一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法

1.本发明涉及无人机自动控制技术领域，具体为一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法。


背景技术：

2.近年来，无人机以其灵活性、隐蔽性、经济性等优势被军民领域广泛应用。无人机目标跟踪是指无人机对指定目标的接近并保持同步伴随运动的过程，是无人机执行航拍跟拍、机车协同作业、监视追踪乃至目标打击等自主任务中必不可少的重要控制技术。通常，无人机利用视觉相机、激光雷达、超声波测距仪等机载传感器捕获并利用相应感知算法识别被跟踪目标，从而解算得到用于目标跟踪的参考信号。但是，在实际应用中由于感知环境动态多变，被跟踪目标有时无法被捕获或识别，如图像传感器受障碍物遮挡、自然噪声干扰，激光雷达线数不足导致被跟踪目标上的可用识别点不足，超声波测距仪三维可视范围较小导致目标易于逃出视野等，这就导致了用于无人机目标跟踪的参考信号有部分时间无法获得。
3.在无人机目标跟踪控制问题中，绝大多数方法尚未考虑对存在被跟踪目标丢失情况下的无人机跟踪控制。一旦目标丢失，无人机将在目标丢失时刻位置悬停，直至目标再次被捕获。显然，这将大大影响跟踪性能，而且随着目标丢失时间的增长，这种悬停的方案将导致目标被捕获的概率越来越小。部分方法着力于目标丢失后的位置预测，以提供估计位置用以解算无人机跟踪控制的参考信号，但该方法仅适用于一些目标丢失时刻较短、运动状态变化随机性小的场景中。也有方法为传感器安装了云台，使得目标可以被锁定从而降低了目标丢失的概率，但该方法受限于云台及传感器的质量，难以适用于所有尺寸的无人机上。近年来也有基于模型预测控制的方法，在预测目标位置的同时规划无人机位置、姿态，但其所需算力过高。因此，目前亟需一种低算力的适用于无人机的目标暂失情况下的跟踪控制方案。
4.面向前述的低算力需求，部分方法基于状态反馈，利用切换系统框架对具有暂失目标情况的无人车等智能体的目标跟踪问题进行建模，根据目标是否丢失分别建立可测子系统和不可测子系统，将暂失目标的跟踪问题转化为了所建模的切换系统的镇定问题。通过确定最大目标不可测时长及最小目标可测时长，保证了系统的稳定性。然而，以上研究是在对每个子系统状态反馈控制器预先设计的基础上进行的，推导得出的子系统时间上下界条件只能用于系统的稳定性分析，所获得的稳定性条件并没有被合理的应用在控制器设计上。此外，已有基于切换系统框架的方法大多是针对无人车等全驱动控制系统的，无法直接应用在无人机这类的欠驱动系统上，针对常见无人机控制方案尚未考虑目标丢失现象，基于切换系统建模的低成本控制方法仅应用在稳定性分析上，已有方法的研究对象大多为全驱动系统等问题，本发明基于切换系统框架，提出一种具有稳定性保证的、低计算成本的、面向无人机欠驱动系统的切换控制方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法，包括如下步骤：
7.s1：初始化及跟踪坐标系建立；
8.s2：目标可测情况下无人机位置控制；
9.s3：目标不可测情况下的增益确定；
10.s4：目标不可测情况下位置控制；
11.s5：跟踪过程中的控制器增益更新；需要说明的是，上述步骤均在机载计算单元内实现，目标可测情况由无人机加载的传感器及测量算法判断，其余所有计算均为数值运算，保证了小计算量的无人机目标暂失情况下的跟踪控制。
12.优选的，所述步骤s1具体为：无人机接收地面操作人员给出的信息，包括目标的初始位置、速度，目标的最大速度，无人机所需与目标保持的相对位置、给定的最小可测时间及最大不可测时间，预设的可测子系统的位置控制器增益；构建机体坐标系、跟踪坐标系；调整无人机姿态使目标在传感器视野之内，使初始时刻及后续最小可测时间内目标位置是可测的，以保证有足够的时间完成相邻的不可测子系统的控制器增益的确定。
13.优选的，所述步骤s2具体为：根据步骤s1解算得到参考信号，在跟踪坐标系下计算无人机当前的跟踪误差，从而计算并记录跟踪系统能量；将无人机当前的位置跟踪误差带入位置环的状态反馈控制器中，得到所需控制输入以及姿态环的期望值，进而获得姿态环的控制输入；最终，实现无人机在目标可测情况下的位置控制，即可测子系统控制；其中无人机采用位置环和姿态环的双环控制方案，无人机动力学模型为
[0014][0015]
其中u1～u4为控制输入，可由无人机电机转速调整实现；x、y、z、θ、φ、ψ分别为对应坐标轴的水平位置与绕坐标轴旋转的姿态角，其参考信号分别用xd、yd、zd、θd、φd、ψd表示，在控制器设计与稳定性分析阶段，根据小角度定理可知，状态z、θ、φ、ψ可由u1～u4直接控制，状态x、y则需通过改变θ、φ的大小进行控制；采用双环控制方案可以将无人机的控制环具体分为姿态内环及位置外环，由外环位置误差确定内环姿态期望角度作为虚拟控制输入；
[0016]
对于内环姿态控制器，为保证其快速响应能力，采用有限时间滑模控制方法；以姿态θ为例，设计滑模面为其中e
θ
＝θ-θd，α、β、p、q均是正实数且p＜q，滑模面关于时间的导数可以计算为
[0017][0018]
根据滑模条件可设计等价控制器为
[0019][0020]
结合滑模控制中常用的趋近律，最终设计的基于有限时间滑模控制方法的姿态控制器为
[0021]
u2＝u
θ,eq-k sgn(s
θ
)
ꢀꢀ
(4)
[0022]
其中k为正实数，姿态控制器u3、u4的设计与u2相同；
[0023]
在位置控制方面，利用比例-微分控制进行控制器设计，具体为：首先设计高度控制器为其中：k
vz
、k
pz
为正实数，当高度达到稳态时u1恒为1；至此，无人机的4个控制输入设计完毕，对于欠驱动状态x和y，利用比例-微分控制思路设计虚拟控制输入
[0024][0025]
其中k
vx
，k
px
，k
vy
，k
py
均为正实数，从而通过无人机姿态的调整间接实现其位置控制。
[0026]
优选的，所述步骤s3具体为：根据步骤s2所记录的目标可测子系统能量初值，以保证相邻目标不可测子系统运行结束时系统能量小于当前可测子系统能量初值为目标，即保证每个切换阶段的稳定性，进行不可测子系统的控制器增益计算，选取能够保证无人机具有较大加速度的控制器增益记录备用；判断可测子系统运行时间是否超过给定的最小可测时间，一旦未达到给定的最小可测时间，视为无人机追踪过程中目标可测情况极差，需要人为介入控制；
[0027]
当目标不可测时，将利用预测器对目标状态进行预测，根据预测的目标位置获得预测的参考信号，记为此时，式(5)将转化为
[0028][0029]
定义系统误差为根据(5)、(6)可以基于切换系统框架建立无人机在x、y方向的闭环控制系统为
[0030][0031]
其中a、a
′
分别由(5)、(6)中的控制器增益构成，m由预测误差与控制器增益组成，是造成系统不稳定的原因，构造跟踪系统能量函数v＝0.5e
t
e，将可测子系统与不可测子系
统的能量函数分别用v(t)，v
′
(t)表示，有确定m的上界，则获得误差系数δ使得e
t
m≤δ||e||，那么跟踪系统能量函数满足如下不等式
[0032][0033]
其中，λ、λ
′
分别为系统矩阵a、a
′
的最大特征值；根据切换系统的稳定性判据，定义一个相邻的可测子系统和不可测子系统为一个切换阶段，求解令切换跟踪系统在一个切换阶段内能量下降的条件为
[0034][0035]
可知，当控制器增益满足(9)时，在当前切换阶段系统是能量下降的；其中，切换阶段能量初值v(0)由步骤s2确定，可以看出，对于任意的λ、λ
′
，随着切换阶段的不断推进，切换阶段初值将等于终值；那么，切换系统将是最终有界的，其最终界可由下式确定
[0036][0037]
显然，只要切换阶段能量初值大于系统最终界，那么切换系统在当前切换阶段的收敛就可以得到保证，即令
[0038][0039]
可以保证系统的动态过程的收敛；注意，此处也可令等式右边乘以一个衰减系数，使得收敛更快；在此步骤选取满足(11)的最大控制器增益，可以保证在目标相距较远时，即能量初值较大时，无人机具有较大加速度，使得其能够快速接近目标。
[0040]
优选的，所述步骤s4中一旦目标不可测，根据目标在前一个可测时间段内的运动状态进行不可测时间段内位置、速度预测，根据预测位置、速度生成参考信号，利用步骤s3中确定的控制器增益，进行与步骤s2相类似的基于状态反馈的无人机位置控制，判断不可测子系统运行时间是否达到给定的最大不可测时间，一旦超过给定的最大不可测时间，视为无人机追踪过程中目标可测情况极差，需要人为介入控制。
[0041]
优选的，所述步骤s5中当目标再次可测时，重复步骤s2、步骤s3、步骤s4中的工作流程；由于目标可测子系统能量初值是随着目标跟踪的进行不断变化的，那么不可测子系统的控制器增益将随着目标跟踪的进行不断更新，最终使每个切换阶段的稳定性都能得到保证，直至切换系统能量达到最终的能量上界。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在存在目标暂失情况的跟踪过程中具有以下优势：(1)无人机对目标的接近速度快，在保证跟踪系统稳定性的前提下选取了较大控制器增益，使得无人机具有大加速度，保证跟踪系统动态过程快速收敛性；(2)跟踪系统的稳态误差小，在切换系统框架下，所设计的具有稳定性保证的切换控制器，能够保证系统每个切换阶段的能量初值下降，直到跟踪系统的稳态误差达到最小；(3)计算复杂度低，在整个无人机暂失目标跟踪过程中，所设计切换控制器是基于状态反馈的，所设计参数求解方式只需要简单的数值计算，相较基于模型预测控制等的轨迹规划方法，算力节省效
果明显。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明暂失目标跟踪过程的无人机作业框架图；
[0045]
图2为本发明无人机双环控制框架；
[0046]
图3为本发明切换系统的能量最终有界性示意图；
[0047]
图4为本发明所设计tsmc控制器的状态响应图；
[0048]
图5为本发明所设计tsmc控制器跟踪跳变参考信号的误差图；
[0049]
图6为本发明对比实验中描述可测不可测情况的切换信号图；
[0050]
图7为本发明所设计的具有稳定性保证的切换控制器与传统控制器比较图；
[0051]
图8为本发明应用所设计切换控制器的无人机跟踪暂失目标的轨迹图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0054]
本发明提出的一种具有稳定性保证的暂失目标无人机切换控制方法按图1所示作业流程执行，主要包括初始化及跟踪坐标系建立、目标可测情况下无人机位置控制、目标不可测情况下的增益确定、目标不可测情况下位置控制、跟踪过程中的控制器增益更新五个步骤；执行上述步骤的跟踪控制方法可基于无人机机载计算单元实现，所解算得到的控制器输入由无人机电机转速调整实现，方案中各步骤的具体实施方式为：
[0055]
s1：初始化及跟踪坐标系建立；具体为：无人机接收目标初始位置/速度及最大速度、最小可测时间τ、最大不可测时间t的给定信息，调整自身姿态使目标进入传感器视野；在无人机作业过程中，其机体坐标系fb与自身固连，无人机的质心为机体坐标系原点，其左、前、上方向分别定义为x、y、z轴，跟踪过程中的跟踪坐标系根据初始时刻无人机机体坐标系的原点、方向建立，即跟踪坐标系f
t
原点在无人机质心初始位置、坐标轴方向分别对应初始时刻的无人机左、前、上三个方向。
[0056]
s2：目标可测情况下无人机位置控制；根据步骤s1解算得到参考信号，在跟踪坐标系下计算无人机当前的跟踪误差，从而计算并记录跟踪系统能量；将无人机当前的位置跟踪误差带入位置环的状态反馈控制器中，得到所需控制输入以及姿态环的期望值，进而获
得姿态环的控制输入；最终，实现无人机在目标可测情况下的位置控制，即可测子系统控制；其中无人机采用位置环和姿态环的双环控制方案，如图2所示，无人机动力学模型为
[0057][0058]
其中u1～u4为控制输入，可由无人机电机转速调整实现；x、y、z、θ、φ、ψ分别为对应坐标轴的水平位置与绕坐标轴旋转的姿态角，其参考信号分别用xd、yd、zd、θd、φd、ψd表示，在控制器设计与稳定性分析阶段，根据小角度定理可知，状态z、θ、φ、ψ可由u1～u4直接控制，状态x、y则需通过改变θ、φ的大小进行控制；采用双环控制方案可以将无人机的控制环具体分为姿态内环及位置外环，由外环位置误差确定内环姿态期望角度作为虚拟控制输入；
[0059]
对于内环姿态控制器，为保证其快速响应能力，采用有限时间滑模控制方法；以姿态θ为例，设计滑模面为其中e
θ
＝θ-θd，α、β、p、q均是正实数且p＜q，滑模面关于时间的导数可以计算为
[0060][0061]
根据滑模条件可设计等价控制器为
[0062][0063]
结合滑模控制中常用的趋近律，最终设计的基于有限时间滑模控制方法的姿态控制器为
[0064]
u2＝u
θ,eq-k sgn(s
θ
)
ꢀꢀ
(4)
[0065]
其中k为正实数，姿态控制器u3、u4的设计与u2相同；
[0066]
在位置控制方面，利用比例-微分控制进行控制器设计，具体为：首先设计高度控制器为其中：k
vz
、k
pz
为正实数，当高度达到稳态时u1恒为1；至此，无人机的4个控制输入设计完毕，对于欠驱动状态x和y，利用比例-微分控制思路设计虚拟控制输入
[0067][0068]
其中k
vx
，k
px
，k
vy
，k
py
均为正实数，从而通过无人机姿态的调整间接实现其位置控制。
[0069]
s3：目标不可测情况下控制器增益确定；根据步骤s2所记录的目标可测子系统能量初值，以保证相邻目标不可测子系统运行结束时系统能量小于当前可测子系统能量初值为目标，即保证每个切换阶段的稳定性，进行不可测子系统的控制器增益计算，选取能够保证无人机具有较大加速度的控制器增益记录备用；判断可测子系统运行时间是否超过给定的最小可测时间，一旦未达到给定的最小可测时间，视为无人机追踪过程中目标可测情况极差，需要人为介入控制；
[0070]
当目标不可测时，将利用预测器对目标状态进行预测，根据预测的目标位置获得预测的参考信号，记为此时，式(5)将转化为
[0071][0072]
定义系统误差为根据(5)、(6)可以基于切换系统框架建立无人机在x、y方向的闭环控制系统为
[0073][0074]
其中a、a
′
分别由(5)、(6)中的控制器增益构成，m由预测误差与控制器增益组成，是造成系统不稳定的原因，构造跟踪系统能量函数v＝0.5e
t
e，将可测子系统与不可测子系统的能量函数分别用v(t)，v
′
(t)表示，有确定m的上界，则获得误差系数δ使得e
t
m≤δ||e||，那么跟踪系统能量函数满足如下不等式
[0075][0076]
其中，λ、λ
′
分别为系统矩阵a、a
′
的最大特征值；根据切换系统的稳定性判据，定义一个相邻的可测子系统和不可测子系统为一个切换阶段，求解令切换跟踪系统在一个切换阶段内能量下降的条件为
[0077][0078]
可知，当控制器增益满足(9)时，在当前切换阶段系统是能量下降的；其中，切换阶段能量初值v(0)由步骤s2确定，可以看出，对于任意的λ、λ
′
，随着切换阶段的不断推进，切换阶段初值将等于终值；那么，切换系统将是最终有界的，其最终界可由下式确定
[0079][0080]
显然，只要切换阶段能量初值大于系统最终界，那么切换系统在当前切换阶段的收敛就可以得到保证，即令
[0081][0082]
可以保证系统的动态过程的收敛；注意，此处也可令等式右边乘以一个衰减系数，
使得收敛更快；在此步骤选取满足(11)的最大控制器增益，可以保证在目标相距较远时，即能量初值较大时，无人机具有较大加速度，使得其能够快速接近目标。
[0083]
s4：目标不可测情况下位置控制；一旦目标不可测，根据目标在前一个可测时间段内的运动状态进行不可测时间段内位置、速度预测，根据预测位置、速度生成参考信号，利用步骤s3中确定的控制器增益，进行与步骤s2相类似的基于状态反馈的无人机位置控制，判断不可测子系统运行时间是否达到给定的最大不可测时间，一旦超过给定的最大不可测时间，视为无人机追踪过程中目标可测情况极差，需要人为介入控制，其中，在本方案中，所采用的预测器为一阶保持器，即假定目标保持其丢失时刻的速度，对生成的预测位置进行追踪，采用的虚拟控制输入如式(6)所示，其控制器增益由式(11)确定；在此步骤中，判断不可测子系统运行时间是否超过给定最大不可测时间，一旦目标不可测时间过长，则视为此时可视条件极差，无人机将反馈可测条件差这一信息，等待下一步指令。
[0084]
s5：跟踪过程中的控制器增益更新；当目标再次可测时，重复步骤s2、步骤s3、步骤s4中的工作流程；由于目标可测子系统能量初值是随着目标跟踪的进行不断变化的，那么不可测子系统的控制器增益将随着目标跟踪的进行不断更新，最终使每个切换阶段的稳定性都能得到保证，直至切换系统能量达到最终的能量上界，其中，随着跟踪过程的不断进行，可测子系统、不可测子系统不断切换，每个切换阶段初值将不断下降，直到式(11)无解，即切换阶段初值等于终值，系统能量达到最终界；注意，如果所设计的控制器不变增益，即式(9)中λ
′
和λ将为常值，系统能量将达到一个固定的非最小的最终界；由于所提具有稳定性保证的控制器在每一个切换阶段都自动求解能够保证能量终值小于初值的控制器增益，所以应用该控制器，跟踪系统能量达到的最终界是最小的，可以达到最好的稳态跟踪效果。
[0085]
本发明一种使用状态为：采用无人机的非线性模型式(1)，搭建如图2所示的无人机双环控制系统，采用的姿态控制器参数设为α＝3，β＝0.5，p＝9，q＝10，k＝1，其状态响应及跟踪切换的参考信号情况如图4、图5所示，可见其能迅速收敛到参考值；目标可测及不可测情况持续时间随机生成：最大不可测时间t＝4，最小可测时间τ＝3(见图6，其中可测与不可测情况对应的切换信号值分别为0和1)；无人机保持初始航向及高度追踪目标，目标作变速运动(见图8)；
[0086]
在本次仿真中共应用三个位置控制器，分别记为控制器
①
、
②
、
③
；在目标可测时，三个控制器增益相同，设为k
px
＝k
py
＝0.015，k
vx
＝k
vy
＝0.45，在目标不可测时，控制器
①
为所设计的具有稳定性保证的切换控制器，其增益由式(11)确定；控制器
②
为一次切换的切换控制器，在目标不可测情况下增益为0；控制器
③
为无稳定性保证的非切换控制器，其增益与目标可测情况相同；
[0087]
应用以上控制器的无人机追踪暂失目标所获得的系统能量变化如图7所示，可以看出相较一次切换的切换控制器，所设计的具有稳定性保证的切换控制器可使跟踪系统在暂态过程中收敛速度更快；相较无稳定性保证的非切换控制器，其可使跟踪系统稳态误差更小；应用所设计的具有稳定性保证的切换控制器的无人机轨迹及目标轨迹如图8所示，应用所提控制器，无人机能够有效的在目标暂失情况下跟踪目标。
[0088]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0089]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。