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地形跟随飞行能量协调在线轨迹规划与跟踪

系统工程与电子技术 2024年

作者：朱日楠王彪张瀚文唐超颖徐锦法南京航空航天大学自动化学院鹏城实验室南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室

针对定速地形跟随全局离线规划方案数据存储量大、机动飞行油耗大等问题，提出基于级联模型预测控制（cascaded model predictive control，CMPC）的能量协调在线轨迹规划与跟踪方案。首先，利用飞行器纵向质点运动学模型设计MPC在线轨... 详细信息

针对定速地形跟随全局离线规划方案数据存储量大、机动飞行油耗大等问题，提出基于级联模型预测控制（cascaded model predictive control，CMPC）的能量协调在线轨迹规划与跟踪方案。首先，利用飞行器纵向质点运动学模型设计MPC在线轨迹规划器。从能量分配原理出发确定速度变化规律，对于飞行时总能量不变而导致能量分配不合理的情况，引入虚拟控制量实现总能量动态调节，完成能量协调策略设计。其次，引入地形粗糙度概念描述地形起伏程度，基于此提出规划器自适应时域方案，对于不同地形实现预测时域动态调节。结合MPC轨迹跟踪控制器，并利用真实地形数据仿真验证表明，本文方案可在与全局离线规划方案航迹差异不大的前提下，实现在线轨迹规划，显著降低油耗、提高航程极限，完成复杂地形的机动飞行任务。

关键词：地形跟随能量协调轨迹规划模型预测控制自适应预测时域

改进蚁群算法在地形跟随航线规划问题中的应用

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现代防御技术 2024年第1期52卷 34-40页

作者：陶杨周益蒋黄滔中国人民解放军92728部队上海200436 江西洪都航空工业集团有限责任公司江西南昌330024

针对飞机地形跟随航线规划需要,提出了一种基于改进蚁群算法的通用解决方案。该方法通过空间等分的思想将三维地图重构为解空间,并通过一系列改进措施提升蚁群算法效率,包括围绕加强蚁群中最优蚂蚁的正增益、减弱最劣蚂蚁的负增益,设计... 详细信息

针对飞机地形跟随航线规划需要,提出了一种基于改进蚁群算法的通用解决方案。该方法通过空间等分的思想将三维地图重构为解空间,并通过一系列改进措施提升蚁群算法效率,包括围绕加强蚁群中最优蚂蚁的正增益、减弱最劣蚂蚁的负增益,设计信息素更新策略;综合考虑可行航路点距离、高度、转弯角度的影响,设计节点移动策略;采用粒子群算法,智能优化求解蚁群算法的核心参数等,实现地形跟随航线的快速生成。通过具体算例验证了该方法的先进性和可行性。

关键词：航线规划航路约束地形跟随蚁群算法参数组合粒子群算法

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基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法

火力与指挥控制 2024年第1期49卷 97-104页

作者：孙锴庞华群温佳闵彤张启鹏太原航空仪表有限公司太原030006 西北工业大学电子信息学院西安710072 空军装备部驻太原地区军事代表室太原030006

近年来由于地形因素导致的民航飞机撞地事故频发,为提高通航飞行安全系数,减少事故悲剧,提出一套可靠有效的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法。根据全球数字地形数据进行地形跟随航迹规划,构建飞机的基本运动模型和碰撞模型,利... 详细信息

近年来由于地形因素导致的民航飞机撞地事故频发,为提高通航飞行安全系数,减少事故悲剧,提出一套可靠有效的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法。根据全球数字地形数据进行地形跟随航迹规划,构建飞机的基本运动模型和碰撞模型,利用每个规划航迹点的飞行状态,建立对应的告警方法;针对触发告警的情况,根据避障操作过程提出极限告警点的计算方法;最后利用插值拟合方法得到一条完整的极限告警曲线。仿真验证可知,该算法拟合出的极限告警曲线合理有效,飞行器在按照固定航路飞行时,通过快速对比航向与该极限告警曲线的交点,即可快速得到告警信息和合理的极限避撞方案。

关键词：地形跟随近地告警极限告警点极限告警曲线

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地形跟随飞行中光轴搜索策略

探测与控制学报 2022年第3期44卷 79-83页

作者：黄鹏程王彪唐超颖魏东辉南京航空航天大学自动化学院江苏南京211106 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室北京100074

针对在地形跟随中使用长焦相机的视野丢失问题,提出光轴搜索策略。该策略采用基于情景判别的分段适配处理方法,通过分析导引特征点与飞行器的相对位置,不改变原导引律的计算复杂度,给出扫描指令。实际地形数据仿真结果证明,使用本策略... 详细信息

针对在地形跟随中使用长焦相机的视野丢失问题,提出光轴搜索策略。该策略采用基于情景判别的分段适配处理方法,通过分析导引特征点与飞行器的相对位置,不改变原导引律的计算复杂度,给出扫描指令。实际地形数据仿真结果证明,使用本策略后能够获得更丰富的地形信息,避免地形点视野丢失的问题,达到更好的地形跟踪效果。

关键词：地形跟随前视探测搜索策略适应角法

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小视场角条件下地形跟随飞行适应角法的改进

北京航空航天大学学报 2023年

作者：朱日楠王彪唐超颖南京航空航天大学自动化学院

针对小视场角条件下适应角法地形跟随飞行时可能出现波浪式前进的现象，分析两种波浪状航迹成因，提出地形信息丢失时的适应角法改进公式。通过设计抑制函数、验证其与高度控制的一致性，并推导指令增益，在无地形数据飞行阶段将地形丢... 详细信息

针对小视场角条件下适应角法地形跟随飞行时可能出现波浪式前进的现象，分析两种波浪状航迹成因，提出地形信息丢失时的适应角法改进公式。通过设计抑制函数、验证其与高度控制的一致性，并推导指令增益，在无地形数据飞行阶段将地形丢失前的信息与实时高度结合，给出导引指令。利用不同真实地形数据视景仿真验证，该方法可有效解决波浪状航迹问题，避免航迹角与法向过载频繁变化，使飞机以期望安全高度平飞越峰，显著提升地形跟随效果。

关键词：地形跟随适应角法小视场角地形数据丢失波浪状航迹

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基于MPC的地形跟随航迹跟踪控制方案设计

控制工程 2023年

作者：卜瑞宇王彪李宏成唐超颖南京航空航天大学自动化学院

针对亚音速固定翼飞行器地形跟随飞行问题，设计了航迹规划及模型预测控制（Model Predictive Control，简称“MPC”）航迹跟踪的整体方案。首先，地形跟随参考航迹曲线形状由三次样条函数结合目标区域地形高程数据，通过求解优化问题... 详细信息

针对亚音速固定翼飞行器地形跟随飞行问题，设计了航迹规划及模型预测控制（Model Predictive Control，简称“MPC”）航迹跟踪的整体方案。首先，地形跟随参考航迹曲线形状由三次样条函数结合目标区域地形高程数据，通过求解优化问题确定。在此基础上，充分发挥MPC预测未来动态变化的能力，设计了惯性系与机体系下进行航迹跟踪与误差评价的新方案。仿真结果表明：在考虑低空风切变和紊流影响的真实地形下，预设方案能有效评价跟踪效果，航迹跟踪策略跟随地形效果理想，跟踪精度高、空速稳定能力强，且满足指标规范的安全要求。

关键词：地形跟随模型预测控制航迹跟踪低空风扰误差评价

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地形跟随系统控制器的设计

西北工业大学学报 1989年第2期7卷 189-198页

作者：安锦文姜广伦西北工业大学

本文探讨了按线性二次型最优控制设计地随系统反馈控制回路,及按误差理论确定简化的前馈模型,从而完成地随系统控制器设计的方法。数字仿真表明,所设计出的系统能保证飞机性能满足美国军用规范《MIL-F-8785B》A 种飞行阶段一级飞行品质... 详细信息

本文探讨了按线性二次型最优控制设计地随系统反馈控制回路,及按误差理论确定简化的前馈模型,从而完成地随系统控制器设计的方法。数字仿真表明,所设计出的系统能保证飞机性能满足美国军用规范《MIL-F-8785B》A 种飞行阶段一级飞行品质要求,并且对跟随给定的希望地形轨迹的高度误差很小。

关键词：二次型最优控制反馈控制误差理论前馈模型地形跟随

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基于前视视觉探测的无人飞行器地形跟随研究

基于前视视觉探测的无人飞行器地形跟随研究

作者：黄鹏程南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着应用无人机的场景越来越复杂,使用视觉传感器替代传统雷达等传感器受到了各方研究者的重视。本文以视觉探测辅助高速无人飞行器的地形跟随任务为背景,使用机载相机获取飞行器所处环境的障碍物/地形信息,着重研究了扩展小视场角相机... 详细信息

随着应用无人机的场景越来越复杂,使用视觉传感器替代传统雷达等传感器受到了各方研究者的重视。本文以视觉探测辅助高速无人飞行器的地形跟随任务为背景,使用机载相机获取飞行器所处环境的障碍物/地形信息,着重研究了扩展小视场角相机视野范围的光轴搜索策略、利用前视探测结果建立局部数字地图并设计基于滚动时域控制的地形跟随系统,开发了基于Unity3D的地形跟随视景仿真系统。首先,针对基于视觉的高速飞行器地形跟随问题,通过分析现有地形跟随及视觉辅助飞行相关领域研究现状,确定了基于前视视觉探测的方式,并提出了相应的地形跟随系统总体方案。然后,针对在地形跟随任务中为了满足探测距离需求而使用长焦相机导致视场角小、易出现视野丢失的问题,提出了一种光轴搜索策略。该策略采用基于情景判别的分段适配处理方法,通过分析导引特征点与飞行器的相对位置,给出挂载相机的云台转动指令。实际地形数据仿真结果证明,使用本文设计的搜索策略后能够获得更丰富的地形信息,避免视野丢失的问题,实现更好的地形跟踪效果。接着,针对前视导引方案对探测信息利用率较低,地形贴合程度不高的缺点,利用探测结果建立局部数字地形图,在考虑飞行器机动能力约束情况下使用滚动时域控制设计最优控制器,将地形跟随问题转化为轨迹跟踪控制问题。仿真结果表明,该方案能够提高地形贴合程度,同时能够保证安全性。最后,开发了基于Unity3D的地形跟随视景仿真系统,使用不同起伏特征的真实地形数据搭建虚拟飞行环境,支持对各种主流地形跟随方案进行仿真验证。使用该系统对本文设计的地形跟随方案进行仿真验证,使用航程损失、撞地概率等指标对系统跟随结果进行评价,验证了本文设计的地形跟随方案安全可靠,开发的视景仿真系统能够满足使用需求。

关键词：地形跟随前视探测搜索策略适应角法滚动时域控制虚拟仿真

雷场探测无人机地形跟随飞行的高度融合与控制方法研究

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雷场探测无人机地形跟随飞行的高度融合与控制方法研究

作者：张磊湖南科技大学

学位级别：硕士

雷场曾是主战场的前沿阵地,因其危险性而长期荒废闲置,大多生长着茂密的植被且地形结构复杂,这给雷场探测工作带来了很大的难度。随着雷场探测技术的不断进步以及无人机控制技术的飞速发展,以无人机为应用平台搭载探测系统开展雷场探测... 详细信息

雷场曾是主战场的前沿阵地,因其危险性而长期荒废闲置,大多生长着茂密的植被且地形结构复杂,这给雷场探测工作带来了很大的难度。随着雷场探测技术的不断进步以及无人机控制技术的飞速发展,以无人机为应用平台搭载探测系统开展雷场探测任务的方式逐渐成为一种新的研究方向。在雷场探测飞行中,为实现雷场目标的可靠探测、准确识别和精确定位,根据雷场探测技术原理的需要,探测无人机需与探测区域地形保持恒定高度飞行,这对无人机地形跟随飞行中相关高度的测量、融合、控制技术提出了更高的要求。本文结合雷场探测中对地形跟随飞行技术的实际需求,以雷场探测无人机为研究对象,研究了地形跟随飞行中高度融合及控制方法的若干理论与技术问题。主要研究内容如下:(1)为满足雷场探测中对飞行平台的实际需求,设计了雷场探测无人机的硬件平台与软件系统;针对地形跟随飞行过程中由于雷场地形结构复杂、大量茂密植被覆盖引起的单个传感器易受干扰、可靠性差的问题,设计了由超声波传感器、毫米波雷达、气压传感器、RTK移动站组成的多传感器高度测量模块,为后续高度融合与控制方法研究奠定了硬件基础。(2)为提高地形跟随飞行中高度融合的精度和实时性,结合传感器的测量特性以及雷场中高度测量问题的分析,研究了一种多传感器高度融合方法。首先对传感器检测值进行可信度评估并完成检测值融合,排除故障性误差影响;然后结合姿态角、速度、加速度、初始测量偏差等信息对传感器测量值进行修正与对齐处理,提升数据的准确性;最后采用基于测量支持度的多传感器高度融合算法得到无人机飞行高度及地形高度。经仿真验证与分析,该方法在提升融合精度、实时性及可靠性方面具有优良性能,为地形跟随飞行中高度控制提供了精确的反馈数据。(3)针对地形跟随飞行中因地形变化突兀及风扰动引起的高度控制精度低、实时性差、抗干扰能力差的问题,研究了一种将复合控制、模糊控制、改进的ADRC相结合的高度控制策略,通过基于复合控制的高度控制算法解决因地形变化突兀引起的控制响应滞后问题,采用基于自适应b参数的ADRC速度控制算法,结合风速估计来自适应调节扰动补偿参数b,提高ADRC的扰动补偿精度。仿真结果表明,该方法可有效提升地形跟随飞行中高度控制的实时性、控制精度、抗干扰能力。为验证高度测量模块的可行性及高度融合与控制方法的有效性,设计并开展了基于雷场探测的地形跟随飞行实验,结果表明:本文所研究方法的高度融合误差与高度控制误差均稳定保持在0.10m以内,达到了雷场探测中对地形跟随飞行的精度要求。

关键词：雷场探测无人机地形跟随高度测量模块多传感器高度融合 ADRC