ISB-NMPC: Interception-Oriented Spherical-Bearing Nonlinear Model Predictive Control for Quadrotors

📄 arXiv: 2610.34789v1 📥 PDF

作者: Li Hong, Linkai Liu, Xiangyu Ren, Shuli Lv, Chen Min, Chunjiang Wu, Yujun Zhang, Dingchen Zeng, Quan Quan

分类: cs.RO

发布日期: 2026-10-26

备注: 9 pages, 10 figures, and 1 table. Submitted to IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

🔗 代码/项目: GITHUB | GITHUB

💡 一句话要点

提出ISB-NMPC以解决四旋翼无人机拦截目标的可视性与机动性冲突问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 四旋翼无人机 非线性模型预测控制 目标拦截 球面测距 扩展卡尔曼滤波器 动态目标追踪 无人机防御

📋 核心要点

  1. 现有方法在四旋翼无人机拦截过程中，面临目标可视性与机动性之间的矛盾，难以实现高效拦截。
  2. 论文提出的ISB-NMPC方法通过结合球面测距预测与四旋翼非线性动力学，优化目标接近与可视性。
  3. 实验结果显示，ISB-NMPC在30次仿真试验中实现了86.7%的拦截成功率，且目标可视时间平均达到99.11%。

📝 摘要（中文）

配备惯性相机的四旋翼拦截器为物理对抗未经授权的无人机提供了一种低成本解决方案。然而，这种配置固有地将飞行器的机动与相机的指向耦合，导致快速接近与保持目标可视性之间的冲突。本文提出了一种拦截导向的球面测距非线性模型预测控制（ISB-NMPC），将球面测距预测与四旋翼的非线性动力学相结合，优化目标导向的接近运动和可视性。在S^2上的姿态补偿扩展卡尔曼滤波器估计目标的测距运动，补偿感知延迟并预测目标测距，以指导尺度自适应检测。在30次配对仿真试验中，ISB-NMPC的拦截成功率达到86.7%，是评估的控制器中最高的，平均每次试验的目标可视时间为99.11%。户外飞行演示在约150米处成功获取30厘米的目标，拦截器速度在长距离飞行中达到17米/秒，在追踪四旋翼拖曳的机动目标时约为14米/秒。软件和硬件均已开源。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决四旋翼无人机在拦截过程中，目标可视性与机动性之间的冲突问题。现有方法往往无法有效平衡这两者，导致拦截效率低下。

核心思路：ISB-NMPC方法通过将球面测距预测与四旋翼的非线性动力学相结合，设计了一种新的控制策略，旨在同时优化目标接近速度和目标的可视性。

技术框架：该方法的整体架构包括目标运动的估计、非线性动态模型的建立以及基于模型预测控制的优化过程。主要模块包括姿态补偿的扩展卡尔曼滤波器和非线性模型预测控制器。

关键创新：ISB-NMPC的核心创新在于将球面测距预测与四旋翼的动力学模型相结合，形成了一种新的控制策略，显著提高了拦截成功率和目标可视时间。与传统方法相比，该方法在处理目标运动时更具适应性和准确性。

关键设计：在设计中，采用了姿态补偿的扩展卡尔曼滤波器来估计目标的测距运动，并设置了适应性的检测尺度，以应对感知延迟和动态目标的变化。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，ISB-NMPC在30次仿真试验中实现了86.7%的拦截成功率，显著高于其他评估的控制器。同时，平均每次试验的目标可视时间达到99.11%，展示了该方法在实际应用中的优越性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括无人机防御系统、空域安全监控以及无人机编队作战等。通过提高拦截效率和目标可视性，ISB-NMPC能够在实际应用中显著提升无人机对抗未经授权飞行器的能力，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

Quadrotor interceptors equipped with strapdown cameras offer a low-cost solution for physically countering unauthorized UAVs. However, this configuration inherently couples vehicle maneuvering and camera pointing, creating a conflict between rapid closing and maintaining target visibility. We present interception-oriented spherical-bearing nonlinear model predictive control (ISB-NMPC), which couples spherical-bearing prediction with nonlinear quadrotor dynamics to jointly optimize target-directed closing motion and visibility. An attitude-compensated extended Kalman filter on S^2 estimates target bearing motion, compensates for perception delay, and predicts target bearings to guide scale-adaptive detection. Across 30 paired simulation trials, ISB-NMPC achieves an interception success rate of 86.7%, the highest among the evaluated controllers, with a mean per-trial target-visible time of 99.11%. Outdoor flights demonstrate acquisition of a 30 cm target at approximately 150 m, with interceptor speed reaching 17 m/s in the long-range flight and approximately 14 m/s while pursuing a quadrotor-towed maneuvering target. The software and hardware are open source at https://github.com/HOLYNOTBAD/ISB-NMPC and https://github.com/HOLYNOTBAD/holydrone, respectively.