本发明涉及一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法。
背景技术：
1、无人机，即无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。近几年来，随着无人机行业的逐渐成熟，无人机的生产成本大大降低，各行业对于民用无人机的需求与日俱增，同时以大疆为代表的无人机企业的推广，使得无人机在生活中的普及程度越来越高。但是在人们感受到便捷的同时，也面临着各种不安定因素的影响。比如黑飞无人机侵入机场、防空识别区，对航空航天安全造成了严重影响。无人机本身具有一定载荷，稍加改装就可以成为攻击性武器，严重威胁到公共安全。因此，在低空空域对无人机进行技术反制是一种迫切的社会需求。
2、在低空空域可通过用发射网枪缠绕住被捕无人机的螺旋桨使其达到迫降的目的。目前来说对于网枪有两种形式，一种是在地面发射，另一种是搭载在无人机上。在地面上通常是由人手持或者装置固定在地面上通过计算机辅助瞄准，进行对无人机的捕捉，由于网枪喷网的有效射程导致其捕捉范围小。市面上将网枪搭载在无人机上的多是不可调节角度，捕捉范围受限在固定角度，且击发之后要补充弹药，需将网枪从无人机上拆卸。
3、非法无人机大多采用小型无人机，它的机动性很强，能迅速抵达并发动攻击，使用后撤回迅速。由于无人机的小型化和高机动性，在发现非法无人机入侵后，难以进行有效的制止和打击。因此目前需要一种能对非法无人机迅速做出反制的方法。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，能够在低空空域对非法无人机实现抓捕。
2、本发明所采用的技术方案是：
3、一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，包括基于信息增益的非线性运动估计和具有终端约束和过程约束的轨迹规划方法：
4、终端约束包括：①距离约束：目标无人机应落在由安保无人机的网枪决定的锥形作业范围内，保证抓捕的成功率，即||pp-pe‖≤dmax；②过程约束：包括旋翼无人机执行高机动目标抓捕任务过程中的旋翼控制力及调速的饱和约束，其在轨迹规划中体现在运动学约束，包括速度v∈[vmin，vmax]，加速度a∈[amin，amax]，加加速度j∈[jmin，jmax]。
5、由于机载传感器观测与目标位置存在高度的非线性关系，采用基于信息增益的改进扩展卡尔曼滤波器对接近情况下的非法无人机进行位置和速度估计，机载传感器的非线性观测模型为：
6、zk＝h(xk)+vk；
7、为了处理机载传感器对目标的间断性测量问题，建立一种改进的高斯噪声
8、
9、其中，σ→∞，有限协方差r>0，离散指示函数为机载传感器的有效探测区域，可近似表示为凸包：ax≤b。
10、当通过改进扩展卡尔曼滤波器估计得到目标状态后，根据安保无人机当前状态、终端状态约束以及运动学约束，建立两点边界值优化问题：
11、min j＝||vq-ve||2+λtr(pk)
12、其中和分别表示安保无人机与非法无人机的速度，tr(pk)表示协方差矩阵pk的迹，约束项包含无人机当前状态和终端位置约束pq∈s，s表示有效抓捕区域，对二值变量γk做近似处理，当距离越近且越靠近机载传感器中轴线时γk→1，反之γk→0。
13、得到非法无人机的方位信息之后，通过算法将安保无人机调整到合适位置，利用网枪对非法无人机进行抓捕。
14、进一步的，所述安保无人机包括无人机、通过平铰链安装在无人机上的顶板、设置在顶板上的网枪以及用于使网枪激发的激发装置，在顶板与无人机之间设置有推杆，在顶板的前方设有机载传感器。
15、进一步的，在顶板的顶部相对设有两个侧板，在网枪的左右两侧固定安装有枪滑，在侧板上设置有与枪滑相适配的滑槽，枪滑安装在滑槽内，在枪滑与滑槽之间设置有限位装置。
16、进一步的，所述限位装置包括固定安装在枪滑上的波子螺丝，在滑槽的侧壁上设置有与波子螺丝对应的限位孔。
17、进一步的，在滑槽的前方设有导向槽。
18、进一步的，所述激发装置包括固定安装在顶板上的固定板以及安装在固定板上的舵机，在舵机的输出轴上设有摇臂，所述网枪的激发按钮朝向且与摇臂相对应。
19、进一步的，所述机载传感器为双目相机，无人机为旋翼无人机。
20、本发明的积极效果为：
21、本发明将末端的非法无人机抓捕问题建模成一个基于信息增益的非线性运动估计和具有终端约束和过程约束的轨迹规划问题，采用基于信息增益的改进扩展卡尔曼滤波器对接近情况下的非法无人机进行状态估计(包括位置、速度)，增强状态估计的稳定性。本发明的轨迹规划采用的离线状态空间约束基元采样和在线轨迹优化的方法，因此生成的飞行轨迹必然满足无人机自身运动学约束，得到非法无人机的方位信息之后，便可有效对其进行抓捕，做出反制。
1.一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于包括基于信息增益的非线性运动估计和具有终端约束和过程约束的轨迹规划方法：
2.根据权利要求1所述的一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于所述安保无人机包括无人机(1)、通过平铰链安装在无人机(1)上的顶板(2)、设置在顶板(2)上的网枪(5)以及用于使网枪(5)激发的激发装置，在顶板(2)与无人机(1)之间设置有推杆(3)，在顶板(2)的前方设有机载传感器(7)。
3.根据权利要求2所述的一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于在顶板(2)的顶部相对设有两个侧板(4)，在网枪(5)的左右两侧固定安装有枪滑(6)，在侧板(4)上设置有与枪滑(6)相适配的滑槽(10)，枪滑(6)安装在滑槽(10)内，在枪滑(6)与滑槽(10)之间设置有限位装置。
4.根据权利要求3所述的一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于所述限位装置包括固定安装在枪滑(6)上的波子螺丝，在滑槽(10)的侧壁上设置有与波子螺丝对应的限位孔(11)。
5.根据权利要求4所述的一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于在滑槽(10)的前方设有导向槽(12)。
6.根据权利要求2所述的一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于所述激发装置包括固定安装在顶板(2)上的固定板(13)以及安装在固定板(13)上的舵机(8)，在舵机(8)的输出轴上设有摇臂(9)，所述网枪(5)的激发按钮朝向且与摇臂(9)相对应。
7.根据权利要求2所述的一种安保无人机的非线性运动估计和轨迹规划方法，其特征在于所述机载传感器(7)为双目相机，无人机(1)为旋翼无人机。
