基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法技术

本发明专利技术涉及无人机技术领域，具体提供一种基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法。包括：明确巡飞弹的飞行空间与航迹表示方法；通过所述巡飞弹的传感器原件，实时感知巡飞弹机体位置、地理环境、障碍物位置，将敌方监测区域三维空间格栅化，确定监测范围；确定非敌方监测区域飞行航线算法：应用模糊化人工势场法对巡飞弹飞行航线进行优化；基于模糊化人工势场法，实时计算巡飞弹期望飞行航线；确定敌方监测区域飞行航线算法：应用遗传算法确定终止节点与飞行航线；巡飞弹根据获得的飞行航线算法，执行跟踪、打击或返回的任务。优点在于：有利于巡飞弹实时优化飞行航线；灵活切换飞行模式，无需借助发射装置；任务执行过程更加可控。更加可控。更加可控。

【技术实现步骤摘要】
基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法。

技术介绍

[0002]随着航空作战系统的快速发展，无人机在军用领域应用范围逐步扩大，如地形侦察机、集群作战机、集查打一体化的巡飞弹等。巡飞弹可实现敌方区域的情报搜集及目标对象的摧毁任务。但是巡飞弹存在能源存储量受限制，作业环境不确定性高等限制。因此提高无人机的作战时间，优化作战航迹规划是巡飞弹目前面临的关键技术瓶颈。
[0003]无人机的作战时间由无人机类型与结构决定，现有的旋翼无人机飞行速度慢，难以实现大范围的巡航任务，且结构复杂，控制困难。固定翼无人机飞行约束条件较多，且需要主推发射设备。尾坐式垂起无人机为机尾坐地式起飞，起降阶段采用旋翼模式，达到目标高度后转为固定翼模式。
[0004]巡飞弹的航迹规划的目的是找到快速到达目标点的飞行航迹，即尽量躲避被反捕捉与坠机概率，同时还要满足飞行约束条件。具体地，巡飞弹航迹规划需考虑因素包括安全性、航迹约束、以及实时性要求。目前，国内外学者提出了多种航迹规划方法，包括快速扩展随机树法、遗传算法、粒子群算法、人工势场法等。人工势场算法具有结构简单，生成路径安全平滑等优点，因此可实现实时在线路径规划。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决上述问题，提供了一种基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法。
[0006]本专利技术第一目的在于提供一种基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法，包括如下步骤：
[0007]S1、明确巡飞弹的飞行空间与航迹表示方法；
[0008]S2、通过所述巡飞弹的传感器原件，实时感知巡飞弹机体位置、地理环境、障碍物位置，将敌方监测区域二维空间格栅化，确定监测范围；所述敌方监测区域位于格栅化区域的内部，格栅化区域表示敌方监测的外围区域，格栅化的每个方格代表节点，所有格栅用数字1、2、
……
、n进行标记；
[0009]S3、确定非敌方监测区域飞行航线算法：应用模糊化人工势场法对巡飞弹飞行航线进行优化；基于模糊化人工势场法，实时计算巡飞弹期望飞行航线；
[0010]S4、确定敌方监测区域飞行航线算法：应用遗传算法确定终止节点与飞行航线；
[0011]S5、巡飞弹根据步骤S3、S4获得的飞行航线算法，执行跟踪、打击或返回的任务。
[0012]优选的，步骤S1具体包括：
[0013]S101、在三维空间中，设(x,y,z)为空间某点坐标，x表示经度，y表示维度，z表示海拔高度；离散化空间表示为：
[0014]X＝{x(t)，y(t)，z(t)
│
0≤x≤X
max
，0≤y≤Y
max
，0≤z≤Z
max
}
[0015]g＝{(x
g
(t)，y
g
(t)，z
g
(t))}
[0016]q
i
＝{(x
qi
(t)，y
qi
(t)，z
qi
(t))}；
[0017]其中，X为当前巡飞弹位置，g为目标点位置，q
i
为障碍物i(i∈{1,2,3,4....})的位置；
[0018]S102、定义巡飞弹的运行空间的势场：依据人工势场法，将巡飞弹在周围环境中的运动设计成一种在势场环境中的运动，目标点对巡飞弹产生引力作用，环境中障碍物对巡飞弹产生斥力作用，通过环境中对巡飞弹生成的合力控制巡飞弹的运动。
[0019]优选的，人工势场法是通过计算当前位置势函数的负梯度方向作为无人机下一步的运动方向；所述的势函数包括引力势函数与斥力势函数，分别为：
[0020]引力势函数：
[0021]斥力势函数：
[0022]式中，ρ(g)为巡飞弹距离目标点距离，ρ(q)为无人机距离障碍物距离，ρ0为障碍物有效影响范围，ξ为引力系数，η为障碍物斥力系数；
[0023]对引力势函数与斥力势函数分别求梯度，得到引力与斥力表达式：
[0024]引力：
[0025]斥力：
[0026]式中，为方向由目标点指向巡飞弹的单位矢量，为方向由障碍物指向巡飞弹的单位矢量；
[0027]所述巡飞弹所受的合力为：
[0028]优选的，步骤S3中的模糊化人工势场法包括：
[0029]S301、更改斥力势场函数与斥力函数：引入斥力势场调节因子n，当1/2ρ0<ρ(q)<ρ0时，n＝2；ρ(q)<1/2ρ0时，n＝0.5；斥力势场函数与斥力函数更改为：
[0030]斥力势场函数：
[0031]斥力函数的斥力分量：
[0032]S302、引入动态扰动力F
f
，采用双输入单输出的模糊控制器，输入为引力与斥力的夹角α，引力与斥力的大小差值F
d
.输出为F
fuzzy
，所述F
fuzzy
∈[
‑
1，1]；公式表示为：F
f
＝F
fuzzy
*ω；式中，F
f
为扰动力大小，F
fuzzy
为模糊控制器输出，ω为扰动力增益系数。
[0033]优选的，输入与输出的模糊化函数均采用三角形隶属函数；推理结果去模糊化采用重心法。
[0034]优选的，步骤S4中终止节点的确定方法为：当巡飞弹进入格栅化区域，获取当前位置坐标数据，并作为通过敌方监测区域的起始节点；通过目标位置点作与所述敌方监测区域的切线，获取m个终止节点，即通过敌方监测区域的节点；所述最优航线，是通过计算格栅化区域内起始节点到m个终止节点的距离确定。
[0035]优选的，步骤S5中，设定巡飞弹与目标的距离阈值d
g
；当巡飞弹执行所述跟踪任务时，与目标的距离不小于d
g
；当巡飞弹执行所述打击任务时，与目标的距离小于d
g
，激活巡飞弹自爆程序完成打击；当巡飞弹执行所述返回任务时，是巡飞弹在飞行过程中接收到任务取消的通知，随即由固定翼转为旋翼模式，并按照飞行航线返回发射点。
[0036]本专利技术第二目的在于提供一种基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制系统，包括障碍物探测模块、人工势场分析模块、模糊化控制模块和任务执行模块；
[0037]所述障碍物探测模块，用于获取巡飞弹当前位置以及巡飞弹前方区域内障碍物位置信息；
[0038]所述人工势场分析模块，用于对所述巡飞弹当前位置与巡飞弹前方区域内障碍物位置信息进行人工势场分析，确定敌方监测区域；
[0039]所述模糊化控制模块，用于对巡飞弹飞行航线进行优化，实时计算巡飞弹期望飞行航线；
[0040]所述任务执行模块，用于对巡飞弹的飞行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、明确巡飞弹的飞行空间与航迹表示方法；S2、通过所述巡飞弹的传感器原件，实时感知巡飞弹机体位置、地理环境、障碍物位置，将敌方监测区域二维空间格栅化，确定监测范围；所述敌方监测区域位于格栅化区域的内部，格栅化区域表示敌方监测的外围区域，格栅化的每个方格代表节点，所有格栅用数字1、2、
……
、n进行标记；S3、确定非敌方监测区域飞行航线算法：应用模糊化人工势场法对巡飞弹飞行航线进行优化；基于模糊化人工势场法，实时计算巡飞弹期望飞行航线；S4、确定敌方监测区域飞行航线算法：应用遗传算法确定终止节点与飞行航线；S5、巡飞弹根据步骤S3、S4获得的飞行航线算法，执行跟踪、打击或返回的任务。2.根据权利要求1所述的基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：S101、在三维空间中，设(x,y,z)为空间某点坐标，x表示经度，y表示维度，z表示海拔高度；离散化空间表示为：X＝{x(t)，y(t)，z(t)|0≤x≤X
max
，0≤y≤Y
max
，0≤z≤Z
max
}g＝{(x
g
(t)，y
g
(t)，z
g
(t))}q
i
＝{(x
qi
(t)，y
qi
(t)，z
qi
(t))}；其中，X为当前巡飞弹位置，g为目标点位置，q
i
为障碍物i(i∈{1,2,3,4....})的位置；S102、定义巡飞弹的运行空间的势场：依据人工势场法，将巡飞弹在周围环境中的运动设计成一种在势场环境中的运动，目标点对巡飞弹产生引力作用，环境中障碍物对巡飞弹产生斥力作用，通过环境中对巡飞弹生成的合力控制巡飞弹的运动。3.根据权利要求2所述的基于尾座式垂起无人机巡飞弹的航迹规划及控制方法，其特征在于：所述的人工势场法，是通过计算当前位置势函数的负梯度方向作为无人机下一步的运动方向；所述的势函数包括引力势函数与斥力势函数，分别为：引力势函数：斥力势函数：式中，ρ(g)为巡飞弹距离目标点距离，ρ(q)为无人机距离障碍物距离，ρ0为障碍物有效影响范围，ξ为引力系数，η为障碍物斥力系数；对引力势函数与斥力势函数分别求梯度，得到引力与斥力表达式：引力：斥力：式中，为方向由目标点指向巡飞弹的单位矢量，为方向由障碍物指向巡飞
弹的单位矢量；所述巡飞弹所受的合力为：4.根据权利要求3所述的基于尾座式垂起无人机巡飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏卫，白越，乔正，王东，裴信彪，武广鑫，
申请(专利权)人：长春长光博翔无人机有限公司，
类型：发明
国别省市：