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无人机协同跟踪地面目标制导律设计及验证

夏卫政  
【摘要】:对地面目标的自动跟踪是无人机的重要应用之一,在军事和民用领域皆有广泛的应用前景,具有十分重要的理论意义和工程价值。本文以固定翼无人机为研究对象,运用微分几何理论,分别设计了无人机过顶跟踪和定距跟踪的制导律,并且提出了一种基于Leader-Follower编队模式的多无人机协同跟踪制导律。本文研究的前提是无人机内回路控制系统已经设计完成且能很好的响应外回路的制导指令,同时存在一个地面目标运动状态指示系统(GMTI)用于实时获取地面目标的位置、航向、速度等状态信息。首先,本文对过顶跟踪和定距跟踪分别进行了分析和建模。采用二维运动学模型并结合微分几何曲线理论中的Frenet-Serret(弗雷涅-塞雷)标架分别搭建了无人机过顶跟踪和定距跟踪3DOF数学模型;在此基础上设计了无人机过顶跟踪和定距跟踪制导律并完成了稳定性分析,且分别针对静止、匀速直线和变速变向的地面目标进行了Matlab/Simulink下的仿真验证;最后,将两种跟踪模式的制导律在形式上进行了统一,以适用于不同的跟踪对象。其次,在单机跟踪制导律的基础上,研究了多架无人机协同定距跟踪地面目标的制导问题。提出了一种新型基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪制导律,采用使得Follower无人机的速度和航向逐渐趋近于Leader无人机的速度和航向的协同跟踪策略,解决了传统定距跟踪模式对地面目标速度范围的限制问题;最后依据李雅普诺夫稳定性理论对制导律进行了稳定性分析并进行了Matlab/Simulink下的仿真验证。最后,在实验室现有样例无人机单机实时仿真验证环境的基础上,开发了适用于多架无人机协同控制的遥控遥测软件、二维航迹显示软件,并对飞行控制软件和六自由度模型软件及仿真控制平台进行了适应性改造升级。基于上述软件构建了多无人机协同跟踪地面目标制导律的仿真验证环境,验证了所设计的协同跟踪制导律在无人机六自由度非线性模型实时仿真条件下的可行性和合理性。


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