[发明专利]一种基于变前向距离LOS制导律的飞行器路径跟踪方法

说明书

本发明涉及一种基于变前向距离LOS制导律的飞行器路径跟踪方法，属于飞行器制导控制领域。采用一种“S”型函数来表示LOS制导律设计中前向距离和路径跟踪偏差之间的关系，使得飞行器能够在不同的路径跟踪偏差情况下实现快速、稳定收敛到期望路径，并能够保证指令切换时光滑连续。针对飞行器倾斜转弯机动的特点，提出一种基于Lyapunov稳定性理论的指令转换方法，将LOS制导律给出的航向角指令转换为滚转角指令。本发明适用于采用倾斜转弯实现机动的飞行器路径跟踪问题，能够满足飞行器快速、稳定收敛到期望路径的任务需求；同时，所设计的算法易于在飞控计算机上编程实现，具有较好的工程实用性。

技术领域

本发明涉及一种基于变前向距离LOS制导律的飞行器路径跟踪方法，属于飞行器制导控制领域。

背景技术

随着飞行器在军事和民用领域的广泛应用，对飞行器的自主飞行能力提出了进一步的要求。飞行器飞行路径规划和路径跟踪是实现其自主飞行的关键技术。飞行路径规划系统可以根据飞行器的飞行任务要求、威胁信息及飞行器运动特性等因素得到期望的飞行路径，飞行器路径跟踪系统控制飞行器实现对期望路径的跟踪。为了提高飞行器在执行飞行任务过程中的可靠性，需要飞行器能够快速准确跟踪期望飞行路径，因此对飞行器路径跟踪系统提出了较高的要求。

飞行器路径跟踪问题本质上属于位置控制问题，可以基于经典比例-微分(PD)控制，根据位置偏差和速度反馈信息来设计路径跟踪控制系统。当飞行器与距离期望路径偏离较大时，这种方法存在产生的过载指令过大的问题，飞行器飞行控制系统难以正常响应，且这种方法的设计参数一般难以适应不同路径跟踪偏差的情况，在实际应用中具有一定的局限性。将路径跟踪问题转换为制导律的设计问题是另一种常见的思路。LOS制导律属于经典的三点法的制导方法，可以根据运动体位置和期望路径确定航向角指令，通过航向跟踪系统跟踪该指令，可以实现运动体收敛到期望路径上。LOS制导律直接给出的是航向角指令，在车辆、船舶等可以直接操控航向角的运动体路径跟踪控制系统的设计中有着广泛的应用。对于需要通过倾斜转弯实现机动的飞行器(如：固定翼飞行器或四旋翼飞行器)，需要将航向角指令转换为滚转角指令，指令转换问题是制约LOS制导律在飞行器路径跟踪中应用的技术瓶颈。此外，在LOS制导律设计中，前向距离是一项重要的设计参数，直接影响收敛到期望路径上的速度：前向距离越大，收敛速度越慢；前向距离越小，收敛速度越快，但由于飞行器本身的惯性和飞行控制系统的动态特性，飞行器将难以立即响应航向指令，在路径跟踪过程中容易产生超调。传统的LOS制导律中前向距离通常设计为常值。在飞行器实际飞行中，由于飞行器运动速度快，当飞行器偏离期望路径时，需要快速、平稳地收敛到期望路径上，采用传统固定前向距离的LOS制导律难以满足这一要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决飞行器快速准确跟踪期望路径问题，提出一种基于变前向距离LOS制导律的飞行器路径跟踪方法；该方法能够实现飞行器快速、平稳地收敛到期望路径。前向距离设计为随路径跟踪偏差变化的函数形式，采用一种“S”型函数来表示前向距离和路径跟踪偏差之间的关系，并能够保证指令切换时光滑连续。针对飞行器倾斜转弯机动的特点，本发明提出一种基于Lyapunov稳定性理论的指令转换方法，将LOS制导律给出的航向角指令转换为滚转角指令。本发明提出的方法，适用于采用倾斜转弯实现机动的典型飞行器(如：固定翼飞行器或旋翼飞行器)的路径跟踪问题，可以显著提高飞行器的路径跟踪性能，满足飞行器快速、平稳地收敛到期望路径的任务需求；同时，方法中形成控制指令所需的飞行器位置和姿态信息均可通过机载传感器得到，所设计的算法易于在飞控计算机上编程实现，具有较好的工程实用性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于变前向距离LOS制导律的飞行器路径跟踪方法，包括如下步骤：

步骤一、飞行器路径跟踪问题描述

飞行器在倾斜转弯过程中，升力在铅锤方向的分量L₁与重力G＝mg平衡，升力的水平分量L₂用于提供飞行器转弯所需的侧向过载。φ表示滚转角，得到侧向过载a：