固定翼无人机跟踪运动目标的路径规划方法

发布时间：2020-11-03 23:16

　　 随着无人机在军事和民用领域的应用走向深水区,对无人机自主完成地面运动目标的跟踪和监视任务有了更高的要求。同时无人机和直升机的协同作业也在蓬勃发展。在协同直升机作业过程中,无人机需要为直升机提供目标跟踪和持续的激光引导。现有的常规目标跟踪方法,可以较好的完成对地面目标的跟踪和监视任务。但是持续的激光照射任务,还鲜有报道。本文针对无人机跟踪、监视、并照射地面未知运动目标过程中的无人机路径规划相关问题,进行了分析和研究。围绕该问题,我们主要做了以下工作:第一,调研了国内外无人机对地面运动目标的跟踪和监视任务的应用背景、任务意义和研究现状,查阅了相关资料与文献,分析了现有方法和实际应用之间的差距,找到了本文的发力点;第二,针对现存方法无法保证照射角度的问题,不同于常规方法那样在目标正上方飞行,本文采用无人机在目标运动方向一侧盘旋的监控方式。这种监视方式的优点主要是约束了无人机相对于目标的方位角,从而可以对照射角的大小给出保证;第三,基于自适应控制思想,提出了一个圆形跟踪路径规划算法。该算法依靠无人机和目标之间的距离和方位角信息,时刻监控目标,以此规划满足监视范围需要的圆形跟踪路径。圆形跟踪路径规划算法因为其不需要绝对的位置信息,而摆脱了对GPS的依靠,更贴近工程实际。如果目标的运动不会使无人机和目标之间的估计距离超出要求的范围,圆形跟踪路径规划算法并不会产生新的圆形路径。这意味着每一个圆形跟踪路径可以适应一个范围的目标运动,使得算法有较强的鲁棒性;第四,在规划好的圆形跟踪路径的基础上,基于无人机的航向控制律,推导了转移路径段的路径规划算法。该算法在保证转移路径的曲率连续性前提下,规划了圆形路径间的转移路径。并通过算法适用范围分析,给出了本路径规划算法(包括跟踪路径规划算法和过渡段路径规划算法两个部分)所能处理的应用场景的边界条件,得到了由监视范围、无人机速度和所能跟踪的目标速度范围的边界条件;第五,为了验证算法的实际效果,本算法通过MATLAB在自动驾驶仪模型和某无人机真实飞行参数上进行了仿真实验。同时为了对比和常规方法的性能,在同等条件下,与一个典型的目标跟踪方法进行了对比实验。验证了本文中路径规划算法对地面运动目标的跟踪、监视和照射任务的有效性。并在对本文方法总结的基础之上,对未来进行了展望。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

图 1.1 任务场景示意图6 论文的主要内容与组织结构为了完成前面给出的主要任务，本论文提出了一种新的跟踪方式：无人机始踪目标的一侧飞行。围绕这种跟踪方式，本论文的主要内容有(1) 根据已知信息和假设条件，对无人机和目标进行运动学模型建模；(2) 基于自适应控制思想提出一个圆形跟踪路径规划算法。根据目标的运动其圆心计算的条件，并对满足条件下无人机圆形跟踪路径（在不引起歧义的下简称为圆形路径）的圆心进行计算，算法的输出是新的圆形路径的圆心坐(3) 在第二条内容完成的基础上，提出转移路径规划算法。针对已经确定的径的圆心在考虑无人机最小转弯半径和曲率连续的前提下计算出从当前圆新圆形路径的转移航路点，以完成从圆形路径到圆形路径的转移。并对本论径规划算法进行适用范围分析，给出由监视范围、无人机速度和目标速度所

图 2.1 全局坐标系和飞机坐标系示意图(2) 水平投影坐标系由于目标平动于平板地球，无人机保持高度恒定不变，因此不用考虑在全局坐中的 轴方向的运动。故将无人机和目标向全局坐标系的 平面投影，以建平投影坐标系。如图 2.2 所示，水平投影坐标系坐标原点 与全局坐标系原点 ， 轴正方向和 轴正方向相同， 轴正方向和 正方向相同。

图 2.1 全局坐标系和飞机坐标系示意图坐标系于平板地球，无人机保持高度恒定不变，因此不运动。故将无人机和目标向全局坐标系的 如图 2.2 所示，水平投影坐标系坐标原点 与全 轴正方向相同， 轴正方向和 正方向相同。
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本文编号：2869247