[發明專利]一種基于曲率補償的橫側向曲線航跡跟蹤方法

有效

• 申請號: 201310059533.2
• 申請日: 2013-02-26
• 公開（公告）號: CN103149937A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 王宏倫;許敬剛;呂文濤;蓋文東
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明涉及一種飛行器航跡跟蹤控制方法，屬于航跡跟蹤控制技術領域，具體地說，是指一種基于曲率補償的橫側向曲線航跡跟蹤方法。

背景技術

無人機也稱無人航空器或遙控駕駛航空器，是一種由無線電遙控設備控制，或由預編程序操縱的非載人飛行器，擁有眾多有人駕駛飛機所不具有的優點，可執行各種作戰和訓練保障等任務，具有廣闊的軍事應用前景。

隨著無人機的應用領域不斷擴大，對無人機的飛行要求也越來越苛刻，對預定航跡進行準確、快速的跟蹤便是其中之一。無人機的航跡跟蹤控制，主要通過無人機的飛行控制系統來實現。這樣，如何通過調節無人機的飛行控制系統來使無人機能夠更好更快的跟蹤預定航跡，對無人機整體性能的提高以及航空事業的發展都有很重要的意義。

航跡規劃階段，所規劃航跡由一組離散航路點組成，相鄰點之間距離一個規劃步長。傳統的側偏距控制原理如圖1所示。

由航跡規劃算法所得航跡點相鄰點兩兩連線得到所規劃航跡（t1-t2-t3-t4），通過實時計算無人機當前位置與所規劃航跡之間最近距離得到無人機側偏距S，在橫側向控制回路的作用下，無人機逐漸向t₃航跡點靠近，無人機到達t₃航跡點后，切換跟蹤下一個航跡段t₃-t₄。

由于無人機跟蹤航跡為折線，在跟蹤過程中會存在較大的跟蹤誤差；尤其當航跡點較密時，會造成無人機無法跟蹤規劃航跡。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于曲率補償的橫側向曲線航跡跟蹤方法，通過引入拉格朗日多項式插值算法，對航跡規劃所得離散航跡點進行曲線擬合處理，得到曲線航跡，并引入曲線曲率作為補償量，加入橫側向航跡跟蹤控制器設計中，明顯改善了對參考航跡的跟蹤效果，提高了跟蹤精度。

本發明的一種基于曲率補償的橫側向曲線航跡跟蹤方法，具體包括如下步驟：

步驟一：通過航跡規劃模塊得到參考航跡的離散航路點數據。

步驟二：通過拉格朗日分段多項式插值方法，對步驟一所得離散航路點數據進行分段插值擬合處理，得到曲線航跡。

步驟三：計算無人機當前時刻側偏距，以及參考航跡上距飛機最近點坐標。

步驟四：通過曲率計算公式，計算步驟三所得參考航跡上距飛機最近點處曲率值。

步驟五：重復步驟二～步驟四，并將步驟三所得側偏距和步驟四所得曲率值作為無人機橫側向控制器的輸入量，完成整個曲線航跡跟蹤過程。

本發明的優點在于：

(1)本發明提供的方法通過對參考航跡進行曲線插值擬合處理，使跟蹤過程中航路點的過渡段更加平滑，跟蹤誤差減小。

(2)本發明提供的方法將曲率值作為補償量加入橫側向控制器中，而曲線曲率代表了曲線的彎曲程度以及彎曲方向，可以為橫側向控制器提供航跡方向走勢信息，從而更好地跟蹤航跡。

附圖說明

圖1是折線航跡側偏距控制原理圖；

圖2是本發明中航跡規劃模塊所得離散航路點；

圖3是本發明中離散航路點曲線擬合處理過程示意圖；

圖4是本發明中無人機航跡跟蹤控制器結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

本發明提出了一種基于曲率補償的橫側向曲線航跡跟蹤方法，首先通過航跡規劃模塊得到參考航跡的離散航路點數據，然后通過拉格朗日分段多項式插值方法，對離散航路點進行分段插值擬合處理，從而得到曲線航跡，實時計算無人機當前位置距離參考曲線航跡段的最近距離從而得到無人機側偏距，同時可以得到參考航跡上距飛機最近點處坐標，通過曲率計算公式可以得到該對應點處曲率值，將上述所得無人機側偏距和最近點處曲率作為無人機橫側向控制器的輸入量，完成曲線航跡跟蹤控制。

本發明的一種基于曲率補償的橫側向曲線航跡跟蹤方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：通過航跡規劃模塊得到參考航跡的離散航路點數據。

根據無人機起始點與目標點，通過航跡規劃模塊，得到無人機從起始點到達目標點的離散航路點數據，如圖2中P(1)，P(2)，……，P(n)所示航跡，P(1)為起始點，p(n)為目標點，n為航跡上航路點數量。

步驟二：通過拉格朗日分段多項式插值方法，對步驟一所得離散航路點數據進行分段插值擬合處理，得到曲線航跡。