取航迹参考点以恢复对期望航迹的精确跟踪，但目前的航迹跟踪控制方法都是采用固定的参考距离长度，在无人机受极端风场影响时，跟踪误差较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，该方法可以根据当前飞机位置坐标，精确跟踪期望航迹，同时抵抗外力干扰和力矩干扰，实现对期望航迹的精确跟踪。

针对无人机受到侧力干扰，带来侧偏距误差的问题，该方法中采用基于制导律 的积分控制，用于抵消极端风场带来的侧力与侧向速度干扰；而针对无人机与期望航迹相 距较远时，参考距离长度选取不当的问题，该方法采用限制截距角和沿航迹距离的前向距 离计算方法，能够动态调整参考距离长度，减小跟踪误差；从而实现无人机航迹的精确跟踪 控制。

本发明的技术方案为：

一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据无人机自身传感器或配套探测设备获取无人机位置、姿态、速度信息，并读取当前期望航迹信息；

步骤2：计算无人机从当前位置到达期望航迹上某一虚拟目标点的前向距离向量，并对前向距离进行修正，得到优化后的前向距离向量大小；

步骤3：计算无人机速度矢量与之间的航向角，并对航向角进行最大值限 制；

步骤4：根据无人机当前飞行状态和期望航迹信息，并考虑步骤3中的航向角最大值限制，计算无人机为跟踪期望航迹所需要的横向加速度；

步骤5：根据步骤4得到的横向加速度计算期望滚转角指令；

步骤6：针对侧向力和力矩干扰，引入积分控制模块，修正横向加速度和期望滚转角指令；

步骤7：设计内环滚转角控制回路和协调转弯控制回路，协调副翼和方向舵操纵量，跟踪期望滚转角信号，实现航迹的精确跟踪。

进一步的，步骤2的具体过程为：

定义无人机从当前位置到达期望航迹上某一位置的前向距离向量为；的大 小计算公式为：

其中，表示无人机相对于地面的水平速度矢量，为以秒为单位的时间常数，是 用于调节前向距离大小的参数；

进一步对参数值进行修正，修正过程如下：

定义截距角和沿航迹前向距离：

表示与期望航迹的夹角，沿航迹前向距离表示在期望航迹方向上的投 影长度；

则的计算公式为：

其中，为可调节参数；表示无人机到期望航迹线上的垂直距离，表示截 距角选取的最大值；

利用以上参数对进行修正，修正后的值定义为，其计算公式为:

。

进一步的，的选取准则为：选择为无人机滚转响应延迟时间的3至4倍。

进一步的，截距角不大于，当大于时取。

进一步的，步骤3的具体过程为：

设无人机当前水平位置坐标为，虚拟目标点的坐标为，从无人机当 前位置到虚拟目标点的向量表示为：

则无人机速度矢量与的夹角的计算公式为：

其中，当大于等于时，对进行限制：

首先限制最大横向加速度：

其中，表示最大滚转角指令，为重力加速度；

其次，计算的最大值限制为：

。

进一步的，步骤4中，无人机为跟踪期望航迹所需要的横向加速度为：

。

进一步的，步骤5中，期望滚转角指令为：

。

进一步的，步骤6的具体过程为：

为抵抗飞行过程中受到的侧向干扰力和力矩，在横向加速度和滚转角指令解算过程中引入积分环节，进行指令修正：

其中，为无人机当前的侧偏距，为在与无人机速度矢量垂直的方向上的投 影长度，为可调节的侧偏距积分参数，为修正后的横向加速度；

进而得到对期望滚转角指令的修正值：

。

进一步的，步骤7的具体过程为：

根据期望滚转角指令，设计滚转角控制回路和协调转弯控制回路：

其中，滚转角控制回路设计为串级PID控制形式，其控制律为：

其中，表示副翼操纵量，表示无人机当前滚转角，表示滚转角速率指令， 表示当前滚转角速率，表示副翼配平值，表示滚转角PID控制器中的比例增益参数，表示滚转角PID控制器中的积分增益参数，表示滚转角速率PID控制器中的比例增益 参数，表示滚转角速率PID控制器中的积分增益参数；

协调转弯的控制律为：

其中，表示俯仰角指令，表示方向舵操纵量，和表示需要调节的参数，表示无人机当前偏航角速率，表示无人机偏航角速率指令；

利用最终得到的副翼和方向舵操纵量，跟踪期望滚转角信号，实现航迹的精确跟踪。

有益效果：

本发明提出的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，采用基于制导律的积分控 制，抵消极端风场带来的侧力与侧向速度干扰，解决了无人机受到侧力干扰，带来侧偏距误 差的问题；采用限制截距角和沿航迹距离的前向距离计算方法，动态调整参考距离长度，解 决无人机与期望航迹较远时，参考距离长度选取不当，导致跟踪误差较大的问题。

通过在五级风场下对本发明提出的复合抗扰制导律进行飞行试验验证，结果表明，在切入航线跟踪模式后，无人机主动跟踪航点，并在风场环境下实现了对期望航迹的精确跟踪，验证了本发明的有效性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明用到的飞机运动参数的图形解释。

图2为方形期望航迹以及存在风场强烈侧力和侧向风速干扰的情况下，本发明所提出的复合抗扰航迹跟踪控制方法与传统的抗扰航迹跟踪算法的对比图。

图3为仿真过程中三种航迹跟踪算法下的侧偏距误差的大小。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明针对无人机在极端风场情况下的抗扰航迹跟踪控制问题，提出了一种复合抗扰航迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤1，根据无人机自身传感器或配套探测设备获取无人机位置、姿态、速度信息，并读取当前期望航迹信息。

这里，我们可以采用GPS、北斗等机载卫星导航定位设备，获取无人机当前的飞行速度、飞机姿态、飞机位置等信息；同时读取期望航迹信号，为后续制导律解算过程提供数据基础。

步骤2：计算无人机从当前位置到达期望航迹上某一虚拟目标点的前向距离向量，并考虑无人机与期望航迹距离过大的情况，通过改进前向距离计算方法，得到优化后 的前向距离向量大小。

具体过程如下：

定义无人机从当前位置到达期望航迹上某一位置的前向距离向量为。

的大小计算公式为：

其中，表示无人机相对于地面的水平速度矢量，为以秒为单位的时间常数，是 用于调节前向距离大小的参数。

基于飞行控制***的奇异摄动原理，航迹环的响应延迟时间应当为姿态环相应延 迟时间的3-4倍，也就是保证姿态环响应速度比航迹环响应速度快3-4倍，因此的选取准则 为：选择为无人机滚转响应延迟时间的3至4倍。

考虑到无人机与期望航迹的距离大于的选取值时，常规前向距离计算方法无 法处理此种情况，需对参数值进行修正，修正过程如下：

定义截距角和沿航迹前向距离：

表示与期望航迹的夹角，沿航迹前向距离表示在期望航迹方向上的投 影长度。

则的计算公式为：

其中，为可调节参数，一般在1附近取值；表示无人机到期望航迹线上的垂直 距离，表示截距角选取的最大值，用来保证无人机到达期望航迹附近后不会出现截距 角过大的情况，这是因为大截距角会导致大的横向跟踪超调，因此截距角一般需要不大于，当其大于时取。

利用以上参数对进行修正，修正后的值定义为，其计算公式为:

。

步骤3：计算无人机速度矢量与的夹角。

设无人机当前水平位置坐标为，虚拟目标点的坐标为，故从无人机 当前位置到虚拟目标点的向量可表示为：

则无人机速度矢量与的夹角的计算公式为：

其中，当较大时，跟踪航迹所需的横向加速度较大，从而所需的滚转角也会较 大，但考虑到飞机的滚转角限制，需要对进行限幅处理。

因此，最大横向加速度的限制为：

其中，表示最大滚转角指令，为重力加速度。

的最大值限制为：

。

上面限制最大横向加速度的目的是限制最大滚转角，在计算的最大值限制时使 用到了最大滚转角，同时限制最大横向加速度可以避免在航迹跟踪时跟踪超调过大导致的 误差过大。

步骤4：根据无人机当前飞行状态和期望航迹信息，并考虑步骤3中的航向角限制，计算无人机为跟踪期望航迹所需要的横向加速度；

。

步骤5：根据横向加速度计算期望滚转角指令；

其中，为滚转角指令，为重力加速度。

步骤6：针对侧向力和力矩干扰，引入积分控制模块，修正横向加速度和期望滚转角指令；具体过程为：

为抵抗飞行过程中受到的侧向干扰力和力矩，在横向加速度和滚转角指令解算过程中引入积分环节，进行指令修正：

其中，为无人机当前的侧偏距，即在与无人机速度矢量垂直的方向上的投 影长度，为可调节的侧偏距积分参数，为修正后的横向加速度。

进而得到对期望滚转角指令的修正值：

。

步骤7：进一步设计内环滚转角控制回路和协调转弯控制回路，协调副翼和方向舵操纵量，跟踪期望滚转角信号，从而实现航迹的精确跟踪。

具体过程如下：

根据期望滚转角指令，设计滚转角控制回路和协调转弯控制回路：

滚转角控制回路设计为串级PID控制形式，其控制律为：

其中，表示副翼操纵量，表示无人机当前滚转角，表示滚转角速率指令， 表示当前滚转角速率，表示副翼配平值，表示滚转角PID控制器中的比例增益参数，表示滚转角PID控制器中的积分增益参数，表示滚转角速率PID控制器中的比例增益 参数，表示滚转角速率PID控制器中的积分增益参数。

协调转弯的控制律为：

其中，表示俯仰角指令，为与纵向通道的耦合项，在水平制导律解算过程中固 定为0；表示方向舵操纵量，和表示需要调节的参数，表示无人机当前偏航角速率，表示无人机偏航角速率指令。

利用最终得到的副翼和方向舵操纵量，跟踪期望滚转角信号，实现航迹的精确跟踪。

下面通过仿真实验和试飞试验验证此发明的有效性。

在仿真实验中，针对某型双尾撑式布局固定翼无人机，设计了传统的PD制导律、传统的L₁制导律以及本发明提出的复合抗扰制导律三种航迹跟踪控制方法。

在仿真飞行过程中，全程给无人机施加的侧向风力以及的侧向紊流风速 干扰，观察三种控制律对期望航迹的跟踪效果。可以发现，传统的PD制导律以及传统的L₁制 导律在存在侧向力干扰的情况下，具有较大的稳态误差，侧偏距误差大概在左右，而本 发明提出的复合抗扰制导律则消除了这部分稳态误差，可以实现对期望航迹的无稳差跟 踪。图2展示了整个仿真过程三种制导律的轨迹跟踪情况，图3展示了仿真过程中三种制导 律下侧偏距误差的大小，可以看出传统的PD制导律以及传统的L₁制导律均具有较大的稳态 误差，而本发明提出的复合抗扰制导律则消除了这一部分稳态误差，实现了对航迹的无稳 差精确跟踪。最后在五级风场下对本发明提出的复合抗扰制导律进行飞行试验验证，在切 入航线跟踪模式后，无人机主动跟踪航点，并在风场环境下实现了对期望航迹的精确跟踪， 验证了本发明的有效性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据无人机自身传感器或配套探测设备获取无人机位置、姿态、速度信息，并读取当前期望航迹信息；

步骤2：计算无人机从当前位置到达期望航迹上某一虚拟目标点的前向距离向量，并对前向距离/>进行修正，得到优化后的前向距离向量大小/>；

步骤3：计算无人机速度矢量与之间的航向角/>，并对航向角/>进行最大值限制；

步骤4：根据无人机当前飞行状态和期望航迹信息，并考虑步骤3中的航向角最大值限制，计算无人机为跟踪期望航迹所需要的横向加速度；

步骤5：根据步骤4得到的横向加速度计算期望滚转角指令；

步骤6：针对侧向力和力矩干扰，引入积分控制模块，修正横向加速度和期望滚转角指令；

步骤7：设计内环滚转角控制回路和协调转弯控制回路，协调副翼和方向舵操纵量，跟踪期望滚转角信号，实现航迹的精确跟踪。

2.根据权利要求1所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤2的具体过程为：

定义无人机从当前位置到达期望航迹上某一位置的前向距离向量为；/>的大小计算公式为：

其中，表示无人机相对于地面的水平速度矢量，/>为以秒为单位的时间常数，是用于调节前向距离大小的参数；

进一步对参数值进行修正，修正过程如下：

定义截距角和沿航迹前向距离/>：

表示/>与期望航迹的夹角，沿航迹前向距离/>表示/>在期望航迹方向上的投影长度；

则的计算公式为：

其中，为可调节参数；/>表示无人机到期望航迹线上的垂直距离，/>表示截距角选取的最大值；

利用以上参数对进行修正，/>修正后的值定义为/>，其计算公式为:

。

3.根据权利要求2所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：的选取准则为：/>选择为无人机滚转响应延迟时间/>的3至4倍。

4.根据权利要求2所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：截距角不大于/>，当大于/>时取/>。

5.根据权利要求2所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤3的具体过程为：

设无人机当前水平位置坐标为，虚拟目标点的坐标为/>，从无人机当前位置到虚拟目标点的向量表示为：

则无人机速度矢量与的夹角/>的计算公式为：

其中，当大于等于/>时，对/>进行限制：

首先限制最大横向加速度：

其中，表示最大滚转角指令，/>为重力加速度；

其次，计算的最大值限制为：

。

6.根据权利要求5所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤4中，无人机为跟踪期望航迹所需要的横向加速度为：

。

7.根据权利要求6所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤5中，期望滚转角指令为：

。

8.根据权利要求6所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤6的具体过程为：

为抵抗飞行过程中受到的侧向干扰力和力矩，在横向加速度和滚转角指令解算过程中引入积分环节，进行指令修正：

其中，为无人机当前的侧偏距，为/>在与无人机速度矢量垂直的方向上的投影长度，/>为可调节的侧偏距积分参数，/>为修正后的横向加速度；

进而得到对期望滚转角指令的修正值：

。

9.根据权利要求8所述一种适用于极端风场的无人机复合抗扰航迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤7的具体过程为：

根据期望滚转角指令，设计滚转角控制回路和协调转弯控制回路：

滚转角控制回路设计为串级PID控制形式，其控制律为：

其中，表示副翼操纵量，/>表示无人机当前滚转角，/>表示滚转角速率指令，/>表示当前滚转角速率，/>表示副翼配平值，/>表示滚转角PID控制器中的比例增益参数，/>表示滚转角PID控制器中的积分增益参数，/>表示滚转角速率PID控制器中的比例增益参数，/>表示滚转角速率PID控制器中的积分增益参数；

协调转弯的控制律为：

其中，表示俯仰角指令，/>表示方向舵操纵量，/>和/>表示需要调节的参数，/>表示无人机当前偏航角速率，/>表示无人机偏航角速率指令；

利用最终得到的副翼和方向舵操纵量，跟踪期望滚转角信号，实现航迹的精确跟踪。