基于tau矢量场制导的多无人机协同standoff跟踪方法

针对有时间约束的多无人机(UAV)协同standoff跟踪需求,研究基于四维矢量场的多UAV协同制导方法.利用本征tau-G制导策略能够依照期望时间对各运动状态进行同步规划的特性,构建tau制导矢量场,并在此基础上提出综合性多UAV协同standoff跟踪方法.该方法用tau矢量场导引各UAV的位置在期望时间准确收敛于目标圆,利用tau-G策略调整UAV之间的相位间隔,应用序列二次规划对跟踪参数进行优化,并采用人工势场法进行协同避碰避障.仿真结果表明,基于tau矢量场制导的协同standoff跟踪方法计算负荷低,跟踪偏差小、制导策略可飞性好,飞行安全性高,能够更好地满足多UAV协同standoff跟踪的应用需求.     

多无人机同时到达的standoff跟踪控制

为实现多无人机standoff目标跟踪与同时到达,提出了一种新的比例Lyapunov矢量场和基于τ耦合理论的协同速度控制器。首先,与其他的Lyapunov矢量场相比,比例Lyapunov矢量场中增加了一个可设置的参数,使得在跟踪过程中无人机能够在收敛速度和航向角速率限制之间取得平衡,最大限度的发挥无人机的性能;然后,通过进一步的理论分析得出参数越小,收敛速度越快,但是航向角速率越大。同时给出了在最大航向角速率限制下参数的选取方法,以保证获得较快的收敛速度。最后,为保证无人机能够从不同初始位置同时到达目标点,设计了基于τ耦合理论的协同速度控制律,该控制律不需要考虑实际的不规则飞行路径,只需要计算当前点到目标点的直线距离,避免了现有四维路径规划方法中路径积分复杂的问题,算法更加简单,更有利于工程实现。结果表明,通过数字仿真实例和硬件在环实验,验证了所提方法能够导引无人机同时到达目标点,并快速收敛到standoff半径,说明了该方法的有效性和优越性,且能够应用于工程实际。     

海洋环境下欠驱动无人艇航迹跟踪控制算法

为提高风浪流等外界环境扰动下,欠驱动无人艇航迹跟踪控制的准确性和鲁棒性,研究真实海洋环境下一类欠驱动无人艇的航迹跟踪控制问题,提出了一种基于改进视线导引算法与自适应滑模航向控制算法级联形式的欠驱动无人艇航迹跟踪控制算法,并基于李雅普诺夫理论和级联系统理论证明了当所有控制目标实现时,航迹跟踪控制系统为一致全局渐近稳定的.与传统的视线导引算法相比,改进的导引算法通过引入自适应观测器能够实现对漂角的实时估计和补偿,同时时变前视距离的设计使得无人艇的操纵更加灵活.以"海鲟03号"无人艇操纵运动模型和辨识得到的参数为基础,在MATLAB/SIMULINK软件上进行了航迹跟踪对比仿真实验,仿真结果表明:相比传统LOS导引策略下的航迹跟踪算法,控制算法动态性能更高且稳态误差较小,验证了算法的有效性和先进性;利用"海鲟03号"无人艇对所提出的控制算法进行了海上试验,结果表明在航迹跟踪控制算法的作用下,无人艇能较为准确地跟踪预先设定的期望航迹,且在整个航迹跟踪过程中,航迹误差相对较小,验证了该算法在实际工程应用中的正确性和有效性.     

多重威胁下的无人机自主避障航迹规划

无人机作为一种新兴的无人作战力量和不可或缺的民用设备,现已渐渐融入到国家安全和社会发展中的各个方面,航迹规划是保障无人机顺利完成既定任务的核心环节.为解决规划空间存在诸多静态和动态威胁的实时航迹规划问题,提出了一种基于滚动时域的无人机自主避障航迹规划方法.首先将航迹规划模型构建为单目标函数优化问题,根据无人机简化运动学模型和约束条件,采用滚动优化策略生成最优航迹序列;然后对最优航迹序列之间的航迹再一次采用滚动优化策略产生子序列,综合考虑威胁和飞行约束,利用负梯度下降法搜索航路点,采用遗传算法对子序列进行规划;最后经反复滚动迭代优化可得近似全局最优航迹,同时利用贝塞尔曲线对航迹进行处理,使其表征实际的飞行航迹.实验仿真结果表明:验证了模型的合理性和方法的有效性;具有良好的威胁规避能力并能规划出一条光滑航迹;与全局规划方法相比,该方法减少了收敛时间,实时性更强,能够快速、鲁棒地收敛到近似全局最优解.     

AUV平面直线航迹跟踪控制算法

针对自主水下航行器（AUV）在平面直线航迹跟踪过程中的航迹超调问题,设计基于航向航速双闭环运动控制的航迹跟踪控制算法. 跟踪算法以视线导引法（LOS）为基础,设计时变前视距离提高AUV的机动性,并以一阶惯性滤波抑制因航向切换产生期望航向角的阶跃变化. 控制算法采用抗积分饱和PID控制及参数自适应,以增加算法的鲁棒性,并将航向航速控制设计成双闭环,使得 AUV航行时期望航迹段终点的距离偏差实时调整期望航速. 结果表明,此航迹跟踪控制算法根据距离偏差调节实时航速,可使AUV提前减速以低速转向,抗积分饱和可避免航速超调,参数自适应以适应多种航行工况. AUV能准确跟踪期望航迹,最大航迹偏差小于1.0 m,并且大角度转向时可有效减小航迹超调.     

一种改进蚂蚁算法的无人机多目标三维航迹规划

传统的标准蚂蚁算法及A*算法求解无人机多目标三维航迹规划存在需设置导航节点及构建VORONOI图等缺陷,针对这一问题,提出了一种改进的蚂蚁算法.该算法将导引因子引入到状态转移策略中,减少了蚂蚁局部搜索的盲目性,确保蚂蚁形成有效航迹,解决了将该算法应用于航迹规划的两个构造难题,即航迹节点不固定和局部搜索难以到达目标节点这两个难题.将雷达、导弹、高炮及大气威胁模型的最大作用距离和有效作用距离等约束条件引入代价函数及启发因子计算中,解决了航迹规划多约束求解困难等问题.仿真结果表明,该算法构造合理,蚂蚁算法无需导航节点及VORONOI图便可自主寻找到目标节点,且收敛速度满足航迹规划要求,生成的航迹代价较小.     

TECS｜H_∞控制在无人机纵向着舰中的应用研究

针对无人机纵向自动着舰,运用总能量控制（TECS）的思想建立了无人机纵向自动着舰系统,设计了H∞输出反馈控制器。为了实现对移动目标的跟踪,引入了一种新的着舰导引控制算法,通过对所设计的先锋无人机的纵向自动着舰导引系统仿真表明,通过升降舵和油门的协调控制,实现了速度和航迹的解耦控制,且该设计能满足着舰要求,能有效地抑制舰尾流干扰的影响,具有良好的鲁棒性能。     

多异构无人机任务规划的分布式一体化求解方法

针对多异构固定翼无人机对已知目标群执行侦查、打击、评估任务的规划问题,提出了一种分布式一体化求解方法,该方法将任务执行耗时约束和协同攻击约束加入到协同任务规划模型(CMTAP)中,基于分布式规划架构,通过改进遗传算法的基因编码方式和相关遗传算子,完成任务分配和航迹生成两个子问题的一体化求解。将任务完成的总时间指标加入到代价函数中,保证了各无人机规划航迹的均匀性。建立固定翼无人机六自由度模型,采用矢量场航迹跟踪算法验证了该方法的可用性,并通过蒙特卡洛数学仿真,验证了该方法的快速性。     

基于均值漂移的穿墙雷达多目标跟踪

针对穿墙成像雷达中多人体目标跟踪的问题,提出了一种基于均值漂移的多目标图像域跟踪方法。首先,通过基于双轴投影的变尺度模板创建方法进行航迹起始;其次该文利用均值漂移算法进行航迹更新,并对不同幅度像素点的加权处理使得迭代过程能收敛于目标图像中心;最后,结合M/N准则,实现了对航迹的管理。通过对多组实测数据的处理可以看出,该算法具有稳健的跟踪性能。     

基于改进蚁群算法的多批次协同三维航迹规划

针对基本蚁群算法容易陷入局部寻优、收敛速度慢的缺陷以及解决多批次协同航迹规划问题的需要,提出了基于改进蚁群算法的多批次三维航迹规划算法。该算法采用基于加权排序的信息素更新规则,扩大各优劣蚂蚁的差异,提高了算法收敛速度,并采用了一种信息素挥发系数的随机自适应调节方法,在确保收敛速度的同时使算法具有全局寻优,解决了基本蚁群算法容易过早陷入局部最优缺点;在此基础上,引入蚂蚁子群间多约束条件下的协同进化策略,解决了多批次协同三维航迹规划。仿真结果表明:改进的蚁群算法在运算效率和收敛性上明显优于基本蚁群算法,多批次协同航迹规划能有效提高无人机的作战效能。     

一种有攻击角约束的三维有限时间导引律

为解决目标加速度信息未知且存在攻击角约束的三维末端制导问题,提出一种基于非线性观测器的有限时间导引律,使得弹目视线角可在有限时间内收敛至期望攻击角.首先,提出一类非线性观测器,利用导引系统中易测量的位置和速度等信息来估计目标加速度,理论分析给出了观测器稳定的充分条件;然后,利用目标加速度估计值,基于有限时间稳定理论和滑模变结构控制理论设计一种有限时间导引控制律,使三维末端导引系统的弹目视线角可以在有限时间内收敛到期望攻击角.通过分析观测误差对导引系统有限时间特性的影响,表明该方法满足工程实践需求;最后,分别对加速度为匀变速和变加速的两类变速目标进行了数值仿真,并与传统比例导引法进行了对比,仿真结果验证了所提方法的可行性与有效性.研究表明,利用非线性观测器可以稳定地估计目标加速度信息,进而利用该观测器给出的目标加速度信息设计滑模变结构有限时间三维导引律,利用该方法可以有效地解决三维末端制导过程中存在目标加速度信息未知且存在攻击角约束的难题.     

民用无人机姿态稳定与航迹跟踪控制策略研究

针对民用无人机功能载荷多变及复杂环境下姿态振荡和航迹跟踪误差,采用区间系统控制理论和动态跟踪误差最小化原理,设计了一种民用无人机内外环分层控制策略,可分别实现内环姿态稳定和外环航向跟踪功能,进而解决现有无人机大范围模型变化的控制效果恶化和航迹误差缺陷。仿真结果表明,所采用的分层组合控制策略可以保证无人机飞行过程的状态稳定和有效的航迹跟踪精度,具有较高的闭环鲁棒性,有助于开发高效且自动化的民用无人机系统飞行控制策略。     

航迹预测的多无人机任务规划方法

为提高无人机自主控制性能,实现任务分配与航迹规划整体架构,提出一种基于航迹预测的多无人机任务规划方法.首先,将禁飞区考虑为更接近真实场景的多边形模型;然后,使用改进A*航迹预测算法生成任意两个航迹点间障碍规避后的最短路径,利用该路径近似航迹航程作为任务分配过程的输入信息,建立目标函数,采用改进PSO算法求取最优结果;最后,使用B样条曲线平滑分配后的路径组合,生成无人机可飞行航迹.仿真结果表明,该方法能够以较高的计算速度和精度生成近似最优的任务分配结果和满足飞行约束的平滑航迹.     

一种新的AUV路径跟踪控制方法

研究了自主水下航行器(AUV)的路径跟踪问题,将跟踪控制问题分为导引和控制2部分.导引部分基于视线导引(Line of Sight)原理输出AUV的参考航向,针对AUV的参数不确定性及海流干扰等特点,航向控制器采用变结构控制律计算舵角控制输入,在此基础上,将航向控制器与路径跟踪控制器并行结合,构造了文中提出的混合型路径跟踪控制器.文章从理论上证明了控制律的稳定性,仿真结果表明,所设计的控制律可以保证AUV沿期望路径航行,路径跟踪误差快速收敛.     

视觉感知的无人机端到端目标跟踪控制技术

针对无人机机动目标跟踪的自主运动控制问题,提出连续型动作输出的无人机端到端主动目标跟踪控制方法. 设计基于视觉感知和深度强化学习策略的端到端决策控制模型,将无人机观察的连续帧视觉图像作为输入状态,输出无人机飞行动作的连续型控制量. 为了提高控制模型的泛化能力,改进基于任务分解和预训练的高效迁移学习策略. 仿真结果表明,该方法能够在多种机动目标跟踪任务中实现无人机姿态的自适应调整,使得无人机在空中能够稳定跟踪移动目标,显著提高了无人机跟踪控制器在未知环境下的泛化能力和训练效率.     

响应和滤波器偏差感知约束的无人机目标跟踪算法

针对无人机视觉跟踪任务中目标外观变化大、视野角度多变问题,提出基于响应和滤波器偏差感知约束的无人机实时目标跟踪算法. 该算法根据视频帧间响应差和滤波器变化的一致性,通过建模前后帧响应差和滤波器的变化,建立基于响应偏差感知和帧间滤波器偏差约束机制的目标函数,学习目标的外观变化和滤波器的帧间变化. 引入辅助变量构建优化函数,采用交替方向乘子法（ADMM）将计算目标问题转化为求相关滤波器和辅助变量的最优解. 采用跟踪准确度和成功率指标,将所提算法与其他9种算法在DTB70、UAV123@10 fps和UAVDT等3个无人机视频数据库上进行对比实验. 实验结果表明,所提算法对遮挡、形变、角度变化等干扰属性均具有良好的鲁棒性,跟踪平均速度达到39.0帧/s,能够有效跟踪无人机目标.     

无人机跟踪系统仿真平台的设计与实现

为解决无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)在进行地面目标跟踪实验时,存在验证难度大,成本高等问题,设计和实现了基于视景仿真软件和MATLAB/Simulink的仿真平台.首先,选择汽车作为地面目标,在视景仿真软件中导入UAV和汽车的三维模型,并设置虚拟云台和摄像机.其次,利用UAV、汽车与云台之间的相对运动模拟UAV跟踪过程中场景的变化,基于运动补偿的云台控制算法保证了虚拟摄像机始终指向目标.然后,虚拟摄像机采集目标所在区域的图片,图像跟踪算法跟踪图片中的目标,并利用目标图像模型解算目标在世界坐标系下的位置.最后,根据目标位置,使用参考点制导法生成期望的滚转角指令,引导UAV围绕目标盘旋飞行.视景仿真软件、图像跟踪算法和MATLAB/Simulink之间通过共享内存与UDP进行闭环通信.此外,提出一种实用可靠的标定方法,完成了视景仿真软件中虚拟摄像机内参矩阵的标定.仿真结果表明:该仿真平台能较好地模拟UAV对不同运动状态汽车的跟踪,得到的仿真结果具有较高的工程参考价值.本文的研究成果为目标跟踪实验提供了良好的仿真环境,有效减少实验成本.     

无人机快速三维航迹规划算法

针对无人机三维航迹规划的实时性问题,提出了基于快速扩展随机树的三维航迹规划方法。该算法能够根据当前环境快速有效搜索规划空间,通过随机采样点将搜索导向空白区域,使三维航迹规划能够用于实时航迹规划。通过引入航迹距离约束,搜索树将沿着路径距离最短的近似最优航迹的方向进行扩展,克服了基本快速扩展随机树方法随机性强,只能快速获得可行航迹,无法获得较优航迹的缺点。在搜索过程中无人机的航迹约束条件和地形信息得到了充分利用,使算法生成的航迹能够自动回避地形和威胁,同时满足无人机的动力学约束。通过生成的虚拟数字地图对算法进行了仿真验证,仿真结果表明该方法能够快速有效地规划出满意的无人机三维航迹。     

攻击型无人机鲁棒导引律研究

文章研究了攻击型无人机鲁棒导引系统,采用对干扰和摄动具有自适应能力的滑动模态变结构控制方法设计了攻击型无人机滑模导引规律.针对用于消除颤振的伪滑动模态不能实现精确跟踪的缺陷,对滑模导引规律中颤振消除进行了优化设计,引入系统运动状态轨迹接近角变量,使消除颤振的伪滑动模态边界层宽度随着系统状态到达滑动模态而逐渐减小为零,从而达到了既能消除颤振又能实现精确跟踪的设计目标.通过仿真验证了该导引规律具有攻击弹道平缓、抗目标机动扰动能力强、鲁棒性好、制导精度高的优点.     

多无人机协同四维航迹规划的改进的Tau-H策略

为了在满足多类约束条件的前提下进行多无人机（UAVs）协同飞行的航迹规划及优化,提出改进的Tau-H运动策略.在常用的Tau-H运动策略基础上,通过在运动间距表达式中引入初速度的相关项,克服了固有的仅能考虑始末速度为零的情况的缺陷,可以实现无人机始末非静止的到达时间和速度的四维运动匹配.利用粒子群算法（PSO）搜索各无人机的初始耦合系数,形成全局航迹预规划;建立各无人机间的通信拓扑,采用采样间隔与冲突判断双驱动的滚动优化方法,求解局部再规划问题,实现航迹不断更新.通过对算例的仿真表明,基于改进的Tau-H策略得到的航迹可飞性好,安全性高,能够满足连续型多无人机航迹规划及优化的应用需求.