專利名稱：一種用于無人飛機的自主導航制導方法
技術領域：
本發明涉及航空技術領域，更具體地說，本發明涉及無人飛機自主導航方法。
背景技術：
無人飛機自主導航方法是指無人飛機在接收到執行任務后，根據其當前狀態以及 環境信息，在線生成航路、跟隨航路，完成任務的能力。通常自主導航方法包括三大部分導 航模塊、制導模塊以及控制模塊。本發明主要針對無人飛機自主導航方法中的導航與制導 方法。導航方法是指無人飛機的航路規劃方法，是指在滿足無人飛機約束的條件下，尋 找一條由起飛點到目標點的最優或令人滿意的飛行航線。現行的導航方法主要由地面規劃 人員或者地面站根據無人飛機的飛行任務以及當前已知威脅信息離線規劃出航路，但隨著 無人飛機飛行任務越來越復雜，飛行環境的不確定性使得離線規劃不能完全滿足實際飛行 要求，不能根據實時變化的環境在線更改航路。制導方法是整個導航系統不可或缺的一部分，它通過一定的制導律給出制導指 令，使無人飛機能夠精確跟蹤在航路規劃中得到的航跡。現行的制導方法主要是通過計算 側偏距和偏航角，給出控制律，實現跟蹤，但由于無人飛機在進行地形跟蹤\地形回避\威 脅回避飛行時，航跡通常比較曲折，會導致在計算側偏距和偏航角時較困難，因此，需要研 究新的方法來實現無人飛機對復雜形狀航跡的跟蹤。現在的自主導航制導方法主要有以下不足之處需要改進1、航路規劃方法大部分為離線規劃方法，需要預定飛行任務，以及預知飛行環境 信息。航路一旦裝訂到無人飛機，不易更改。當在飛行過程中，當飛行任務或者飛行環境發 生改變時，無人飛機很難及時更新航路，不利于無人飛機自主導航能力的提升。2、當前規劃方法雖然能夠給出最優或者令人滿意的航路，但由于算法全局尋優機 制，使得算法計算量大，耗時長，占用大量的硬件資源，不利于作為導航模塊嵌入到小型飛 行控制系統中去。3、常規中使用的航跡跟蹤方法大部分為基于側偏距和偏航角的控制方案，需要準 確計算側偏距和偏航角。當無人飛機跟蹤復雜形狀航跡時，由于航跡的形狀復雜，存在側偏 距和航向角不容易計算的情況，不利于側偏控制律的產生。

發明內容
本發明主要為了進一步提高無人飛機自主導航能力，其主要體現在以下兩點一 是為了提高航路規劃算法的快速性與實時性，將速度矢量場法融入到無人飛機航路規劃 中，使得無人飛機能夠根據當前任務，狀態以及環境信息給出下一航點位置，實現實時航路 規劃。二是為了實現對實時規劃航路的跟蹤，設計非線性導航邏輯制導律，通過目標點及無 人飛機的當前位置、速度信息及探測步長，給出非線性的加速度指令，實現對目標航跡的跟蹤
其中基于速度矢量場的航路規劃方法將規劃空間視為場的作用區域，將目標點、 威脅區域看作速度場源，規劃質點在矢量場的作用下，產生合速度，導引規劃點繞過威脅區 域，抵達目標點。該合速度即為無人飛機航路的規劃速度，而規劃點在合速度場下的運動軌 跡正是待規劃的飛行航路。在基于速度矢量場的航路規劃中，將目標點看作牽引場源，牽引規劃點以一定牽 引速度Vt向目標點運動。而威脅、障礙則被看作規避場源和導引場源，它不僅提供規避速度 Vp推離規劃點遠離威脅區域，也提供了垂直于Vp指向目標點的導引速度V。，為飛機“指明，， 如何繞過威脅區域。三個矢量場作用在規劃點上，使得飛機產生合規劃速度，而對合速度的 積分即為待規劃的路徑，更具體的講，其按照下列步驟進行A、進入自主導航模式；B、接收無人飛機位置信息、狀態信息和環境信息；C、根據接收到的位置信息、狀態信息和環境信息，并結合目標信息，計算規劃點所 受牽引場、規避場以及導引場場強，疊加三個場強得到規劃速度；D、用規劃速度與導航模塊調用周期的乘積與當前無人飛機位置疊加即得到下一 時刻需要到達的航點位置信息；E、以上B-D步驟迭代進行，直到無人飛機到達目標點；F、退出自主導航模式；在進行場矢量進行航路規劃時，由于威脅區域之間相對位置信息不能夠完全通過 場強疊加表現出來，規劃點容易陷入局部最小區域。所謂“速度場陷阱”指的是規劃點陷入 速度場的局部最小點或在局部最小區域周期性徘徊。為了解決該問題，在速度矢量場中引 入虛擬目標點添加機制，在規劃點陷入局部最小區域時，及時添加臨時目標點替代原目標 點，牽引無人飛機脫離速度場陷阱。另外，由于無人飛機機動能力的約束，無人飛機在實際 飛行過程中有最小的轉彎半徑要求，因此規劃的航路曲率不能太小，需要滿足無人飛機最 小轉彎半徑要求，在用速度矢量場每步迭代步長確定的條件下，采用限制規劃速度方向與 無人飛機當前方位角的最大偏差角度來達到限制規劃航路的最小轉彎半徑。在增加加虛擬目標點添加機制以及融入探測步長法后，速度矢量場法每次根據無 人飛機當前姿態信息，位置信息以及環境目標信息，及時給出滿足無人飛機約束的下一航 點位置信息，從而達到實時航路規劃的目的，實現在線航路規劃功能。在獲得無人飛機下一航點位置信息后，采用基于非線性導航邏輯制導律實現航跡 跟蹤。航跡跟蹤算法根據航路規劃給出的目標點的位置信息，結合無人飛機的當前位置、 姿態信息及探測步長，給出非線性的加速度制導指令，并通過加速度與滾轉角的轉化關系， 將加速度指令轉化為滾轉角指令，用該滾轉角指令結合無人飛機飛行控制系統的橫側向環 節及無人飛機的運動學方程，通過建立跟蹤模型，實現對目標航點的跟蹤；同時，通過傳感 器獲得無人飛機新的采樣時刻的位置及姿態信息，并通過航路規劃模塊與航跡跟蹤模塊之 間數據的傳遞，達到實時航跡跟蹤的目的，實現在線航跡跟蹤功能，其具體依照下列步驟完 成 a)將導航模塊規劃出的目標點與無人飛機的當前位置點構成的直線作為目標航 跡，并將該直線的斜率角作為視線角λ ；b)用當前無人飛機的速度方向角Y減去視線角λ，即為非線性加速度指令中所需的角度n ；c)根據得出的角度η得到非線性的加速度指令；d)將該加速度指令轉化為滾轉角指令；e)依據該滾轉角指令并結合無人飛機飛控系統完成航跡跟蹤。跟蹤過程中，為了保證制導律的動態特性與飛行控制系統的匹配，對非線性制導律進行了線性化分析，給出了非線性制導律的帶寬，通過制導律與飛行控制系統的動態約 束匹配，限定探測步長的長度，保證了無人飛機約束與制導算法的融合；同時，計算飛行過 程中每一采樣時刻無人飛機的滾轉角，使滾轉角不超過無人飛機所允許的最大滾轉角的限 制。


圖1是無人飛機系統結構圖。圖2是基于速度矢量場航路規劃法示意圖。其中Vt表示牽引速度，Vp表示規避速 度，Vg表示導引速度。圖3是計算規劃速度示意圖。圖4是角度關系示意圖。其中，A為無人飛機位置，B為目標點位置，Vffl為無人飛 機速度大小，a。為非線性加速度指令，λ為由無人飛機及目標點位置構成的視線角，γ為 無人飛機速度方向角，n為無人飛機速度與視線之間的夾角。圖5是加速度與滾轉角的轉化示意圖。其中，a。為給定的非線性加速度指令，L為 無人飛機的升力，Φ為滾轉角，g為重力加速度。圖6是跟蹤模型的建立示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明本發明主要包含兩大模塊，分別為導航模塊與制導模塊。當無人飛機進入自主導航模式后，飛行控制軟件切換至基于速度矢量場法的導航 制導模塊。首先導航模塊啟用速度矢量場法進行航路規劃。以傳感器中接受到的無人飛機 位置信息，狀態信息以及地面站或者機載傳感器探測的環境信息，結合目標信息作為速度 矢量場法的輸入，速度矢量場首先更新環境信息，再根據無人飛機的位置判斷是否啟用虛 擬目標點機制或更新虛擬目標點，然后計算規劃點所受牽引場，規避場以及導引場場強，疊 加三個場強得到規劃速度，參見圖2 ；判斷規劃速度與無人飛機當前速度是否偏差過大，啟 用探測步長法限制規劃航路的最小轉彎半徑，從而得到最終規劃速度，其中迭代過程見圖 3。在得到規劃速度后，規劃速度與導航模塊調用周期的乘積與當前無人飛機位置疊加即為 下一時刻需要到達的航點位置信息。導航模塊迭代進行，直至無人飛機到達目標點完成任 務，退出該導航模塊。該方法算法簡單快速，規劃的航路能夠滿足無人飛機飛行要求，能夠 滿足無人飛機機載設備的限制，可以在單位導航周期內規劃出下一時刻航點信息，從而完 成規劃任務。在實現在線航跡跟蹤時，將導航模塊規劃出的目標點，結合無人飛機的當前位置 信息構成的直線作為目標航跡，并將該直線的斜率角作為視線角λ，用無人飛機的速度方向角Y減去視線角λ，即得到非線性加速度指令中所需的角度η，角度關系如圖4所示， 進而得到非線性的加速度指令，根據加速度指令與滾轉角的轉換關系如圖5所示，將該加速度指令轉化為滾轉角指令，并結合無人飛機飛控系統的橫側向環節及無人飛機的運動學 方程，完成對跟蹤模型的建立如圖6所示，實現對目標航路點的跟蹤，同時，通過傳感器獲 得新一時刻無人飛機的位置及速度信息，并通過導航模塊與制導模塊之間數據的傳遞，實 現無人飛機對實時航跡的跟蹤，整個導航系統的結構如圖1所示。
本方法實現簡單，實時性好，具有很強的實際應用前景。
權利要求
一種用于無人飛機的自主導航制導方法，包括導航方法和制導方法，其特征在于(一)、所述導航方法使用了基于速度矢量場的航路規劃方法，即將規劃空間視為場的作用區域，目標點、威脅區域看作速度場源；規劃質點在矢量場的作用下，產生合速度，導引規劃點繞過威脅區域，抵達目標點，該合速度即為無人飛機航路的規劃速度，而規劃點在合速度場下的運動軌跡正是待規劃的飛行航路；其具體步驟為A、進入自主導航模式；B、接收無人飛機位置信息、狀態信息和環境信息；C、根據接收到的位置信息、狀態信息和環境信息，并結合目標信息，計算規劃點所受牽引場、規避場以及導引場場強，疊加三個場強得到規劃速度；D、用規劃速度與導航模塊調用周期的乘積與當前無人飛機位置疊加即得到下一時刻需要到達的航點位置信息；E、以上B-D步驟迭代進行，直到無人飛機到達目標點；F、退出自主導航模式；(二)、所述制導方法使用了基于非線性導航邏輯制導律的航跡跟蹤方法，即根據航路規劃給出的目標點的位置信息，結合無人飛機的當前位置、姿態信息及探測步長，給出非線性的制導指令，通過飛控系統執行指令從而實現在線航跡跟蹤功能，其具體步驟為a)將導航模塊規劃出的目標點與無人飛機的當前位置點構成的直線作為目標航跡，并將該直線的斜率角作為視線角λ；b)用當前無人飛機的速度方向角γ減去視線角λ，即為非線性加速度指令中所需的角度η；c)根據得出的角度η得到非線性的加速度指令；d)將該加速度指令轉化為滾轉角指令；e)依據該滾轉角指令并結合無人飛機飛控系統完成航跡跟蹤。
2.如權利要求1所述的用于無人飛機的自主導航制導方法，其特征在于所述步驟C包括Cl、判斷規劃點是否陷入局部最小區域，如是，則及時添加臨時目標點替代原目標點， 牽引無人飛機脫離速度場陷阱；如否，則繼續執行C2步驟；C2、計算規劃點所受牽弓I場、規避場以及導引場場強；C3、疊加三個場強得到規劃速度。
3.如權利要求1或2所述無人飛機自主導航制導的方法，其特征在于所述步驟D包括D1、判斷規劃速度與無人飛機當前速度是否偏差過大，如是，則采用限制規劃速度方向 與無人飛機當前方位角的最大偏差角度來限制規劃航路的最小轉彎半徑，從而得到最終規 劃速度；如否，則步驟C中得到的規劃速度即為最終規劃速度；D2、用最終規劃速度與導航模塊調用周期的乘積與當前無人飛機位置疊加從而得到下 一時刻需要到達的航點位置信息。
全文摘要
本發明披露了一種應用于無人飛機的自主導航制導方法，包括基于速度矢量場的航路規劃方法和基于非線性導航邏輯制導律的航跡跟蹤制導方法。該航路規劃方法將無人飛機飛行區域視為速度場區域，在該區域內目標點產生牽引場，它對規劃點產生牽引速度；威脅區域產生規避場與導引場，它對規劃點產生規避速度與導引速度，在規劃合速度作用下，規劃點運動的軌跡即為待規劃的航路。該航跡跟蹤方法是根據給定航跡，結合無人飛機的當前位置、姿態信息及探測步長，給出非線性的導航邏輯制導指令，并通過加速度與滾轉角之間的轉化關系，將非線性的制導指令轉化為滾轉角指令，通過飛控系統實現航跡跟蹤。本發明實現簡單，實時性好，具有很強的實際應用前景。
文檔編號G05D1/02GK101807081SQ20101014099
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月7日 優先權日2010年4月7日
發明者李春濤, 胡木, 董芳 申請人:南京航空航天大學