[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于無(wú)人飛機(jī)的自主導(dǎo)航制導(dǎo)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010140997.2
• 申請(qǐng)日: 2010-04-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101807081A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李春濤;胡木;董芳
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及無(wú)人飛機(jī)自主導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

無(wú)人飛機(jī)自主導(dǎo)航方法是指無(wú)人飛機(jī)在接收到執(zhí)行任務(wù)后，根據(jù)其當(dāng)前狀態(tài)以及環(huán)境信息，在線生成航路、跟隨航路，完成任務(wù)的能力。通常自主導(dǎo)航方法包括三大部分：導(dǎo)航模塊、制導(dǎo)模塊以及控制模塊。本發(fā)明主要針對(duì)無(wú)人飛機(jī)自主導(dǎo)航方法中的導(dǎo)航與制導(dǎo)方法。

導(dǎo)航方法是指無(wú)人飛機(jī)的航路規(guī)劃方法，是指在滿(mǎn)足無(wú)人飛機(jī)約束的條件下，尋找一條由起飛點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或令人滿(mǎn)意的飛行航線。現(xiàn)行的導(dǎo)航方法主要由地面規(guī)劃人員或者地面站根據(jù)無(wú)人飛機(jī)的飛行任務(wù)以及當(dāng)前已知威脅信息離線規(guī)劃出航路，但隨著無(wú)人飛機(jī)飛行任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，飛行環(huán)境的不確定性使得離線規(guī)劃不能完全滿(mǎn)足實(shí)際飛行要求，不能根據(jù)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境在線更改航路。

制導(dǎo)方法是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)不可或缺的一部分，它通過(guò)一定的制導(dǎo)律給出制導(dǎo)指令，使無(wú)人飛機(jī)能夠精確跟蹤在航路規(guī)劃中得到的航跡。現(xiàn)行的制導(dǎo)方法主要是通過(guò)計(jì)算側(cè)偏距和偏航角，給出控制律，實(shí)現(xiàn)跟蹤，但由于無(wú)人飛機(jī)在進(jìn)行地形跟蹤/地形回避/威脅回避飛行時(shí)，航跡通常比較曲折，會(huì)導(dǎo)致在計(jì)算側(cè)偏距和偏航角時(shí)較困難，因此，需要研究新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛機(jī)對(duì)復(fù)雜形狀航跡的跟蹤。

現(xiàn)在的自主導(dǎo)航制導(dǎo)方法主要有以下不足之處需要改進(jìn)：

1、航路規(guī)劃方法大部分為離線規(guī)劃方法，需要預(yù)定飛行任務(wù)，以及預(yù)知飛行環(huán)境信息。航路一旦裝訂到無(wú)人飛機(jī)，不易更改。當(dāng)在飛行過(guò)程中，當(dāng)飛行任務(wù)或者飛行環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，無(wú)人飛機(jī)很難及時(shí)更新航路，不利于無(wú)人飛機(jī)自主導(dǎo)航能力的提升。

2、當(dāng)前規(guī)劃方法雖然能夠給出最優(yōu)或者令人滿(mǎn)意的航路，但由于算法全局尋優(yōu)機(jī)制，使得算法計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，占用大量的硬件資源，不利于作為導(dǎo)航模塊嵌入到小型飛行控制系統(tǒng)中去。

3、常規(guī)中使用的航跡跟蹤方法大部分為基于側(cè)偏距和偏航角的控制方案，需要準(zhǔn)確計(jì)算側(cè)偏距和偏航角。當(dāng)無(wú)人飛機(jī)跟蹤復(fù)雜形狀航跡時(shí)，由于航跡的形狀復(fù)雜，存在側(cè)偏距和航向角不容易計(jì)算的情況，不利于側(cè)偏控制律的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要為了進(jìn)一步提高無(wú)人飛機(jī)自主導(dǎo)航能力，其主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：一是為了提高航路規(guī)劃算法的快速性與實(shí)時(shí)性，將速度矢量場(chǎng)法融入到無(wú)人飛機(jī)航路規(guī)劃中，使得無(wú)人飛機(jī)能夠根據(jù)當(dāng)前任務(wù)，狀態(tài)以及環(huán)境信息給出下一航點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃。二是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)規(guī)劃航路的跟蹤，設(shè)計(jì)非線性導(dǎo)航邏輯制導(dǎo)律，通過(guò)目標(biāo)點(diǎn)及無(wú)人飛機(jī)的當(dāng)前位置、速度信息及探測(cè)步長(zhǎng)，給出非線性的加速度指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)航跡的跟蹤。

其中基于速度矢量場(chǎng)的航路規(guī)劃方法將規(guī)劃空間視為場(chǎng)的作用區(qū)域，將目標(biāo)點(diǎn)、威脅區(qū)域看作速度場(chǎng)源，規(guī)劃質(zhì)點(diǎn)在矢量場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生合速度，導(dǎo)引規(guī)劃點(diǎn)繞過(guò)威脅區(qū)域，抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。該合速度即為無(wú)人飛機(jī)航路的規(guī)劃速度，而規(guī)劃點(diǎn)在合速度場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)軌跡正是待規(guī)劃的飛行航路。

在基于速度矢量場(chǎng)的航路規(guī)劃中，將目標(biāo)點(diǎn)看作牽引場(chǎng)源，牽引規(guī)劃點(diǎn)以一定牽引速度V_T向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。而威脅、障礙則被看作規(guī)避場(chǎng)源和導(dǎo)引場(chǎng)源，它不僅提供規(guī)避速度V_P推離規(guī)劃點(diǎn)遠(yuǎn)離威脅區(qū)域，也提供了垂直于V_P指向目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)引速度V_C，為飛機(jī)“指明”如何繞過(guò)威脅區(qū)域。三個(gè)矢量場(chǎng)作用在規(guī)劃點(diǎn)上，使得飛機(jī)產(chǎn)生合規(guī)劃速度，而對(duì)合速度的積分即為待規(guī)劃的路徑，更具體的講，其按照下列步驟進(jìn)行：

A、進(jìn)入自主導(dǎo)航模式；

B、接收無(wú)人飛機(jī)位置信息、狀態(tài)信息和環(huán)境信息；

C、根據(jù)接收到的位置信息、狀態(tài)信息和環(huán)境信息，并結(jié)合目標(biāo)信息，計(jì)算規(guī)劃點(diǎn)所受牽引場(chǎng)、規(guī)避場(chǎng)以及導(dǎo)引場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，疊加三個(gè)場(chǎng)強(qiáng)得到規(guī)劃速度；

D、用規(guī)劃速度與導(dǎo)航模塊調(diào)用周期的乘積與當(dāng)前無(wú)人飛機(jī)位置疊加即得到下一時(shí)刻需要到達(dá)的航點(diǎn)位置信息；

E、以上B-D步驟迭代進(jìn)行，直到無(wú)人飛機(jī)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；

F、退出自主導(dǎo)航模式；