無人機(jī)跟蹤-規(guī)避空中目標(biāo)實時運(yùn)動導(dǎo)引方法研究.pdf

1、實現(xiàn)機(jī)載自主控制是無人機(jī)系統(tǒng)的一個重要發(fā)展趨勢，要求無人機(jī)具備自主目標(biāo)感知、跟蹤和規(guī)避等能力，以確保其飛行安全和任務(wù)完成。無人機(jī)跟蹤、規(guī)避空中目標(biāo)對機(jī)載導(dǎo)引控制系統(tǒng)有著共同的技術(shù)需求，都需要使用機(jī)載傳感器對目標(biāo)進(jìn)行測量和狀態(tài)估計，并對無人機(jī)進(jìn)行運(yùn)動導(dǎo)引控制?；诖耍疚膶o人機(jī)跟蹤/規(guī)避空中目標(biāo)兩類任務(wù)過程融入相同的問題求解框架，針對其中目標(biāo)狀態(tài)估計與實時運(yùn)動導(dǎo)引兩個關(guān)鍵問題開展研究，主要研究工作和創(chuàng)新點如下：
　　1．基于導(dǎo)引律

2、方式建立了無人機(jī)目標(biāo)跟蹤/規(guī)避問題求解框架
　　無人機(jī)自主跟蹤和規(guī)避空中目標(biāo)可分別認(rèn)為是“感知與跟蹤”和“感知與規(guī)避”過程。首先分析兩類任務(wù)對機(jī)載導(dǎo)引控制系統(tǒng)共同的技術(shù)需求，之后對兩大過程中無人機(jī)運(yùn)動學(xué)、機(jī)載傳感器觀測、空中目標(biāo)運(yùn)動學(xué)和無人機(jī)安全區(qū)域進(jìn)行了建模。接著，針對兩類任務(wù)時敏性強(qiáng)，無人機(jī)和目標(biāo)高機(jī)動的特點，選擇了基于導(dǎo)引律方式的無人機(jī)精細(xì)時間運(yùn)動導(dǎo)引，構(gòu)建了無人機(jī)跟蹤/規(guī)避問題求解框架，該框架下無人機(jī)無需對空中飛行器目標(biāo)未

3、來軌跡進(jìn)行預(yù)測，只需對目標(biāo)當(dāng)前時刻狀態(tài)進(jìn)行估計，實時設(shè)計導(dǎo)引律，符合時敏性響應(yīng)要求。
　　2．基于粒子濾波算法設(shè)計了一種能夠考慮無人機(jī)自身狀態(tài)不確定性的目標(biāo)狀態(tài)估計算法（D-PF）
　　精確的目標(biāo)狀態(tài)估計是無人機(jī)目標(biāo)跟蹤和碰撞規(guī)避的共同前提。針對集成空域中目標(biāo)的飛行特性，基于“當(dāng)前”統(tǒng)計模型思想對協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎模型中的轉(zhuǎn)彎角速率進(jìn)行改進(jìn)，與傳統(tǒng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎模型相比，改進(jìn)模型能夠更好的利用后驗信息對飛行器的運(yùn)動進(jìn)行描述。接著在水平面上使

4、用改進(jìn)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎模型，垂直方向上使用 Singer模型對目標(biāo)運(yùn)動學(xué)進(jìn)行建模。針對機(jī)載傳感器測量值為目標(biāo)對無人機(jī)的相對向量，而無人機(jī)自身狀態(tài)的不確定性對目標(biāo)狀態(tài)估計精度存在影響這一問題，從基于序貫重要性采樣（Sequential Importance Sampling，SIS）方法的粒子濾波基本原理出發(fā)，將無人機(jī)狀態(tài)后驗概率密度函數(shù)融入粒子權(quán)重更新方程中，設(shè)計了能夠考慮無人機(jī)自身狀態(tài)不確定性的目標(biāo)狀態(tài)估計算法（Double Particl

5、e Filter, D-PF），該方法能夠顯著提高目標(biāo)狀態(tài)估計的精度。最后開展了對比數(shù)字仿真實驗，驗證了所提算法的有效性。
　　3．基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計了無人機(jī)碰撞規(guī)避和機(jī)動目標(biāo)跟蹤導(dǎo)引律
　　針對二維平面無人機(jī)碰撞規(guī)避問題，分析了幾何特性，確定了虛擬目標(biāo)點和碰撞規(guī)避向量，根據(jù)平行導(dǎo)引法的基本原理，將無人機(jī)到達(dá)虛擬目標(biāo)點問題轉(zhuǎn)化為實現(xiàn)平行導(dǎo)引的控制問題，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計了無人機(jī)碰撞規(guī)避導(dǎo)引律，

6、較比例導(dǎo)引，該導(dǎo)引律能更快地使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，且能夠繼承比例導(dǎo)引內(nèi)在的魯棒性和簡潔性。針對三維空間無人機(jī)碰撞規(guī)避問題，使用解析幾何方法分析得到無人機(jī)最小機(jī)動的碰撞規(guī)避向量，分別對無人機(jī)水平方向機(jī)動和垂直方向機(jī)動設(shè)計了導(dǎo)引律。其次針對無人機(jī)機(jī)動目標(biāo)跟蹤問題，將無人機(jī)運(yùn)動分解到沿視線方向和垂直視線方向，根據(jù)交會過程的要求設(shè)計了空中機(jī)動目標(biāo)跟蹤導(dǎo)引律，該導(dǎo)引律能使無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)點的同時，速度與目標(biāo)保持一致。最后開展了數(shù)字仿真實驗，驗證了導(dǎo)引律的

7、有效性。
　　4．基于機(jī)器人操作系統(tǒng)，在Gazebo仿真平臺上開展導(dǎo)引律仿真實驗
　　基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），在Gazebo仿真平臺上開展仿真實驗，該平臺能夠較Matlab更加真實的對導(dǎo)引律進(jìn)行仿真驗證。仿真實驗中，構(gòu)建了兩架四旋翼平臺模擬空中目標(biāo)和無人機(jī)，針對無人機(jī)碰撞規(guī)避導(dǎo)引律，設(shè)置了正面遭遇水平方向規(guī)避，斜90°遭遇水平方向和垂直方向規(guī)避三種場景，針對無人機(jī)目標(biāo)跟蹤導(dǎo)引律，設(shè)置了對協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動目標(biāo)跟蹤實驗，最后，