一种基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法与流程

技术特征：

1.一种基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据地面目标的运动状态信息生成由直线捕获段和与其相切的圆弧搜索段构成的虚拟目标运动轨迹；

2)设计一种制导律完成无人机对虚拟目标的跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：步骤1)中所述运动状态信息包括地面目标的位置[x,y]^T、速度V_t、航向角ψ_t。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：步骤1)中所述的直线捕获段和圆弧搜索段分别定义如下：

1-1)直线捕获段定义为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_c=v_{c}cos\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)\\ {\stackrel{\·}{y}}_c=v_{c}sin\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)\end{array}\right.$

其中[x_d,y_d]^T为推测相遇点坐标，为虚拟目标点在横向与纵向的速度分量，v_c为虚拟目标点的速度；

且有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_d=x_t+v_{t}cos\left({\mathrm{\ψ}}_t\right)\frac{\sqrt{g_2^2-4g_1{g}_3}-g_2}{2g_1}\\ y_d=y_t+v_{t}sin\left({\mathrm{\ψ}}_t\right)\frac{\sqrt{g_2^2-4g_1{g}_3}-g_2}{2g_1}\end{array}\right.$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{g}_1=v_c^2-v_t^2\\ g_2=-\[2(x_t-x_c)v_{t}cos\left({\mathrm{\ψ}}_t\right)+2(y_t-y_c)v_{t}sin\left({\mathrm{\ψ}}_t\right)\]\\ g_3=-\[{(x_t-x_c)}^2+{(y_t-y_c)}^2\]\end{array}\right.$

[x_c,y_c]^T、V_c、ψ_c，[x_t,y_t]^T、V_t、ψ_t分别为虚拟目标和地面目标的位置、速度和航向角；

v_t为实际目标的速度；

1-2)圆弧搜索段定义为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_c=s_1\·\frac{v_c(y_c-y_o)}{R}\\ {\stackrel{\·}{y}}_c=-s_1\·\frac{v_c(x_c-x_o)}{R}\end{array}\right.$

其中，s₁为符号函数，用于确定圆轨迹的顺时针或逆时针方向，其定义为：

$s_1=\left\{\begin{array}{cc}1& (x_o-x_p)\·tan\left({\mathrm{\ψ}}_{cp}\right)\≥0\\ -1& (x_o-x_p)\·tan\left({\mathrm{\ψ}}_{cp}\right)\<0\end{array}\right.$

其中，ψ_cp为与圆弧段相切的上一直线段的方位角，[x_p,y_p]^T为切点，[x_o,y_o]^T为圆心坐标，R为圆弧半径；且有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_o=x_p+s_2\·Rsin\left({\mathrm{\ψ}}_{cp}\right)\\ y_o=y_p-s_2\·Rcos\left({\mathrm{\ψ}}_{cp}\right)\end{array}\right.$

s₂为符号函数，其定义为：

其中，为从上一段直线段起始点[x_cp,y_cp]^T到[x_t,y_t]^T的矢量，为点[x_cp,y_cp]^T到切点[x_p,y_p]^T的矢量。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：设计所述直线捕获段到圆弧搜索段的切换算法，切换条件设定为以下两个条件同时成立：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{ct}\>0\\ {\mathrm{\ρ}}_{ct}\>{\mathrm{\ρ}}_d\end{array}\right.$

ρ_ct和分别为虚拟点与地面目标间的相对距离和距离变化率，且

${\mathrm{\ρ}}_d=c_1\·(\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\η}}_{ct})\frac{V_t}{V_u}R$

${\mathrm{\η}}_{ct}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\mathrm{\σ}}_{ct}-{\mathrm{\ψ}}_c)$

${\mathrm{\σ}}_{ct}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-atan\left(\frac{y_t-y_c}{x_t-x_c}\right)$

其中c₁≥0，为可调参数；R为圆弧半径，σ_ct为虚拟目标点与地面目标的视线角，[x_c,y_c]^T、ψ_c为虚拟目标的位置和航向角，[x_t,y_t]^T、V_t分别为地面目标的位置和速度。

5.根据权利要求3所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：设计所述圆弧搜索段到直线捕获段的切换算法，切换条件设定为以下两个条件同时成立：

其中，为从当前圆弧圆心[x_o,y_o]^T到当前虚拟目标点[x_c,y_c]^T的矢量，为当前虚拟目标点到预测相遇点[x_d,y_d]^T的矢量。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：制导律设计为：

u(t)＝-k₁·(ψ_u(t)-σ(t)-k₂·a tan(ψ_u(t)-σ(t)))

其中u(t)为制导输入信号，σ(t)为视线角，k₁、k₂为可调参数；ψ_u(t)为无人机航向角。

7.根据权利要求2-4任一所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：所述航向角满足ψ_t∈[-π,π)。

8.根据权利要求3或4所述的基于虚拟目标的固定翼无人机跟踪地面目标制导方法，其特征在于：所述圆弧半径R规定为无人机最小转弯半径R_min，取值为：

$R_{\min }=\frac{V_u^2}{gtan\left({\mathrm{\φ}}_{max}\right)}$

其中为无人机允许的最大横滚角，g为重力加速度，V_u为无人机速度。