一种通信约束下双无人机协同目标跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种通信约束下双无人机协同目标跟踪方法，控制两架无人机协同地跟踪一个地面目标；跟踪过程中，长机判断自身进入强制接近状态后，迅速重新满足探测距离约束的要求，若未进入强制接近状态，以精度优先，提高目标观察数据的精度；僚机以强制接近状态和以及提高精度的原理与长机相同，僚机的活动范围被限制在以两机连线为中心的一个小范围内，以足够的速度分量去追踪长机，从而确保长机和僚机之间的距离小于给定值。本发明专利技术能够确保通信距离约束得到满足，为协同提供通信保障；能够确保长机的探测距离约束得到满足，为目标跟踪提供保证；能够在飞行中实时分析跟踪精度并优化轨迹，为跟踪质量提供保证。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于双无人机自治跟踪一个地面活动目标时的飞行控制方法，涉及目标估 计和飞行控制领域。
技术介绍
自治跟踪运动目标是无人机的一种新颖用途，具有广阔的应用前景，如动物迁徙 研究，体育赛事实况转播，紧急救援，物资空投指引等。Meven A. P. Quintero, Francesco Papi，Daniel J.Klein, Luigi Chisci 和 Joao P. Hespanha 提出的“使用动态规划的最优 无人机目标跟踪协同算法”(Optimal UAV Coordination for Target Tracking using Dynamic Programming)运用动态规划原理，为无人机跟踪地面目标提供了一种跟踪精度全 局最优的方法。该算法首先给出了无人机跟踪目标时对目标进行定位的精度分析方法；在 此基础上，将无人机在每一个决策周期中的航向角改变量离散化，以精度最高为规划目标， 使用动态规划原理逆向求解得到精度全局最优的跟踪轨迹。由于该算法是全局最优方法，需要在跟踪之前先验地知道无人机在整个运动过程 中每时每刻的位置，这一点不具有可行性；并且这种算法没有提出对通信距离约束(通信 距离约束指无人机之间能够进行通信的最大距离限制)的保证措施，而保证通信是协同的 基本要素；虽然文中采用的精度优化能够间接调整与目标之间的距离，但是仅仅通过调控 精度对无人机与目标之间的距离间接施加影响并没有足够可靠的约束力，而保证探测距离 约束(探测距离约束指无人机能够有效探测目标参数的最大距离限制)是目标跟踪的首要 前提。
技术实现思路
为了克服现有技术不能满足通信距离约束和探测距离约束的不足，本专利技术提供一 种通信约束下双无人机协同目标跟踪方法，能够控制两架无人机(一架长机和一架僚机) 协同地跟踪一个地面目标；跟踪过程中，能够确保通信距离约束得到满足，为协同提供通信 保障；能够确保长机的探测距离约束得到满足，为目标跟踪提供保证；能够在飞行中实时 分析跟踪精度并优化轨迹，为跟踪质量提供保证。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是假设算法的执行周期是At，目标、 长机和僚机在惯性系中的三维坐标分别是A^m和Xs，长机和僚机航向角分别为Fn^P ￥s， 速率均恒定为V，传感器最大探测距离为rmax，长机、僚机到目标的距离分别是Γι、ι·2，ν\与 v_t、与ν; 与N2分别是目标、长机和僚机速度在无人机-目标连线上及其垂直方 向上的投影，并引入布尔型标志变量flagm = O和= O。若没有接收到退出命令或任 务没有完成，长机和僚机分别各自重复执行以下步骤1)长机执行以下步骤步骤1 计算目标冲出长机探测范围所需时间仁=(rmax_ri) X (v^)-1,估算的无人机调整姿态至对准目标时无人机-目标连线转过的角度Δ =(0. 5v ^ ,-V^ ^trA1,中间变量 ξ = 士 acos(vtcos( nt+AVvD+ZkJi - η「Δ，k = 0，士 1，估算的无人机机动到能够接近目标时需要转过的航向角Itl = SignK) min(| ξ |)，计算目标转向减小与目标距离方向所需时间&= ι ξ步骤2 若I Δ I < JI并且Γι > D0并且tn > tr,长机进入强制接近状态，令flagm =1 ；否则直接转到步骤3。步骤3 计算此时的航向增量入 权利要求1. ，其特征在于包括下述步骤 假设算法的执行周期是△〖，目标、长机和僚机在惯性系中的三维坐标分别是^、^和 &，长机和僚机航向角分别为Vn^P Ψs，速率均恒定为V，传感器最大探测距离为rmax，长机、 僚机到目标的距离分别是 r2，ν 11与v_t、V11与V^V12与v_2分别是目标、长机和僚机 速度在无人机-目标连线上及其垂直方向上的投影，并引入布尔型标志变量Hagm = 和 flags = 0 ；若没有接收到退出命令或任务没有完成，长机和僚机分别各自重复执行以下步 骤1)长机执行以下步骤步骤1 计算目标冲出长机探测范围所需时间仁=(^axT1) X (ν-,-ν^)-1, 估算的无人机调整姿态至对准目标时无人机-目标连线转过的角度Δ = (0. 5v ^ ,-V^ ^trA1,中间变量 ξ = 士acos(vt cos(nt+A)/Vl)+2k3i-ii「A，k = 0，士 1， 估算的无人机机动到能够接近目标时需要转过的航向角Itl = signG )min(| ξ |)， 计算目标转向减小与目标距离方向所需时间&= I ξ0|/ωω3χ； 步骤2 若I Δ I < j!并且ri > D0并且tn > tr,长机进入强制接近状态，令f Iagm = 1 ； 否则直接转到步骤3 ；步骤3 计算此时的航向增量；=2.根据权利要求1的，其特征在于所述 的参数Dtl在rmax的0. 2至0. 8倍之间取值。全文摘要本专利技术公开了，控制两架无人机协同地跟踪一个地面目标；跟踪过程中，长机判断自身进入强制接近状态后，迅速重新满足探测距离约束的要求，若未进入强制接近状态，以精度优先，提高目标观察数据的精度；僚机以强制接近状态和以及提高精度的原理与长机相同，僚机的活动范围被限制在以两机连线为中心的一个小范围内，以足够的速度分量去追踪长机，从而确保长机和僚机之间的距离小于给定值。本专利技术能够确保通信距离约束得到满足，为协同提供通信保障；能够确保长机的探测距离约束得到满足，为目标跟踪提供保证；能够在飞行中实时分析跟踪精度并优化轨迹，为跟踪质量提供保证。文档编号G05D1/12GK102081404SQ20111003022公开日2011年6月1日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日专利技术者冯慧成, 李波, 符小卫, 陈军, 高晓光 申请人:西北工业大学 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通信约束下双无人机协同目标跟踪方法，其特征在于包括下述步骤：假设算法的执行周期是Δｔ，目标、长机和僚机在惯性系中的三维坐标分别是ｘ↓［ｔ］、ｘ↓［ｍ］和ｘ↓［ｓ］，长机和僚机航向角分别为ψ↓［ｍ］和ψ↓［ｓ］，速率均恒定为ｖ，传感器最大探测距离为ｒ↓［ｍａｘ］，长机、僚机到目标的距离分别是ｒ↓［１］、ｒ↓［２］，ｖ↑［⊥］↓［ｔ］与ｖ↑［－］↓［ｔ］、ｖ↑［⊥］↓［１］与ｖ↑［－］↓［１］、ｖ↑［⊥］↓［２］与ｖ↑［－］↓［２］分别是目标、长机和僚机速度在无人机－目标连线上及其垂直方向上的投影，并引入布尔型标志变量ｆｌａｇ↓［ｍ］＝０和ｆｌａｇ↓［ｓ］＝０；若没有接收到退出命令或任务没有完成，长机和僚机分别各自重复执行以下步骤：１）长机执行以下步骤：步骤１：计算目标冲出长机探测范围所需时间ｔ↓［ｒ］＝（ｒ↓［ｍａｘ］－ｒ↓［１］）×（ｖ↑［－］↓［ｔ］－ｖ↑［－］↓［１］）↑［－１］，估算的无人机调整姿态至对准目标时无人机－目标连线转过的角度Δ＝（０．５ｖ↑［⊥］↓［ｔ］－ｖ↑［⊥］↓［１］）ｔ↓［ｒ］／ｒ↓［１］，中间变量ξ＝±ａｃｏｓ（ｖ↓［ｔ］ｃｏｓ（η↓［ｔ］＋Δ）／ｖ↓［１］）＋２ｋπ－η↓［１］－Δ，ｋ＝０，±１，估算的无人机机动到能够接近目标时需要转过的航向角ξ↓［０］＝ｓｉｇｎ（ξ）ｍｉｎ（｜ξ｜），计算目标转向减小与目标距离方向所需时间ｔ↓［ｎ］＝｜ξ↓［０］｜／ω↓［ｍａｘ］；步骤２：若｜Δ｜＜π并且ｒ↓［１］＞Ｄ↓［０］并且ｔ↓［ｎ］＞ｔ↓［ｒ］，长机进入强制接近状态，令ｆｌａｇ↓［ｍ］＝１；否则直接转到步骤３；步骤３：计算此时的航向增量λ↓［ｕｒｇｅｎｔ］＝｛＊＊＊，若ｆｌａｇ↓［ｍ］＝１且ｒ↓［１］＞Ｄ↓［０］，Ｄ↓［０］＜ｒ↓［ｍａｘ］，长机下一时刻的航向角增加λ↓［ｕｒｇｅｎｔ］，即：ψ↓［ｍ］：＝ψ↓［ｍ］＋λ↓［ｕｒｇｅｎｔ］，ｘ↓［ｍ］：＝ｘ↓［ｍ］＋ｖΔｔ［ｃｏｓψ↓［ｍ］，ｓｉｎψ↓［ｍ］，０］，然后返回步骤１；若ｆｌａｇ↓［ｍ］＝１且ｒ↓［１］≤Ｄ↓［０］，则令ｆｌａｇ↓［ｍ］＝０，并转到步骤４；若ｆｌａｇ↓［ｍ］＝０，直接转到步骤４；步骤４：当临时变量ｉ，ｊ分别取｛－１，０，１｝时，计算不同ｉ，ｊ组合下的ｔｒ值：ψ↑［ｉ］↓［ｍ］＝ψ↓［ｍ］＋ｉ×ω↓［ｍａｘ］；ψ↑［ｊ］↓［ｓ］＝ψ↓［ｓ］＋ｊ×ω↓［ｍａｘ］；Ｔ↑［ｉ］↓［０ｋ］＝［＊＊＊］；Ｍ↓［ｋ］］［＊＊＊］；ｋ＝ｍ，ｓ；Ｑ↓［ｋ］↑［ｉ］＝‖ｒ↓［ｔ＿ｋ］‖↑［２］Ｔ↑［ｉ］↓［Ｏｋ］↑［Ｔ］Ｍ↓［ｋ］↑［Ｔ］Ｐ↓［ｋ］Ｍ↓［ｋ］Ｔ↑［ｉ］↓［Ｏｋ］；ｋ＝ｍ，ｓ；ｔｒ｜↓［ｉ，ｊ］＝ｔｒａｃｅ［＊↓［ｍ］↑［ｉ］（＊↓［ｍ］↑［ｉ］＋＊↓［ｓ］↑［ｊ］）↑［－１］＊↓［ｓ］↑［ｊ］］；其中，θ↓［ｍ］和θ↓［ｓ］分别为长机和僚机传感器的俯仰角，φ↓［ｍ］和φ↓［ｓ］分别为长机和僚机传感器的方位角，ｒ↓［ｔ＿ｍ］和ｒ↓［ｔ＿ｓ］分别为长机和僚机指向目标的向量，这些参数由机载传感器提供；Ｑ↓［ｍ］↑［ｉ］和Ｑ↓［ｓ］↑［ｉ］分别为长机和僚机各自对目标定位的协方差阵，Ｔ↑［ｉ］↓［０ｍ］和Ｍ↓［ｍ］是计算Ｑ↓［ｍ］↑［ｉ］时的系数矩阵；Ｔ↑［ｉ］↓［０ｓ］和Ｍ↓［ｓ］是计算Ｑ↓［ｓ］↑［ｉ］时的系数矩阵；＊↓［ｍ］↑［ｉ］和＊↓［ｓ］↑［ｊ］分别表示矩阵Ｑ↑［ｉ］↓［ｍ］和Ｑ↑［ｊ］↓［ｓ］左上角的２×２子块；γ↑［ｉ］↓［ｋ］＝－ｓｉｇｎ（ｉ）γ↓［０］，γ↓［０］为最大转弯滚转角；在所有的ｔｒ中搜索得到ｔｒ的最优值ｔｒ↓［ｏｐｔ］，以及对应的ｉ↓［ｏｐｔ］，ｊ↓［ｏｐｔ］，如下式所示：ｔｒ↓［ｏｐｔ］＝＊（ｔｒ｜↓［ｉ，ｊ］）＝ｔｒ｜↓［ｉ↓［ｏｐｔ］，ｊ↓［ｏｐｔ］］长机下一时刻的航向角增加ｉ↓［ｏｐｔ］×ω↓［ｍａｘ］，即：ψ↓［ｍ］：＝ψ↓［ｍ］＋ｉ↓［ｏｐｔ］×ω↓［ｍａｘ］ｘ↓［ｍ］：＝ｘ↓［ｍ］＋ｖΔｔ［ｃｏｓψ↓［ｍ］，ｓｉｎψ↓［ｍ］，０］如果达到设定的跟踪终止条件，跟踪过程结束；否则返回步骤１；２）僚机执行以下步骤：步骤１：计算目标冲出僚机探测范围所需时间ｔ↓［ｒ］：ｔ↓［ｒ］＝（ｒ↓［ｍａｘ］－ｒ↓［２］）×（ｖ↑［－］↓［ｔ］－ｖ↑［－］↓［２］）↑［－１］依次计算：Δ＝（０．５ｖ↑［⊥］↓［ｔ］－ｖ↑［⊥］↓［２］）ｔ↓［ｒ］／ｒ↓［２］；ξ＝±ａｃｏｓ（ｖ↓［ｔ］ｃｏｓ（η↓［ｔ］＋Δ）／ｖ↓［２］）＋２ｋπ－η↓［２］－Δ，ｋ＝０，±１ξ↓［０］＝ｓｉｇｎ（ξ）ｍｉｎ（｜ξ｜）ｔ↓［ｎ］＝｜ξ↓［０］｜／ω↓［ｍａｘ］计算漏斗角范围［ξ↓［ｍｉｎ］，ξ↓［ｍａｘ］］＝［－ｆ（ｒ↓［ｍｓ］），ｆ（ｒ↓［ｍｓ］）］＋［α，α］，其中，ｒ↓［ｍｓ］表示长机和僚机之间的距离，α表示僚机指向长机向量的...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：符小卫，冯慧成，高晓光，李波，陈军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87