无人机运动轨迹跟踪系统的设计研究

关键词：无人机；轨迹跟踪系统；北斗通信

中图分类号：TP273；TN99；V249.1 文献标识码：A

0 引言

无人机在大多数场合都需要沿期望轨迹连续、准确地飞行，但传统的控制方法很难达到这种效果，因此自动准确地跟踪和管理飞行轨迹的能力是无人机的必备技能。由于无人机具有非线性、前驱动、强耦合等特性，传统的控制方法难以实现动态性能指标[1]。北斗通信系统由空间段、陆地段和用户段组成，为全球用户提供定位和导航服务，具有高精度传输和通信能力。为了有效应对外部环境扰动和自参数不确定性对无人机的影响，本文设计了基于北斗的新型无人机运动轨迹跟踪系统。

1 基于北斗通信技术的协议格式定义

1.1 业务数据报文

业务数据报文即无人机轨迹数据协调报告。在北斗通信中，由于相邻节点距离小，数据包的收集面临一定的挑战。在实际应用场景中，为确保系统运行顺畅与准确，北斗短报文设备与轨迹控制主机的配置数量需保持一致。无人机路线数据传输单一，仅由数据库主机对这些数据进行存储，因此存储过程必须遵循业务数据报文规范。

1.2 运维报文

在无人机轨迹跟踪控制系统的构建与运作过程中，运维报文作为该系统的核心要素，对保障系统通信数据的传输能力具有至关重要的作用。在明确既定数据消息传输起始点与终止点的前提下，运维报告中的数据参数数量与其对实时传输通信信息能力的强化效果，呈现显著的正相关关系。初始通信位置决定了操作参数和维护报告的最低规范条件[2]。在北斗通信技术的支持下，每架无人机运行轨迹的起始点均被严格设定为传输运维报告的首要基准坐标。此外，关于传输终止位置的确定，信息报文的最终传输点成为划定运维报文数据参量最大限定条件的关键参照点。这得益于北斗通信技术的精准应用，工作人员能够精确识别并标记无人机轨迹中每日的关键节点，进而将其设定为运维报文传输的终止位置。

1.3 通知协商报文

通知协商报文是明确阐述无人机控制系统与运动终端之间所采用的身份协商通信协议。经过对比与分析，相较于运维报文，通知协商报文在集成北斗通信能力方面展现出更为卓越的性能。通知协商报文利用加密技术处理飞行轨迹数据，恢复主机中控关键节点，并基于北斗通信节点，实时确定飞行路径数据传输位置。表1 为报文协议格式对比。

2 无人机运动轨迹跟踪系统模型设计

2.1 无人机系统结构

本文设计的无人机系统结构中，电机为螺旋桨提供驱动力，确保其高速旋转。电源被激活后，状态指示灯持续亮灯，相机记录无人机运动轨迹，并通过北斗通信将轨迹信息实时传输至控制系统。当电机供电效能减弱时，螺旋桨自动调节适配电池剩余能量。天线接收并识别北斗通信数据，并且传递至Micro 主机。桨叶保护罩负责保护螺旋桨且提供支撑。开源控制器用于确立无人机运动扩展模块与控制系统的通信机制。北斗通信节点布局影响无人机系统结构间的连接与交互。

3 系统主控结构

无人机运动轨迹跟踪控制系统架构如图1 所示。

3.1 全驱运动结构

在无人机运动轨迹跟踪系统中，动力信号控制器是关键。全驱运动结构可以根据节点模式实时调整轨迹并预测路径，将数据文件安全传送至控制中心，制定操作指令并监控飞行路径[3]。采用LANC2与SGF65C 芯片负责实时调试，PG863J 芯片则主要负责调节系统控制主机与无人机运动轨迹节点之间的跟踪匹配关系。RL611 与Pr4 ～ Pr7 设备确保稳定连接，动态确定节点状态，保障安全飞行。

3.2 自适应控制器

自适应控制器以控制芯片为主要应用结构，其可以录入无人机速度、轨迹节点坐标、通信数据参数等数据，对这些数据进行精确处理并生成可执行命令文件。关键数据参数将直接存储于系统数据库主机[4]。如图2 所示，主供应电路负责生成信号并传输至控制芯片，经由变换器生成稳定电流通信信号。核心信号参数集成至控制芯片，创建了标准化输出文件，实现了北斗通信主机稳定操作和功能恢复。关键参数需严格满足北斗通信技术要求，确保无人机运动轨迹的精准跟踪控制。

3.3 姿态调节器

姿态调节器已全面融入无人机运动轨迹监测系统的重要子模块中。这些子模块肩负精确记录无人机运动行为的重任，并通过核心控制主机的深入分析，详细考察飞行路径上通信节点的布局。为确保通信的稳定性和可靠性，构建控制系统组件与控制主机之间的通信机制，必须严格遵循北斗通信技术的核心准则。此外，在无人机飞行轨迹监测系统中，姿态调节器结构的切换行为始终受到输入电路核心部件精准、严密的监控与控制，以确保无人机飞行的稳定性和安全性。

无人机通信节点的早期存储工作也需遵循相关规范，确保系统的稳定运行和数据准确性，使控制主机可以充分利用运动柜机。目前，该控制系统制定的运动轨迹跟踪指令能够较好地满足实际应用的要求。

3.4 轨迹追踪器

轨迹追踪器负责记录无人机运动，实现通信节点重排。基于北斗通信技术，系统主机能够直接记录追踪器数据，确保轨迹节点数据准确[5]。通过调整软硬件条件，实现无人机运动轨迹跟踪控制系统的顺利运行。

4 系统仿真分析

在无人机的飞行轨迹中，滚转角、俯仰角和偏航角是3 个不同的观测角度。如果通过控制主机获得的3 个观测角度的监测结果与无人机的实际轨迹一致，则能够判定控制主机可以对无人机的运动轨迹进行准确的监测和控制；如果从任何一个观测角度观察到的结果与无人机的轨迹之间存在显著差异，则判定控制主机无法准确跟踪和控制无人机的整个行进轨迹。通过运用基于北斗通信技术的无人机运动轨迹追踪控制系统，对中控主机实施干预，作为实验组；采用基于自适应积分反步法的应用系统，对中控主机实施干预，作为对照组。

4.1 滚转角跟踪结果分析

滚转角跟踪结果的初始坐标设定为（0，554），在实验过程中，实验组无人机的运动轨迹与实际飞行轨迹保持了高度的一致性；对照组无人机的运动轨迹在横纵坐标上显示出持续的波动，其整体变化趋势与实际飞行轨迹不符，且两种轨迹之间存在显著差异。

4.2 俯仰角跟踪结果分析

俯仰角跟踪从（0，0）开始。实验组无人机运动轨迹与实际轨迹吻合，追踪性能良好；对照组无人机运动轨迹波动显著，与实际轨迹的差异较为明显。

4.3 偏航角跟踪结果分析

偏航角跟踪结果的初始坐标设定为（0，263），在实验过程中，实验组无人机的运动轨迹与实际运动轨迹保持了良好的一致性；当横坐标数值为100 ～ 300 时，对照组无人机的实际运动轨迹与预期轨迹相吻合，但是从整体视角来看，相较于实验组，对照组与实际轨迹的吻合程度较差。

5 结论

综上，本文研究了无人机运动轨迹控制系统的设计，针对无人机非线性、强耦合等特点，提出了一种基于北斗通信技术的无人机运动轨迹跟踪控制方法，定义了协议文件连接形式，构建了无人机动力学模型。实验结果表明，该控制系统运行良好，控制主机具有很强的实用性，支持通过主机组件对无人机的整条行进轨迹进行准确追踪与控制。