[发明专利]一种基于逆动力学的无人机三维轨迹制导方法

说明书

本发明公开了一种基于逆动力学的无人机三维轨迹制导方法，属于无人机导航制导与控制技术领域；首先，针对某无人机的某个轨迹段，通过将解析法和数值迭代法相结合，依次对无人机的位置状态方程进行一级逆动力学解算，以及对无人机的地速和航迹角状态方程进行二级逆动力学解算，得到无人机的指令推力、指令迎角和指令航迹滚转角，再将这几个指令量输入已设计好的姿态控制回路，即可控制无人机的实际地速和位置，同时采用PID控制，使无人机的实际位置收敛于航路点之间的参考轨迹上；本发明可同时精确的控制无人机的地速和三维位置，在线调整无人机的期望飞行轨迹，且控制器计算成本低。

技术领域

本发明属于无人机导航制导与控制技术领域，具体涉及一种基于逆动力学的无人机三维轨迹制导方法。

背景技术

无人机又称无人驾驶飞行器，广泛应用于军用和民用领域；无人机制导是指通过指令程序，使无人机沿给定的轨迹飞行。随着无人机的执行任务日趋多样，人们对无人机机动性能的要求也日益提高，传统的二维轨迹制导律已无法满足需求，实现三维轨迹的高精度跟踪控制，能让无人机完成地形回避，编队飞行以及自主空中加油等特殊任务，具有重要的意义。

在无人机的轨迹跟踪控制中，实现无人机直接沿给定航路点飞行具有重要的实用价值，目前很多无人机的参考轨迹设计方法是将各航路点以空间三维曲线进行拟合，或将轨迹拆分成若干段分别进行拟合，这类方法虽然可得到较为光滑的参考轨迹，但算法计算量较大，特别是面对复杂参考轨迹时，其拟合难度将直线上升，这对于机载计算机设备性能较差的低成本无人机来说是非常不利的。

另外，从无人机的飞行动力学角度来看，制导回路所属的各控制量之间存在高度耦合的关系。其中，无人机的位置方程为

式中，(x,y,h)为无人机的三维坐标；

地速及航迹角状态方程为

(V_g,χ,γ)分别为无人机的地速、无人机的航迹偏角和无人机的航迹倾角；(α,β,μ)分别为无人机的迎角、无人机的侧滑角和无人机的航迹滚转角；(T,F_D,F_Y,F_L)分别为无人机的发动机推力、无人机的阻力、无人机的侧力和无人机的升力；m和g分别为无人机质量和重力加速度。

由式(1)(2)可见，(V_g,χ,γ)和(T,α,β,μ)均为相互耦合的控制量，若采用传统PID控制，控制效果必然会因耦合作用而受到严重影响。

基于上述分析，所设计的三维轨迹制导方法应满足如下要求：

(1)能够在飞行包线约束条件下，同时控制无人机的地速和位置，精确跟踪三维轨迹，并实现无人机直接沿给定航路点飞行任务；

(2)期望飞行轨迹便于线生成和调整，且所需的时间和计算成本较小；

(3)制导方法物理意义明确，形式简洁，参数整定方便，易于工程实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，并满足上述要求，提出一种基于逆动力学的无人机三维轨迹制导方法，具体包括如下步骤：

步骤一、针对某个无人机，根据期望轨迹将无人机飞行经过的航路点设定坐标，并划分轨迹段；

期望轨迹由若干航路点联结成的航路段构成；航路段共有n(n≥1)段，对应有n+1个航路点。

步骤二、针对每个航路点，根据无人机的机动性能和所设定好的航路情况，设定该航路点对应的转换半径为d；

步骤三、针对第k段轨迹段，利用无人机的期望轨迹分别计算该轨迹段的实际速度误差和实际位移误差，采用PID控制律加和构成该轨迹段期望的横侧向位移状态的微分项和纵向位移状态的微分项