CN104914875A - 一种多飞行设备协同飞行的控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多飞行设备协同飞行的控制方法及控制装置，该控制方法包括：1)、对飞行设备所在的空域进行空间建模；2)、对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；3)、对飞行设备的航道轨迹进行预处理，预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；4)、分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；如果有冲突，则对飞行设备的航道轨迹重新预处理，如果没有冲突，执行下一步；5)、将预处理的航道轨迹，转换成飞行设备能够执行的飞行命令。因此，可以在空域中预先定义各飞行设备的航道轨迹，避免了人工操作产生的不确定性和不协调性。

Description

一种多飞行设备协同飞行的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种飞行设备飞行轨迹控制的技术领域，尤其涉及一种多飞行设备协同飞行的控制方法及控制装置。

背景技术

随着电子科学技术的进步和计算机工业水平的发展，无人飞行设备逐步进入人们的生活领域，比如在一些拍摄、物品传递、飞行表演等场合，就经常需要无人飞行设备来执行相应的任务。

例如，中国专利申请号为CN201410127664.4的专利申请中，公开了一种无人飞行器室内定位与环境建模方法，可以对无人飞行器进行飞行轨迹与定位，并快速绘制室内三维环境模型；具体地：通过构建无人飞行器的操作平台和操作方法，利用其上搭载的RGB-D传感器对数据进行收集，并采用视觉测程法对无人飞行器在室内飞行的飞行轨迹及位置进行估计，采用扩展的卡尔曼滤波算法得到更为准确的飞行器飞行轨迹及位置。进一步，利用无人飞行器与地面通信装置的数据传输功能使其将机上传感器收集信息实时反馈给地面操作人员，并利用计算机三维数据显示方法对收集数据进行计算、处理与室内三维环境建模与显示。

另一份中国专利申请号为CN201410221759.2的专利申请中，公开了一种无人飞行器对地面目标运动轨迹预测的装置及其方法，其中，移动目标数据采集模块通过无人飞行器的机载装置中的机载传感器系统采集地面移动目标的数据；移动目标数据处理模块将地面移动目标轨迹三维极坐标换算成三维直角坐标，并对目标轨迹数据进行标准化处理后进行分析预测；移动目标轨迹生成模块调用预测方法库中的地面移动目标轨迹预测的方法，对移动目标的轨迹标准化数据进行分析预测，并生成预测结果；移动目标轨迹推荐模块结合标准化数据和预测结果计算出当前移动目标轨迹预测结果的推荐度；这样可有效的预测地面移动目标的轨迹、为无人机任务规划系统提供可靠信息等优点。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中的飞行设备通常都是单台飞行设备单独工作的方式，但是对于一些仪式、庆典活动、飞行表演中，需要使用多个飞行设备同时飞行，才能在三维空间的范围内营造出一些特定的功能和效果。为了达到多飞行设备同时飞行，通常采用的方案是：1、单人控制多个飞行设备，2、多个人分别控制不同的飞行设备。但是对于第1种情况，会受限于单人发出指令的能力，所以只可能将拍成队列的多个飞行设备发出同样的指令，此时的多个飞行设备只能简单的队列排布，并不能达到理想的飞行效果；对于第2种情况，又会受限于不同人的控制能力和手眼反应速度不一致性，导致飞行设备接收控制指令的同步率受到影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的多飞行设备不能达到理想飞行效果的技术问题，本发明提供了一种提高飞行设备视觉冲击力、具有很好协同飞行效果的多飞行设备协同飞行的控制方法及控制装置。

本发明提供的技术方案是：

一方面，提供一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，包括：

1)、选定空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；

2)、对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；

3)、对飞行设备的航道轨迹进行预处理，所述预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；

4)、根据步骤3)中航道轨迹预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；如果有冲突，则对飞行设备的航道轨迹重新预处理，如果没有冲突，执行下一步；

5)、将步骤3)中航道轨迹预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令，所述飞行命令至少包括飞行设备的飞行速度，飞行加速度，飞行时间中的一种。

因此，可以在空域中预先定义各飞行设备的航道轨迹，并且增加了航道轨迹冲突判断的步骤，确保飞行设备彼此不会碰撞；而且将预先定义的航道飞行轨迹转换成飞行设备可以执行的飞行命令；能够避免了人工操作产生的不确定性和不协调性。

优选地，所述控制方法还包括：6)、将所述飞行命令注入到飞行设备控制器中，控制飞行设备执行所述飞行命令；并且所述飞行命令中的飞行速度和飞行加速度都是矢量参数。这样可以让飞行设备自动执行飞行命令，从而更好地实现多飞行设备的复杂协同飞行效果。

优选地，所述步骤3)和步骤4)之间还包括：

判断飞行设备是否能够按照预处理的航道轨迹进行飞行的步骤，如果能，就进入步骤4)，如果不能，回到步骤3)重新对航道轨迹进行预处理。

优选地，所述步骤3)对所述航道轨迹进行预处理时，需要在预定的条件下进行，所述预定条件包括预处理的参数对应飞行设备执行飞行命令时，不能超过飞行设备的最大飞行速度和最大飞行加速度。因此，可以提前直接将航道轨迹设置成飞行设备能够完成飞行的路线，提高控制方法的效率。

优选地，所述步骤3)中需要同时对至少两个航道轨迹进行预处理。

优选地，所述步骤3)先对第一飞行设备的第一航道轨迹进行预处理，然后执行步骤4)和步骤5)；再对第二飞行设备的第二航道轨迹进行预处理，然后执行步骤4)和步骤5)；并且对不同飞行设备按照依此顺序规划航道轨迹。

优选地，步骤3)中航道轨迹预处理可以采用打点的方式对航道轨迹进行规划，需要打的点包括飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点，并且在航道轨迹中可以插入预先设置需要完成的飞行动作。

优选地，所述飞行动作包括让飞行设备处于停留状态和处于翻转状态。

优选地，可以按照预定的策略，将所述飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点自动连接成航道轨迹。

优选地，所述步骤4)之后，还包括对预处理后的航道轨迹进行仿真，并判断仿真的效果是否达到预期的效果；如果没有达到预期的效果，则返回至步骤3)，重新对航道轨迹预处理，如果达到了预定的仿真效果，则执行步骤5)。

因此，根据仿真效果来判断是否符合预期的要求，可以减少因为不能预知飞行设备飞行的效果，而造成不必要的损失。

另一方面，本发明还提供一种多飞行设备协同飞行的控制装置，其特征在于，包括：

空间建模单元，可以根据空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；

飞行设备建模单元，可以对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；

航道轨迹规划单元，可以对飞行设备的航道轨迹进行预处理，所述预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；

航道轨迹冲突分析单元，根据所述航道轨迹规划单元中预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；

飞行执行转换单元，可以将所述航道轨迹规划单元中预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令，所述飞行命令至少包括飞行设备的飞行速度，飞行加速度，飞行时间中的一种和持续飞行时间。

优选地，所述多飞行设备协同飞行的控制装置还设置有航道轨迹演示单元，所述航道演示单元可以对所述航道轨迹规划单元中预处理的航道轨迹进行仿真。

优选地，所述飞行命令中的飞行速度和飞行加速度都是矢量参数。

因此，采用上述技术方案，可以在空域中预先定义各飞行设备的航道轨迹，避免了人工操作产生的不确定性和不协调性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种多种飞行设备协同飞行控制方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种多种飞行设备协同飞行控制装置的方框图；

图3为本发明实施例二提供的一种多种飞行设备协同飞行控制方法的流程图；

图4为本发明实施例三提供的一种多种飞行设备协同飞行控制方法的流程图；

图5为本发明实施例三提供的一种多种飞行设备协同飞行控制装置的方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种多飞行设备协同飞行的控制方法，包括：

S1、空间建模

选定空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；其中，空间坐标系的选择可以选择但不限于GPS坐标系或者相对坐标系，但是不管采用哪种具体的坐标系，都需要对空域中影响飞行的障碍物进行建模，例如空域中的建筑物、室内的灯、家具等。

S2、飞行设备建模

对飞行设备的大小和飞行参数进行建模，包括但是不限于以下内容：1、飞行设备的物理三维尺寸，2、飞行设备的最大线速度、最大加速度、最大角速度、最大角加速度，3、飞行设备的最大高度、最大升降速度，4、飞行设备悬停及飞行控制精度，5、最大倾斜角度等。

S3、航道轨迹预处理

对飞行设备的航道轨迹进行预处理，预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；主要目的是生成每个飞行设备各自的航道轨迹信息，每条航道轨迹信息除了空间坐标信息以外，还有到达每个点的时间信息，以供产生飞行指令时对飞行设备的速度和加速度等参数进行自动计算，具体航道轨迹的生成办法，可以灵活采用以下多种方式中至少一种：

1、可以采用打点的方式来进行航道轨迹规划，需要标记起点和终点以及航道轨迹中的关键点，关键点优选地是速度方向和加速度方向发生变化的点，每个航道轨迹点除了坐标信息以外还需标记从开始到飞行至该点的时间信息；并根据每个航道轨迹点的空间和时间信息按照不同策略(例如，线性插值，多项式插值，直线匀速，直线均匀加速等)自动补齐航道轨迹。

2、可以在航道轨迹中插入数据库中事先规划好的固定复杂动作，比如飞行时间为10秒的一个翻滚动作。

3、对航道轨迹中的飞行设备姿态进行编辑，如倾斜，翻转等。

优选地，可以采用打点的方式对航道轨迹进行规划，需要打的点包括飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点，并且在航道轨迹中可以插入预先设置需要完成的飞行动作，飞行动作包括让飞行设备处于停留状态和处于翻转状态；并且可以按照预定的策略，将飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点自动连接成航道轨迹。

优选地，步骤S3对航道轨迹进行预处理时，需要在预定的条件下进行，预定条件包括预处理的参数对应飞行设备执行飞行命令时，不能超过飞行设备的最大飞行速度和最大飞行加速度。即，在步骤S3进行预处理的时候，就要考虑规划航道轨迹中的位置参数、时间参数，飞行设备能不能按照执行飞行命令，比如规划一个匀速飞行路线，第一个点的位置是(X1，Y1，Z1)，时间是T1，第二点位置是(X2,Y2,Z2)，时间是T2，这样提前满足：

$V\max >\sqrt{{(X2-X1)}^2+{(Y2-Y1)}^2+{(Z2-Z1)}^2}/(T2-T1)$

因此，不需要单独的步骤去校验飞行设备能不能执行。

S4、判断航道信息是否有冲突

根据步骤S3中预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；如果有冲突，则对飞行设备的航道轨迹重新预处理，如果没有冲突，执行下一步；主要是将生成的多条航道轨迹以及相应的飞行设备模型参数导入到事先建立的空间模型中，根据飞行轨迹结合时间点信息对下列三种冲突中至少一种进行分析：

1、规划的航道轨迹是否和空间中已有的妨碍飞行的物体冲突，例如，规划的航道轨迹与空域中是否存在的障碍物重叠。

2、规划的航道轨迹是否超过飞行设备已有的飞行指标，例如，结合航道轨迹和时间点信息，分析完成航道轨迹的飞行速度是否已经大于飞行器的最大飞行速度/飞行加速度是否已经大于飞行器的最大飞行加速度。

3、规划的多条航道轨迹彼此是否存在冲突，例如，在同一时间点，是否有一个以上的飞行器在同一地点出现。

S5、转换飞行命令

如果步骤S4中航道轨迹没有冲突时，将步骤S3中预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令，飞行命令至少包括飞行设备的飞行速度，飞行加速度，飞行时间中的一种；并且飞行速度和飞行加速度都是矢量参数。具体地：根据航道轨迹中关键点的空间坐标信息和时间信息，计算需要的飞行高度，速度，加速度，姿态，并根据规定的策略转换成相应的飞行指令；例如，当前点为(X0,Y0,Z0),当前时间为T0,当前速度为V0,下一个目标地点为(X1,Y1,Z1),到达时间为T1,用户选择采用的策略是均匀加速，则可以相应算出需要的加速度a以及飞行方向。

优选地，步骤S3中需要同时对至少两个航道轨迹进行预处理。

如图2所示，实施例一还提供一种多飞行设备协同飞行的控制装置1，包括：

空间建模单元1，可以根据空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；

飞行设备建模单元2，可以对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；

航道轨迹规划单元3，可以对飞行设备的航道轨迹进行预处理，预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；

航道轨迹冲突分析单元4，根据航道轨迹规划单元中预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；

飞行执行转换单元5，可以将航道轨迹规划单元中预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令，飞行命令至少包括飞行设备的飞行速度，飞行加速度，飞行时间中的一种。

采用本实施例中的技术方案，可以获取以下有益效果：

1、可以在空域中预先定义各飞行设备的航道轨迹，并且增加了航道轨迹冲突判断的步骤，确保飞行设备彼此不会碰撞；而且将预先定义的航道飞行轨迹转换成飞行设备可以执行的飞行命令；能够避免了人工操作产生的不确定性和不协调性。

2、在预定的条件下对航道轨迹进行预处理，可以提前直接将航道轨迹设置成飞行设备能够完成飞行的路线，提高控制方法的效率。

3、采用打点的方式对航道轨迹进行规划，可以更准确地规划航道轨迹；并且将飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点自动连接成航道轨迹，可以更快速地预处理航道轨迹。

实施例二

如图3所示，实施例二在实施例一的基础上做了如下改进：

一、在实施例一通过步骤S1～S5来执行规划飞行设备航行轨道的基础上，进一步地增加了步骤S3’：

判断飞行设备是否能够执行飞行命令，如果能，就进入步骤S4，如果不能，回到步骤S3重新对航道轨迹进行预处理。

增加了让飞行设备执行预定义的飞行命令S6：

将飞行命令注入到飞行设备控制器中，控制飞行设备执行飞行命令。这样可以让飞行设备自动执行飞行命令，并且所述飞行命令中的飞行速度和飞行加速度都是矢量参数；从而更好地实现多飞行设备的复杂协同飞行效果。具体地：各在飞行设备中有预编程飞行航道轨迹的存储模块，并且各飞行设备能够识别从步骤S5中生成的飞行指令对应的文件格式，这样将多个飞行设备放置在预定起点，同时通过读取、执行各自预编程的飞行指令，就可以完成协同飞行的效果。

需要说明的是，飞行命令还可以是非适量参数，例如离散的记录连续控制器指令格式的飞行命令。

优选地，对不同飞行设备按照依此顺序规划航道轨迹，即步骤S4先对第一飞行设备的第一航道轨迹进行预处理，然后执行步骤S4和步骤S5；再对第二飞行设备的第二航道轨迹进行预处理，然后执行步骤S4和步骤S5；依次重复规划下一个飞行设备的航道轨迹。

采用本实施例中的技术方案，可以获取以下有益效果：

1、增加步骤S3’,当步骤S3中规划的航行轨道超过飞行设备的能力时，可以快速地重新规划航道信息，避免到了到后续控制流程快要结束时才发现飞行设备不能执行飞行任务，而浪费处理流程

2、飞行命令中的飞行速度和飞行加速度都是矢量参数，可以让飞行设备更加高效地执行飞行命令。

3、对不同飞行设备按照依此顺序规划航道轨迹，可以在第一次规划好一个航道轨迹后，第二次出现需要增加飞行设备的时候，可以在第一次基础上直接改进，不需要从零开始；节省时间。

实施例三

如图4所示，实施例三提供的一种多飞行设备协同飞行的控制方法包括：

S10，开始；

S11，空间建模；

S12，飞行设备建模；

S13，飞行设备预处理；

S14，判断飞行设备是否能够执行步骤S13预处理过程中对应的飞行条件；

S15，判断航道轨迹是否有冲突；

S16，航道轨迹仿真；

S17，判断航道轨迹是否达到预期效果；

S18，转换飞行命令；

S19，执行飞行命令。

其中，S11中的空间建模、S12中的飞行设备建模、S13中的飞行设备预处理、S15中的判断航道轨迹是否有冲突、S18中的转换命令，和实施例一或者实施例二中的相应步骤相同；S14中判断飞行设备是否能执行飞行命令、S19中执行飞行命令和实施例二相同。

优选地，步骤S16和步骤S17的对应的具体内容为：对预处理后的航道轨迹进行仿真，并判断仿真的效果是否达到预期的效果；如果没有达到预期的效果，则返回至步骤S13，重新对航道轨迹预处理，直至达到预期的效果；如果达到了预定的仿真效果，则执行步骤S18。

如图5所示，实施例三还提供一种多飞行设备协同飞行的控制装置1，包括：

空间建模单元2，可以根据空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；

飞行设备建模单元3，可以对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；

航道轨迹规划单元4，可以对飞行设备的航道轨迹进行预处理，预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；

航道轨迹冲突分析单元5，根据航道轨迹规划单元中预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；

航道轨迹演示单元7，可以对航道轨迹规划单元中预处理的航道轨迹进行仿真；

飞行执行转换单元6，可以将航道轨迹规划单元中预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令.

优选地，上述飞行命令至少包括飞行设备的飞行速度，飞行加速度，飞行时间中的一种；并且飞行速度和飞行加速度都是矢量参数。

采用本实施例中的技术方案，可以获取以下有益效果：

根据仿真效果来判断是否符合预期的要求，可以减少因为不能预知飞行设备飞行的效果，而造成不必要的损失；例如，到了执行飞行命令步骤时，发现效果不好，才重新规划航道轨迹，浪费时间。

最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，包括：

1)、选定空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；

2)、对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；

3)、对飞行设备的航道轨迹进行预处理，所述预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；

4)、根据步骤3)中航道轨迹预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；如果有冲突，则对飞行设备的航道轨迹重新预处理，如果没有冲突，执行下一步；

5)、将步骤3)中航道轨迹预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令，所述飞行命令至少包括飞行设备的飞行速度，飞行加速度，飞行时间中的一种。

2.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：6)、将所述飞行命令注入到飞行设备控制器中，控制飞行设备执行所述飞行命令；并且所述飞行命令中的飞行速度和飞行加速度都是矢量参数。

3.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤4)之间还包括：

判断飞行设备是否能够按照预处理的航道轨迹进行飞行的步骤，如果能，就进入步骤4)，如果不能，回到步骤3)重新对航道轨迹进行预处理。

4.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，所述步骤3)对所述航道轨迹进行预处理时，需要在预定的条件下进行，所述预定条件包括预处理的参数对应飞行设备执行飞行命令时，不能超过飞行设备的最大飞行速度和最大飞行加速度。

5.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中需要同时对至少两个航道轨迹进行预处理。

6.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，所述步骤3)先对第一飞行设备的第一航道轨迹进行预处理，然后执行步骤4)和步骤5)；再对第二飞行设备的第二航道轨迹进行预处理，然后执行步骤4)和步骤5)；并且对不同飞行设备也依此顺序规划航道轨迹。

7.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，步骤3)中航道轨迹预处理可以采用打点的方式对航道轨迹进行规划，需要打的点包括飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点，并且在航道轨迹中可以插入预先设置需要完成的飞行动作。

8.如权利要求7所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，可以按照预定的策略，将所述飞行设备的起点、终点和航道轨迹中的关键点自动连接成航道轨迹。

9.如权利要求1所述的一种多飞行设备协同飞行的控制方法，其特征在于，所述步骤4)之后，还包括对预处理后的航道轨迹进行仿真，并判断仿真的效果是否达到预期的效果；如果没有达到预期的效果，则返回至步骤3)，重新对航道轨迹预处理，如果达到了预定的仿真效果，则执行步骤5)。

10.一种多飞行设备协同飞行的控制装置，其特征在于，包括：

空间建模单元，可以根据空间坐标系，对飞行设备所在的空域进行空间建模；

飞行设备建模单元，可以对飞行设备的大小和飞行参数进行建模；

航道轨迹规划单元，可以对飞行设备的航道轨迹进行预处理，所述预处理的信息包括飞行设备在飞行过程中，对应于空间坐标系中的位置参数和飞行设备在空间坐标系中不同点的时间参数；

航道轨迹冲突分析单元，根据所述航道轨迹规划单元中预处理的信息，分析各航道轨迹自身以及不同航道轨迹彼此之间是否有冲突；

飞行执行转换单元，可以将所述航道轨迹规划单元中预处理的信息，转换成飞行设备能够执行的飞行命令。