一种小型固定翼无人机制导计算机及制导方法与流程

本发明公开了一种小型固定翼无人机制导计算机及制导方法，属于无人机飞行控制技术领域。

背景技术：

无人机技术在过去几十年里取得了迅速发展，在军用和民用领域有着十分广泛的应用前景。在这些应用里，跟踪地面目标是其最基本却具有挑战的任务。同时无人机的运动控制已经成为目标跟踪系统的关键部分。通常跟踪模式可以分为两类：过顶跟踪和定距跟踪。过顶跟踪是一种无人机用于周期性地飞越目标的跟踪模式，该跟踪模式可以密切跟踪快速运动的地面目标，然而存在被暴露的风险。定距跟踪是一种无人机与地面目标保持一定距离的跟踪模式，定距跟踪的优势在于无人机可以跟踪地面目标而不被它发现，但是该跟踪方法因为最小转弯半径的约束而只适用于低速目标的跟踪。在以往的制导方法设计中，一般将这两种跟踪模式的制导方法设计独立开来并分别分析其稳定性。若将过顶跟踪与定距跟踪相结合，设计统一形式的制导方法，即综合了两种跟踪模式的优势并克服两者缺点，具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术中过顶跟踪和定距跟踪存在的不足并综合两者的优势，本发明提供了一种小型固定翼无人机制导计算机及制导方法，在frenet-serret(弗莱纳)框架下建立无人机和地面目标的二维运动学模型，分别分析在过顶跟踪和定距跟踪模式下的矢量变化和位置关系，设计统一形式的制导方法，同时其满足两者跟踪模式的最小转弯半径等约束，分析两种跟踪模式可在跟踪静止和运动目标的稳定性，结合半物理仿真结果表明无人机可以在两种跟踪模式下切换跟踪地面目标。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种小型固定翼无人机制导计算机，包括电源板和控制信号处理板，所述电源板包括电源变换电路模块和模拟参考电压模块，所述控制信号处理板包括io驱动模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块和cpu模块；电源变换电路模块输出数字电源给控制信号处理板的各模块供电，模拟信号调理模块和数字信号调理模块分别通过io驱动模块与cpu模块进行信息交互。

该方法兼容过顶跟踪和定距跟踪两种跟踪模式，包括以下步骤：

(1)当跟踪目标为合作对象时，通过无人机及地面目标间的通讯链路得到无人机及地面目标的位置及航向信息；当跟踪目标为非合作对象时，通过目标指示系统获取无人机及地面目标的位置及航向信息；

(2)根据无人机与地面目标在二维frenet-serret框架下的位置和运动状态，定义各状态量的取值范围和方向，建立无人机与跟踪目标的二维运动学模型；

(3)在建立的二维运动学模型中，根据一项变量值来确定无人机跟踪地面目标的跟踪模式，分别对两种跟踪模式下的变量关系进行分析；

(4)设计两种跟踪模式下统一形式的制导方法，并分析其稳定性。

步骤(1)中所述无人机及地面目标的位置及航向信息包括无人机的位置[xu,yu]^t和无人机航向角ψu、地面目标的位置[xt,yt]^t和地面目标航向角ψt。

步骤(2)中所述无人机与地面目标在二维frenet-serret框架下的的位置和运动状态，无人机定距跟踪地面目标的二维运动学模型表述为：

其中r为无人机与地面目标间的相对距离，vu和vt分别为无人机和地面目标的速度，为无人机航向角速度，为定距跟踪下预设圆切线与视线的夹角的变化率，为无人机与地面目标间的相对距离变化率；χ为当前无人机航向与期望航向间的夹角，χ∈(-π,π]且逆时针为正，即为无人机期望航向角；为χ角变化率；当无人机处于定距跟踪模式且位于预设跟踪圆以外时，σd为预设圆切线与视线的夹角，存在σd且rd为定距跟踪下无人机盘旋的期望距离，无人机在预设圆内时给定σm为期望航向与预设圆切线方向之间的夹角。

步骤(2)中所述无人机与地面目标在二维frenet-serret框架下的的位置和运动状态，无人机过顶跟踪地面目标的二维运动学模型表述为：

步骤(3)中所述决定无人机跟踪地面目标的跟踪模式的一项变量值为rd，即无人机定距盘旋跟踪地面目标的期望距离,当rd≠0时则跟踪模式为定距跟踪；当rd＝0时，则无人机跟踪模式为过顶跟踪。

步骤(4)中所述对两种跟踪模式设计统一形式的制导方法，提出如下的无人机跟踪地面目标制导方法：

其中制导增益为k1＞0且k2＜1，在单位时间δt内，d1为无人机在期望航向运动的距离；d2为地面目标运动的距离；过顶跟踪时为视线角σ，dr为无人机与地面目标间的相对距离r；定距跟踪时为视线角σ和σd之和，为对时间的导数，即角速度；sign为符号函数。

步骤(4)中对设计的制导方法进行稳定性分析，通过选取李雅普诺夫函数为：则对李雅普诺夫函数求导可得其中k2为制导方法的制导增益，χ为当前无人机航向与期望航向间的夹角，为χ对时间t的导数。

本发明具有以下有益效果：

(1)避免了以往对两种跟踪模式分别独立开展设计的不足，提高了无人机制导方法的设计效率，使得制导方法具有统一的形式。

(2)无人机在跟踪地面变速运动目标时自身速度始终保持不变。

(3)克服了定距跟踪对地面目标运动速度的限制，被跟踪目标的速度可以从静止到无人机最大巡航速度。

(4)既可以根据地面运动速度的改变自动切换无人机的跟踪模式，也可以根据遥控指令人为控制其跟踪模式，提高了跟踪效率且确保了无人机切换跟踪模式时的安全性。

附图说明

图1是本发明半物理仿真系统硬件架构框图。

图2是本发明制导计算机控制信号处理板组成图。

图3为本发明中定距跟踪运动目标示意图。

图4是本发明中过顶跟踪运动目标示意图。

图5是本发明无人机两种模式跟踪固定目标轨迹示意图。

图6是本发明无人机两种模式跟踪固定目标相对距离示意图。

图7是本发明无人机两种模式跟踪匀速运动目标轨迹示意图。

图8是本发明无人机两种模式跟踪匀速运动目标相对距离示意图。

图9是本发明levy运动目标的移动速度剖面示意图。

图10是本发明无人机两种模式跟踪levy(列维)运动目标轨迹示意图。

图11是本发明无人机两种模式跟踪levy(列维)运动目标相对距离示意图。

图12为本发明所设计的制导方法在半物理仿真系统下无人机跟踪地面目标的航迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

1、制导计算机设计

制导计算机是制导系统的核心，整个系统由两块板上下组成，分别是电源板和控制信号处理板。整个系统由两块板上下组成，分别是电源板和控制信号处理板。电源板包含电源变换电路模块、模拟参考电压模块。控制信号处理板包含io驱动模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块和cpu模块。可靠性高且功耗小。

a.本发明所用的制导计算机dc/dc(直流-直流)变换所使用的模块为lt3972，将27v输入电压转变为+5v输出，提供数字电路工作；将27v输入电压转变为5.5v输出，提供舵机电源；将27v输入电压转变为5v输出，提供模拟电源。lt3972最大输出电流为3a，工作温度-45～+85℃。

b.控制信号处理板包含模拟信号输入输出、串口、io输入输出、pwm(脉冲宽度调制)输入输出和cpu模块。其模块组成如图2所示。cpu采用mpc565，对输入输出的信息进行处理、运算、控制等。包括8路14bitda输出，8路16bitad输入，8路带隔离pwm输入和8路pwm输出。mr25h10是everspin公司工业级的串行nvram(非易失性随机访问存储器),容量为1mb,以40mhz的时钟速度高速运行，没有写延迟。mr25h10允许无限次擦除。低电压保护电路可在掉电时自动保护数据，防止在规定电压范围以外时写入数据。模拟信号采样选用ad7689芯片，ad7689是8通道、16位、电荷再分配逐次逼近寄存器(sar)型模数转换器(adc)，采用单电源vdd供电，ad7689拥有多通道、低功耗数据采集系统所需的所有组成部分，包括：无失码的真16位saradc；用于将输入配置为单端输入、差分输入或双极性输入的8通道(ad7689)低串扰多路复用器；内部低漂移基准源和缓冲器；温度传感器；可选择的单极点滤波器；以及当多通道依次连续采样时非常有用的序列器。

制导计算机的引导程序有2种工作模式：程序装载模式、程序运行模式。当超级终端主机db9接头中的8脚和4脚连接时，即运行程序装载模式，否则就运行程序运行模式。在运行程序装载模式时,首先将本发明可执行程序通过xmodem(串口通信中异步文件传输)协议下载到主板的sram(静态随机存取存储器)中，同时保存到主板上的flash中，开始执行用户应用程序。在运行用户程序运行模式时，引导程序把可执行程序从flash(闪存)中读取到主板的sram(静态随机存取存储器)中，并开始执行用户程序。操作步骤：把用于用户程序装载的串口接头插在j1上；编写可执行二进制文件程序；打开windows的超级终端，定义超级终端的属性有每秒位数115200，数据位为8，奇偶校验无且停止位为1；上电后出现菜单menu,按x键选择xmodem；在超级终端上不断出现“§”符号，则主板在请求超级终端发送用户可执行程序；点击超级终端上的菜单：传送->发送文件。选择使用xmodem协议，然后点击“浏览”选择程序可执行文件，点击发送；按r键直接执行程序。

2、制导方法数学模型构建

无人机控制系统通常由稳定回路和制导回路组成。在本发明中，认为稳定回路已经设计完成并且可以很好的响应制导回路的制导指令。在理想情况下，认为执行跟踪任务的无人机保持在一个固定的高度，因此通常可以被简化为二维制导问题，并且在本发明中认为无人机和地面目标的位置、速度和航向信息是已知的。上述信息在跟踪目标为合作对象时可以通过两者间的通讯链路得到，非合作对象时可通过卫星等侦查手段获得。记[xu,yu]^t表示无人机位置，[xt,yt]^t表示地面目标的位置；vu为无人机的巡航速度，vt为地面目标的速度；ψu表示无人机航向角且ψu∈(-π,π]，ψt表示地面目标航向角且ψt∈(-π,π]，其相互关系如图3所示。

在图3中，r为无人机与地面目标的相对距离，r≥0且有上界。本发明所设计的系统动力学模型可以由(1)式描述：

其中，为无人机在x轴方向的位置变化率；为无人机在y轴方向的位置的变化率；为无人机航向角速率；vu为无人机的巡航速度；u为无人机制导输入。

为了分析无人机与目标之间的相对运动关系，由图3可以看出无人机与地面目标点之间的相对距离为其中本发明中方向角度的定义均以x轴向为参考，以逆时针为正且范围为(-π,π]。

无人机跟踪地面目标的二维运动学模型可以写成如下形式：

其中χ为当前无人机航向角ψu与期望航向角的差值，即为差值变化率；为距离变化率。由图3可知，当无人机处于定距跟踪模式且位于预设跟踪圆以外时，存在σd且asin(x)是反正弦函数；其中为σd定距跟踪下预设圆切线与视线的夹角；rd为定距跟踪下无人机盘旋的期望距离。若无人机在预设圆内时给定为σd的变化率。σm为d1与dr之间的夹角，则vu与连线r方向之间的夹角为χ+σm-σd。

由图4可知，当无人机进入过顶跟踪模式时，点ps是目标经过δt后的无人机与目标交汇的位置，d1、d2和r分别对应的单位向量为和σm为r与d1之间的夹角，则vu与连线r方向之间的夹角为χ+σm。根据无人机与地面目标的航向及位置关系，分析其变量关系，过顶跟踪模式下无人机跟踪地面目标的二维运动学模型可以写成如下形式：

比较式(2)、式(3)可知，当过顶跟踪时，即dr与r重合，rd＝0，则式(2)中的σd＝0，则式(2)的表达式可以描述为式(3)，因此式(2)可以作为无人机定距跟踪和过顶跟踪地面目标统一的二维运动学模型。

3、模型中矢量关系分析

无人机飞行可以采取可以顺时针或逆时针两种方式。为了便于分析，本发明定义定距跟踪和过顶跟踪仅采取顺时针飞行，逆时针可以采用相同的方法加以分析。

假设地面目标运动方向在采样时间δt内不变，即分析图3中的无人机与目标的运动关系可知：所以从图3得所以同时，则所以

因此所以其中σ定义为视线角，为定距跟踪下，预设圆切线角；为无人机期望航向角。为σm的补角，为补角的变化率；为预设圆切线角变化率；为无人机期望角变化率；σ1为d1与d2组成的夹角，其为此夹角变化率。

分析图3由单位矢量和间的关系，其中和分别是无人机期望航向、目标运动和无人机与预设圆切线方向上的单位速度矢量。可知对其移向平方得则将该式展开得：

上式两边同时除以d1²，则解方程得对该式求微分得：

由矢量关系可得其中为期望航向切向量对t的导数；为当前航向切向量对t的导数；为期望速度的法向量；为期望航向角对t的导数。将式(5)代入该式可得：因为和即其中为垂直于的法向向量，为垂直于的法向向量。对该式两边取模平方可得进一步可以得到：对该式移向开方有根据上式(4)也可以得到将cosσ1的表达式代入的表达式有

即有：

选取李雅普诺夫函数为：k2为制导增益，则

令即设定k2＜1，则因此与极性一致，本发明下文只需要对展开分析就可获得的符号特征。

令y(χ)＝χ-k2·atanχ，则因此y(χ)在定义域内单调递增，并且当χ＝0时，y(0)＝χ-k2·atanχ|χ＝0＝0。因此，χ与χ-k2·atanχ的极性一致。

4、制导方法设计

据上述第3节中的分析的结论所得，本发明提出如下(7)基于相对距离/视线角速率的过顶和定距跟踪地面目标的制导方法：

其中制导方法中变量的表达式归纳如下

式(7)中σ定义为视线角，χ为当前无人机航向角ψu与期望航向角的差值，ψt表示地面目标航向角。vu为无人机的巡航速度，vt为地面目标的速度。d1、d2分别为无人机、相切点pt与点ps在单位时间δt内运动的距离，dr为无人机与相切点pt在单位时间δt内运动的距离。σm为d1与dr之间的夹角。k1和k2为制导方法的制导增益。

如图3所示，σd为定距跟踪下预设圆切线与视线的夹角。在过顶跟踪时则无该方向角度，此角度的定义于下式(9)给出。σ2是dr与d2之间的夹角，表达式如上式(8)所示。d2为在采样时间内目标运动的距离，采样时间内d2＝vt。

对方向角σd归纳如下：

过顶跟踪：σd＝0

定距跟踪：

为了统一两种制导方法形式，制导方法中定义方向角如图4所示，在过顶跟踪时该方向角即为视线角，如图3所示在定距跟踪时是视线角σ和σd之和，对归纳如下：

过顶跟踪：

定距跟踪：

4.1静止目标下运动学分析

目标为静止状态时可认为是上述运动情形下的特殊情况，即目标点固定，不能形成如图3、4中矢量的三角形关系，因此当表达式(2)中的vt＝0时，有d2＝0，d1与dr重合，σm＝0。式(7)所示的制导方法可以简化为：

同时可以得到无人机与地面目标的相对关系，分析其变量关系，二维运动学模型(2)可以简化为：

由式(12)第一项可得，分为三种情况分析：

(ⅰ)r≥rd

根据式(11)，此时再分为两种情况：

a.χ≥0即χ-k2·atanχ≥0

可知则

当

当同样有

b.χ＜0即χ-k2·atanχ＜0

可知则

当

当

(ⅱ)r＜rd且

根据式(11)，可知根据式(9)，可知则式(13)重新写为：

则

(ⅲ)r＜rd且

则

因为所以χ∈[0,π]。则

a.

因为cosχ＞0，χ-k2·atanχ≥0,k1＞0，则

b.

由式(12)可知，则又因为cosχ≤0，则因此

综上所述当无人机定距跟踪静止目标时即

当无人机过顶跟踪静止目标时，由式(9)可知σd＝0。当情况(i)r≥rd或情况(iii)(r＜rd且)时，其证明过程与定距跟踪类似，同理可得当情况(ii)，即r＜rd且时，式(13)可以重写为:

由则即

综上所述当无人机过顶跟踪静止目标时同样可证明

以下再分析的几种情况：

当r≥rd时，当且仅当χ＝0时当定距跟踪时，(0,rd)为系统唯一平衡点。过顶跟踪时χ＝0显然不可能一直维持；当r＜rd且时，由于r＜rd不可能一直维持，因此也不可能维持；当r＜rd且时，当且仅当χ＝0时无人机过顶跟踪目标时，χ＝0有因此同样无法一直维持无人机定距跟踪目标，χ＝0有所以χ＝0无法维持，则同样无法一直维持综上可得无人机跟踪静止目标时在两种跟踪模式下均是稳定的。

4.2运动目标下运动学分析

(ⅰ)r≥rd

根据式(7)知

a.χ≥0即χ-k2·atanχ≥0

由式(6)得，则

b.χ＜0即χ-k2·atanχ＜0

由式(6)得，则

(ⅱ)r＜rd且

根据式(4)，由于r＜rd，根据式(9)可知因此同时将代入式(2)可得：

(ⅲ)r＜rd且

根据式(11)，

a.χ≥0即χ-k2·atanχ≥0

由式(6)得

则那么

b.χ＜0即χ-k2·atanχ＜0

由式(6)得

则那么

当无人机过顶跟踪目标时，则σd＝0。当r≥rd或(r＜rd且)，该证明与上述证明过程类似，同样可得当r＜rd且由于过顶跟踪时σd＝0，二维运动学模型可以写为:

根据式(4)，则

所以无人机定距跟踪运动的目标时，

当无人机跟踪运动目标时,式(2)所示闭环系统系统是非自治系统。与跟踪静止目标的情况类似，考虑到有界，关于t是一致连续的，因此无人机跟踪运动目标时在两种跟踪模式下均是稳定的。

5、制导方法验证

为了验证本发明提出的制导方法设计方法的有效性，在本节中首先通过matlab工具创建simulink仿真环境，编写本发明制导方法的s函数，对静止、匀速直线运动以及做变速levy轨迹运动的地面目标分别进行仿真验证并进行制导增益的改进。最后针对某型无人机六自由度数学模型进行实时仿真飞行验证。

在仿真开始时，地面目标和无人机初始点的位置和航向及其他参数分别设置为：

λ地面目标位置(0,0)，航向30°

λ无人机位置(0，-2000)，航向30°

λ无人机巡航速度：40m/s

λ无人机最大横滚角：30°

λ地面目标速度范围：0--30m/s

制导方法参数分别设置为k1＝1.0，k2＝0.2。

5.1跟踪静止地面目标

图5为无人机过顶和定距跟踪地面静止目标轨迹。从图5可见，前半部分为过顶跟踪，后半部分是定距跟踪。图6为无人机跟踪目标的相对距离，反映出切换过程流畅且稳定性良好。

5.2跟踪匀速直线运动地面目标

图7和图8可见，仿真前1700s目标为匀速直线运动，无人机切换两种跟踪模式对其进行跟踪。后阶段目标静止无人机作过顶跟踪。仿真结果显示无人机无论是定距跟踪或过顶跟踪直线运动的地面目标，均表现出很好的跟踪性能。

5.3跟踪levy运动目标

当模拟地面目标比较复杂的运动状态时，可以采用levy运动模型，并且地面目标的速度也在较大范围内变化。图9、图10分别给出了地面目标运动的速度剖面和跟踪轨迹。

跟踪levy运动目标的过程分为根据速度自动跟踪和根据指令跟踪。图11为无人机两种模式跟踪levy运动目标相对距离。仿真前3000s是无人机根据跟踪的地面目标的速度来切换跟踪模式，当地面运动目标的速度小于无人机速度的1/3，则采用定距跟踪模式，反之采用过顶跟踪模式；仿真后3000s里无人机接收指令来进行跟踪，前1500s无人机接收到过顶跟踪指令，最后的1500s接收定距跟踪指令。

从图10和图11可见，无人机可以成功的对复杂levy运动地面目标进行跟踪。即便是跟踪复杂运动状态的目标，采用本文所设计的制导方法，不论是根据地面目标的速度变化还是根据指令来切换跟踪制导方法模式，都可以成功的对目标进行实时跟踪，并且在切换的过度过程中变现出了很好的稳定性。

6、半物理仿真验证

当前无人机的控制仿真主要有半物理仿真和全数字仿真。半物理仿真同数字仿真相比，将系统中的部分实物引入仿真回路，较真实的模拟了现场情况，对于所设计的制导方法具有实际的应用意义。

根据仿真验证的要求，搭建图1所示的半物理仿真硬件平台，平台主要有：制导计算机、无人机数据链仿真系统和仿真计算机。其中以制导计算机为系统的中心，仿真计算机能够与制导计算机进行信息交互。完成遥控指令的发送和遥测接收及能够在航迹显示软件中显式出基于本发明制导方法的跟踪目标的飞行轨迹。

6.1硬件设备：

λ制导计算机

λ仿真计算机

λ测试线缆

λmoxa串口卡

λpc机

6.2数字链路仿真系统：

λ遥控软件

λ测控软件

λ航迹显示软件

(1)制导计算机是整个仿真系统的核心，整个系统板卡由两块板上下组成，分别是电源板和控制信号处理板。电源板包含电源变换电路模块、模拟参考电压模块。控制信号处理板包含io驱动模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块和cpu模块。可靠性高且功耗小。本发明制导计算机下载的程序不仅仅是制导信息，同样包涵了内回路控制信息。

(2)无人机数据链仿真系统包括了遥控遥测仿真计算机和航迹显示计算机。两台计算机(pc)通过udp协议进行通讯，由路由器将两台计算机连接起来。遥控遥测计算机通过串口与制导计算机连接并且进行信息的交换。

(3)仿真计算机是本系统的重要组成部分，采用的是研华ipc610工控机。实时计算无人机飞行特性数学模型，将数字仿真建立的模型移植后进行下载，对飞机的整个跟踪过程进行仿真计算并模拟实际的无人机飞行。解算出飞行的航迹、姿态等信息通过串口发送到制导计算机。

6.3本发明半物理仿真流程如下：

(1)图1为本发明的仿真系统构成，所示的分别为航迹显示软件界面和遥控遥测软件界面以及制导计算机、仿真计算机。

(2)制导计算机的引导程序有2种工作模式：程序装载模式、程序运行模式。当超级终端主机db9接头中的8脚和4脚连接时，即运行程序装载模式，否则就运行程序运行模式。在运行程序装载模式时,首先将本发明可执行程序通过xmodem(串口通信中异步文件传输)协议下载到主板的sram(静态随机存取存储器)中，同时保存到主板上的flash(闪存)中，开始执行用户应用程序。在运行用户程序运行模式时，引导程序把可执行程序从flash(闪存)中读取到主板的sram(静态随机存取存储器)中，并开始执行用户程序。操作步骤：把用于用户程序装载的串口接头插在j1上；编写可执行二进制文件程序；打开windows的超级终端，定义超级终端的属性有每秒位数115200，数据位为8，奇偶校验无且停止位为1；上电后出现菜单menu,按x键选择xmodem；在超级终端上不断出现“§”符号，则主板在请求超级终端发送用户可执行程序；点击超级终端上的菜单：传送->发送文件。选择使用xmodem协议，然后点击“浏览”选择程序可执行文件，点击发送；按r键直接执行程序。

(3)设置好遥控遥测软件和航迹显示软件的udp主播地址和端口的配置文件。通过tcp/udp测试工具确保两台计算机直接能够正常进行通讯。仿真计算机进行物理仿真并将结果通过串口发送到制导计算机。再者制导计算机将数据通过串口发送到遥控遥测计算机。遥控遥测计算机将运行仿真后的数据通过udp协议发送给航迹显示计算机并在显示设备上显示无人机跟踪飞行航迹。同时将数据通过制导计算机发送给仿真计算机。

(4)图12为根据本发明所设计的制导方法在半物理仿真系统的无人机跟踪地面目标的航迹，可以看出无人机在跟踪地面复杂运动目标时表现出很好的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施模式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。