[发明专利]基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律

说明书

本发明公开了一种基于领航‑跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，针对四旋翼执行地面目标持续跟踪任务中存在的目标逃逸、目标状态融合估计精度不佳等问题，具体为：首先，利用修正的Lyapunov导航向量场算法，构建领航者的期望速度信息；其次，通过一阶积分器得到领航者的期望位置，随后将其送入领航者自驾仪动态获取领航者的实时位置信息，同时将其实时位置反馈至修正的Lyapunov导航向量场；然后，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式；最后，构造适用于地面目标对峙跟踪、基于二阶一致性的领航‑跟随式协同编队控制器。本发明可以实现对于给定地面目标的对峙持续跟踪，可有效降低目标反侦察逃逸的概率，大大增强协同编队对峙跟踪目标任务的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及导航制导方向的多四旋翼对峙跟踪领域，具体为一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律。

背景技术

四旋翼利用其搭载的传感器对目标进行持续观测，可以获取大量目标信息，进而实现目标识别与精确定位，因此，四旋翼无人机跟踪地面目标在军事和民用领域具有很大的潜在应用价值。然而，单四旋翼在执行目标跟踪任务时由于其传感器探测范围有限、自身运动/动力学约束往往容易造成目标丢失、目标状态估计性能不佳等问题，难以确保目标跟踪任务的鲁棒性。使用多架四旋翼从不同角度以编队形式对目标进行环绕观测，通过邻居间的信息交互，实现目标观测性能协同超越，对目标可能逃逸的范围进行超前覆盖，可显著提高对目标运动状态的估计精度并降低目标丢失的概率，并有望提高四旋翼执行跟踪任务的成功率。

相较于单四旋翼目标跟踪而言，多四旋翼协同目标跟踪存在两个关键问题：(1)现有的目标跟踪方法如参考点制导法、比例导引法和模型预测控制制导法等均未考虑目标跟踪过程中四旋翼的安全性和隐蔽性，而Lyapunov导航向量场制导法可以确保四旋翼以固定对峙半径对运动目标持续跟踪的同时极大降低四旋翼被目标反侦察的风险，更加适用于对目标跟踪任务安全性要求较高的场合，其在四旋翼上的应用目前未有相关报道；(2)四旋翼模型是一个典型的二阶系统，不同于一阶系统，它同时与通信拓扑和通信协议相关，这使得基于二阶一致性算法的四旋翼协同制导律设计更具挑战性。因此本发明提供了一种既考虑四旋翼的安全性和隐蔽性，同时解决多四旋翼编队飞行对峙跟踪地面目标问题的制导律。

发明内容

本发明为了解决编队几何构型约束和多四旋翼协同跟踪地面目标问题，提供了一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于领航-跟随式三角形编队的多四旋翼对峙跟踪目标制导律，包括以下步骤：

(1)结合领航者四旋翼的实时位置和搭载的光电侦察平台所探测到的目标实时位置与速度信息，利用修正的Lyapunov导航向量场算法，构建领航者的期望速度信息；

(2)将步骤(1)中设计的领航者期望速度通过一阶积分器得到领航者的期望位置，随后将其送入领航者自驾仪动态获取领航者的实时位置信息，同时将领航者实时位置反馈至步骤(1)中修正的Lyapunov导航向量场；

(3)利用代数图论知识，设计多四旋翼通讯拓扑和编队样式；

(4)针对步骤(1)获得的领航者期望速度和步骤(2)提供的领航者期望位置信息以及步骤(3)定义的多四旋翼通讯拓扑和编队样式，构造适用于地面目标对峙跟踪、基于二阶一致性的领航-跟随式协同编队控制器。

本发明设计了一种基于领航-跟随式三角形编队的多旋翼对峙跟踪目标制导律。领航四旋翼通过机载高性能光电探测平台捕获地面目标运动信息，并采用修正的Lyapunov导航向量场生成期望的对地目标对峙跟踪制导律；跟随四旋翼借助相邻通信拓扑，利用二阶一致性算法，将跟随四旋翼对峙跟踪地面目标问题转化为与领航四旋翼几何中心位置偏差保持问题。

上述步骤中，步骤(1)构建领航者的期望速度信息具体如下：