[發明專利]飛行器平飛跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成方法

有效

• 申請號: 201811491434.0
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN109708639B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 張達;張紫龍;黃飛;周子鳴;鄔華明;張華君;劉青;黃曉龍;高虎;費廣磊;李盛
• 申請（專利權）人: 湖北航天飛行器研究所
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16;G01S19/47;G05D1/10
• 代理公司: 武漢智匯為專利代理事務所(普通合伙) 42235
• 代理人: 樊黎

本發明涉及飛行器平飛時跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成方法，使飛行器的飛行路徑逐漸趨向收斂到預先設定要經過的直線或圓弧路徑，控制飛行器與預先設定的直線路徑或/和圓弧路徑的垂直距離越來越短，同時控制飛行器的飛行方向收斂到直線方向或/和圓弧切線方向上。本發明的方法，容易控制，而不要求飛行器在特定的時間飛過某一個點，從而能夠很好的滿足小型飛行器在巡航平飛時易受風等外界環境干擾的前提下，有效跟隨預設路徑的要求，為小型飛行器巡航平飛時完成預設任務提供了技術支持，提高系統的可靠性和準確性。

技術領域

本發明屬于飛行器導航制導和控制的技術領域，具體涉及一種飛行器平飛時跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成方法。

背景技術

小型無人飛行器因體積小、造價成本低、地勤保障要求低，廣泛應用與軍事與民用領域，例如遠程監視、偵查和打擊等軍事領域，以及航拍、植保、快遞運輸、災難救援和測繪等民事領域，具有廣闊的軍用和民用前景。

隨著小型無人飛行器使用用途的不斷擴展，特別是無人飛行器自主化程度要求的不斷提高，設計先進的導航、制導和控制方法是飛行器自主飛行的前提。小型飛行器的起飛、空中巡航和降落等飛行任務中，主要的飛行時間集中在空中巡航飛行。然而由于小型飛行器體積小、重量輕、飛行速度慢的特點，當環境中存在風干擾時，風的速度可能與飛行速度在同一量級，要使小型飛行器在風中靈活地按照預定航線飛行，傳統的機器人控制領域中的軌跡跟蹤方法很難應用，因為傳統的軌跡跟蹤算法中要求在確定的時間到達確定的地點，而這在由于環境風速未知變化而導致小型飛行器實際飛行速度極易變化的情況下難以精確實現。

小型飛行器在巡航平飛航線管理過程中，需要使飛行器經過設定的飛行路徑點，這些一系列的路徑點(位置和方向)連接在一起通常可以分解為一系列的直線路徑和弧形路徑的組合。因此針對小型飛行器在風干擾下巡航飛行的特殊使用環境，如何使飛行器經過設定的路徑點，實現生成跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令方法是亟待研究解決的問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明改變傳統的軌跡跟蹤算法中要求在確定的時間到達確定的地點的做法，有效避免了由于環境風速未知變化而導致小型飛行器實際飛行速度容易變化的情況下難以精確實現的問題。

實現本發明目的所采用的技術方案具體如下：

飛行器平飛跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成方法，其特征在于使飛行器的飛行路徑逐漸趨向收斂到預先設定要經過的直線或圓弧路徑，控制飛行器與預先設定的直線路徑或/和圓弧路徑的垂直距離越來越短，同時控制飛行器的飛行方向收斂到直線方向或/和圓弧切線方向上。

進一步地，其具體步驟包括：

S1步驟、分別設計飛行器跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成算法；

S2步驟、設定飛行器的期望路徑，根據具體飛行任務要求設定期望路徑；

S3步驟、飛行器測量自身的飛行姿態、速度和地理位置，通過導航系統測量自身的飛行姿態、速度和地理位置三維坐標信息；

S4步驟、信息比對后實時生成期望指令航線角，將飛行器自身位置信息與期望路徑比對，按S1步驟設計的跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成算法，實時生成期望指令航線角(飛行速度與正北方向的夾角，圖1中的χ)，其中航線角為飛行器速度方向與正北方向的夾角；

S5步驟、導引飛行器到期望路徑，通過生成的期望指令航線角導引飛行器到期望路徑上，有效實現飛行器按期望路徑跟隨的目的。

更進一步地，所述S1步驟設計的跟蹤直線和圓弧路徑的側向制導指令生成算法具體為一種航向指令的連續平滑矢量場方法，并通過李雅普諾夫穩定性定理證明算法的穩定性。

優選地，所述S2步驟的導航系統包括慣性傳感器器件和衛星接收機。