[發(fā)明專利]一種小型固定翼無(wú)人機(jī)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)及制導(dǎo)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710253522.6
• 申請(qǐng)日: 2017-04-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106950980B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張民;夏衛(wèi)政;黃坤;陳欣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 曹蕓

本發(fā)明公開(kāi)了一種小型固定翼無(wú)人機(jī)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)及制導(dǎo)方法，屬于無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的制導(dǎo)計(jì)算機(jī)由電源板和控制信號(hào)處理板構(gòu)成：電源板包含電源變換電路模塊、模擬參考電壓模塊；控制信號(hào)處理板包含IO驅(qū)動(dòng)模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊和CPU模塊。本發(fā)明的制導(dǎo)方法可以兼容過(guò)頂跟蹤和定距跟蹤兩種跟蹤模式，過(guò)頂跟蹤和定距跟蹤制導(dǎo)方法采用統(tǒng)一的形式，僅通過(guò)發(fā)送某個(gè)變量值指令實(shí)現(xiàn)兩種跟蹤制導(dǎo)模式。本發(fā)明既可以根據(jù)地面運(yùn)動(dòng)速度的改變自動(dòng)切換無(wú)人機(jī)的跟蹤模式，也可以根據(jù)遙控指令人為控制其跟蹤模式，提高了跟蹤效率且確保了無(wú)人機(jī)切換跟蹤模式時(shí)的安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開(kāi)了一種小型固定翼無(wú)人機(jī)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)及制導(dǎo)方法，屬于無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無(wú)人機(jī)技術(shù)在過(guò)去幾十年里取得了迅速發(fā)展，在軍用和民用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用里，跟蹤地面目標(biāo)是其最基本卻具有挑戰(zhàn)的任務(wù)。同時(shí)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)成為目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。通常跟蹤模式可以分為兩類：過(guò)頂跟蹤和定距跟蹤。過(guò)頂跟蹤是一種無(wú)人機(jī)用于周期性地飛越目標(biāo)的跟蹤模式，該跟蹤模式可以密切跟蹤快速運(yùn)動(dòng)的地面目標(biāo)，然而存在被暴露的風(fēng)險(xiǎn)。定距跟蹤是一種無(wú)人機(jī)與地面目標(biāo)保持一定距離的跟蹤模式，定距跟蹤的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)人機(jī)可以跟蹤地面目標(biāo)而不被它發(fā)現(xiàn)，但是該跟蹤方法因?yàn)樽钚∞D(zhuǎn)彎半徑的約束而只適用于低速目標(biāo)的跟蹤。在以往的制導(dǎo)方法設(shè)計(jì)中，一般將這兩種跟蹤模式的制導(dǎo)方法設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)并分別分析其穩(wěn)定性。若將過(guò)頂跟蹤與定距跟蹤相結(jié)合，設(shè)計(jì)統(tǒng)一形式的制導(dǎo)方法，即綜合了兩種跟蹤模式的優(yōu)勢(shì)并克服兩者缺點(diǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中過(guò)頂跟蹤和定距跟蹤存在的不足并綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明提供了一種小型固定翼無(wú)人機(jī)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)及制導(dǎo)方法，在Frenet-Serret(弗萊納)框架下建立無(wú)人機(jī)和地面目標(biāo)的二維運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分別分析在過(guò)頂跟蹤和定距跟蹤模式下的矢量變化和位置關(guān)系，設(shè)計(jì)統(tǒng)一形式的制導(dǎo)方法，同時(shí)其滿足兩者跟蹤模式的最小轉(zhuǎn)彎半徑等約束，分析兩種跟蹤模式可在跟蹤靜止和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的穩(wěn)定性，結(jié)合半物理仿真結(jié)果表明無(wú)人機(jī)可以在兩種跟蹤模式下切換跟蹤地面目標(biāo)。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：

一種小型固定翼無(wú)人機(jī)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)，包括電源板和控制信號(hào)處理板，所述電源板包括電源變換電路模塊和模擬參考電壓模塊，所述控制信號(hào)處理板包括IO驅(qū)動(dòng)模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊和CPU模塊；電源變換電路模塊輸出數(shù)字電源給控制信號(hào)處理板的各模塊供電，模擬信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊分別通過(guò)IO驅(qū)動(dòng)模塊與CPU模塊進(jìn)行信息交互。

該方法兼容過(guò)頂跟蹤和定距跟蹤兩種跟蹤模式，包括以下步驟：

(1)當(dāng)跟蹤目標(biāo)為合作對(duì)象時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)及地面目標(biāo)間的通訊鏈路得到無(wú)人機(jī)及地面目標(biāo)的位置及航向信息；當(dāng)跟蹤目標(biāo)為非合作對(duì)象時(shí)，通過(guò)目標(biāo)指示系統(tǒng)獲取無(wú)人機(jī)及地面目標(biāo)的位置及航向信息；

(2)根據(jù)無(wú)人機(jī)與地面目標(biāo)在二維Frenet-Serret框架下的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，定義各狀態(tài)量的取值范圍和方向，建立無(wú)人機(jī)與跟蹤目標(biāo)的二維運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

(3)在建立的二維運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，根據(jù)一項(xiàng)變量值來(lái)確定無(wú)人機(jī)跟蹤地面目標(biāo)的跟蹤模式，分別對(duì)兩種跟蹤模式下的變量關(guān)系進(jìn)行分析；

(4)設(shè)計(jì)兩種跟蹤模式下統(tǒng)一形式的制導(dǎo)方法，并分析其穩(wěn)定性。

步驟(1)中所述無(wú)人機(jī)及地面目標(biāo)的位置及航向信息包括無(wú)人機(jī)的位置[x_u,y_u]^T和無(wú)人機(jī)航向角ψ_u、地面目標(biāo)的位置[x_t,y_t]^T和地面目標(biāo)航向角ψ_t。