梁　爽

(大連大學電子信息工程學院，遼寧 大連　116622)

固定翼無人機定點飛行最優(yōu)路徑選擇

梁爽

(大連大學電子信息工程學院，遼寧 大連116622)

摘要：針對固定翼無人機路徑規(guī)劃復雜、航跡冗余、偏離度高等特點，通過建立三維空間空氣動力學模型，標定預置坐標，根據常規(guī)氣動布局下的空氣動力學原理、PID算法、環(huán)境等因素對航跡網格點進行管理。采用改進的動態(tài)規(guī)劃算法，對如何準確、快速地計算出連貫預定坐標的最佳路徑進行了研究。飛控計算機通過動態(tài)對比、狀態(tài)預測算法，對路徑進行實時對比、矯正、重新規(guī)劃，使無人機能沿著貫穿預定坐標的最佳路徑完成既定飛行任務。

關鍵詞：無人機固定翼航跡優(yōu)化最優(yōu)路徑預定坐標空氣動力學模型PID狀態(tài)預測動態(tài)對比

0引言

無人機執(zhí)行任務時，通常伴隨著復雜的航跡變化。能源限制使得滯空時間變得相對固定，最大限度地優(yōu)化航跡可以大幅度延長執(zhí)行任務時間，所以無人機，尤其是小型無人機對于航跡的優(yōu)化有著迫切的需求。隨著傳感器工藝的發(fā)展，傳感器愈發(fā)趨于多元化、小型化、高精化，使得對無人機飛行時的位置、姿態(tài)信息能夠精確掌握。同時中央處理器處理能力的提升，也為無人機最優(yōu)航跡的即時計算提供可能。飛行前，地面控制站給出空中預定坐標，并結合飛機的機動能力、空氣動力學模型計算最佳航跡[1]。在飛行過程中，隨著環(huán)境因素的改變，實際飛行路徑或存在誤差。通過動態(tài)對比算法[2]、狀態(tài)預測算法對無人機航跡進行實時調整，可大幅度精簡無人機飛行路徑，延長執(zhí)行任務時間。

1最佳路徑選定

1.1無人機模型

無人機的空氣動力學和運動學模型[3]如圖1所示。

圖1　無人機模型

(1)

式中：(x,y,z)為慣性坐標系下飛機的位置；θ為航向角；φ為俯仰角；v為速度；ω為角速度；m為質量；J為轉動慣量；F為控制力；M為控制力矩[4]。

1.2路徑描述

飛機與下一個參考點保持一個相對距離，飛機運動過程保持期望的路徑運動[5]。該路徑由參數ψ表示：Pd(ψ)=[ xd(ψ),yd(ψ),zd(ψ)]。路徑上每一點都有一個給定的速度vs(ψ)，如圖2所示。

圖2　飛行路徑示意圖

無人機的期望路徑為：

Pd= Pd(ψ)+R[θd(ψ),φd(ψ)]l

(2)

式中:Pd(ψ)為飛機對ψ的信息;R[θd(ψ)φd(ψ)]為由無人機的體坐標系到慣性坐標系的轉換矩陣。

(3)

為了檢驗期望路徑的準確性，通過給定若干個坐標點，根據上述公式計算出期望路徑，并與軟件仿真路徑作對比，如圖3所示。

圖3　實驗仿真圖

由圖3可以看出，通過計算得到的期望路徑，基本與軟件仿真路徑相重合，表明了本文建立的模型以及路徑跟蹤算法的有效性。

2硬件結構

硬件系統主要包括無人機地面控制站、無人機平臺、飛控系統、傳感器、動力系統、伺服系統、任務載荷[7]，硬件結構如圖4所示。

圖4　硬件結構圖

無人機平臺起飛前，由地面控制站根據預置坐標計算初始最優(yōu)路徑，并將預置坐標、初始最佳路徑、任務數據發(fā)送至位于無人機平臺上的飛控系統。無人機升空后，飛控系統讀取傳感器數據，確定無人機位置、姿態(tài)，并通過控制動力系統、伺服系統，實現對最佳路徑的跟蹤。當飛機大幅度偏離最佳路徑時，飛控計算機對已通過的預置坐標比對，并基于當前位置計算出貫穿剩余預置坐標的最優(yōu)路徑[8]。

3軟件結構

通過軟件控制，實現對無人機空中最優(yōu)路徑的跟蹤與重新計算。軟件系統包括地面控制站軟件與無人機平臺軟件。地面控制站軟件流程如圖5所示。

圖5　地面控制站軟件流程圖

啟動地面控制站后，操控員輸入任務指令和預置坐標，地面控制站自動計算出初始最優(yōu)路徑；控制站向無人機發(fā)送自檢命令，如果無人機自檢未通過，則地面控制站顯示故障位置后結束任務規(guī)劃操作；自檢通過后，控制站向無人機發(fā)送任務指令、預置坐標、初始最優(yōu)路徑。若未發(fā)送成功，將再次發(fā)送自檢指令；發(fā)送成功后，控制站發(fā)送起飛指令，無人機升空，任務規(guī)劃完成。無人機平臺軟件流程如圖6所示。

圖6　無人機平臺軟件流程圖

無人機系統上電，收到地面控制站的自檢指令后開始自檢；若未通過，則上傳故障位置。通過自檢后，無人機接收任務指令、預置坐標、最優(yōu)路徑。若接收失敗，則上傳失敗標志；若接收成功，無人機平臺在接收到地面控制站的起飛命令后升空執(zhí)行任務。起飛后，無人機通過姿態(tài)控制跟蹤最優(yōu)路徑。若偏離最優(yōu)路徑，則基于當前位置計算出貫穿剩余預置坐標的最優(yōu)路徑。到達任務區(qū)域后，無人機平臺打開任務系統，在任務執(zhí)行完畢后，無人機返航。

4結束語

本文提出的無人機固定翼無人機空中定點飛行最優(yōu)路徑選擇方法，通過快速建立三維空間中空氣動力學模型、標定預置坐標，并根據費馬原理和改進的動態(tài)規(guī)劃方法，計算出執(zhí)行任務的最優(yōu)路徑，能夠有效延長執(zhí)行任務時間。同時，本文還論證了無人機對最優(yōu)路徑的跟蹤問題，最大程度地降低飛行過程中由于突發(fā)情況產生的對于最優(yōu)路徑的重新計算，降低飛控計算機的計算量，提高實際飛行路徑與最優(yōu)路徑的契合度。文中沒有考慮到由于不可抗力導致無人機偏離最優(yōu)路徑時，飛控對路徑進行重新繪制的問題，這也是下一步需要研究的方向。

參考文獻

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Selection of the Optimal Path for Established Flight Mission of Fixed-wing UAV

Abstract：For the features of fixed-wing UAV,e.g.,complex path planning,redundant flight track,and high degree of deviation,through setting up the aerodynamics model of three-dimensional space,calibrating the preset coordinates,and according to the factors of aerodynamic principle,PID algorithm,and environment under conventional aerodynamic layout,the flight track grid points are managed.With the improved dynamic planning algorithm,the method for accurately and quickly calculating the optimal path of coherence predetermined coordinates is researched.The paths are compared,corrected and re-planned in real time by flight control computer through dynamic contrast and state prediction algorithms,thus the UAV can accomplish the established flight mission along the optimal path with predetermined coordinates.

Keywords:Unmanned-aerial-vehicle(UAV)Fixed-wingFlight track optimizationOptimal pathPredetermined coordinateAerodynamic modelsPIDState predictionDynamic contrast

中圖分類號：TH86;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605004

修改稿收到日期：2016-02-18。

作者梁爽(1992-)，女，現為大連大學電子信息工程專業(yè)在讀本科生；主要從事自動控制、通信技術方向的研究。