CN110119158A - 一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统及方法，所述系统可应用于高亚音速无人飞行器，系统由高亚音速无人飞行平台、主控计算机、测控链路、地面站、协同控制中心等部分构成。高亚音速无人飞行平台作为载体和空中平台，主控计算机进行导航、制导与控制算法的运算，并操纵舵机等执行机构和发动机等部件，以保持对无人飞行平台的控制；测控链路用于无人飞行平台与协同控制中心之间的信息传输；地面站用于无人飞行器的遥测遥控；协同控制中心作为多机协同编队算法的运算和人机交互的平台，对无人飞行器编队进行监测和控制。本发明通过设计协同编队控制系统及方法，可实现不同类型高亚音速无人飞行器的自主协同编队飞行。

Description

一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人飞行器领域，尤其涉及一种利用高亚音速无人飞行器进行协同编队的领域，属于无人机、自主编队与协同控制等技术领域。

背景技术

高性能无人飞行器集群是未来空战的主要方式。近年来，高性能无人飞行器、无人机集群技术受到国内外航空领域的高度重视。无人机集群技术已被美国列为“第三次抵消战略”五大支撑技术之一，美国近五年相继启动了“灰山鹑”、“小精灵”、“忠诚僚机”等多个无人机集群项目。面对外军新一代航空武器装备的服役和全新作战体系的诞生，我方必须全力开展无人飞行器协同编队控制技术的研究，研制通用性强、可扩展性好的无人飞行器协同编队控制系统，打破传统的单机孤立任务的局限，打造一套集群协同编队体系，以在新的作战形式下提高无人系统的任务能力。

发明内容

本发明提出了一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，该系统可支持不同类型的无人飞行器实现高亚音速多机自主协同编队飞行。

本发明采用的技术方案为：

一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，包括：

协同控制中心；根据用户指定的任务与编队要求，进行协同航迹规划与编队控制解算，并实时将各飞行器的最新航路点与遥控指令下发给各飞行器对应的地面站；

若干地面站；获取其对应的飞行器的遥测数据，转发至协同控制中心，同时解析协同控制中心的协同编队控制指令，将遥控指令转发至其对应的飞行器；

若干测控链路；包括相互进行无线通信的测控链路地面端和测控链路机载端；测控链路地面端与地面站相连进行通信；测控链路机载端位于各飞行器上；

若干飞行器；飞行器上的无人飞行平台上设置有主控计算机和测控链路机载端；测控链路机载端与主控计算机通信连接；所述的主控计算机用于导航定位，并根据预定任务或地面站的操控指令进行制导与飞行器的位姿控制。

考虑到未来对异型无人飞行器同空编队的需求，协同编队控制系统需要具有较好的通用性和可扩展性。而不同型号或不同厂家的无人飞行器与地面站之间的协议无法严格统一，因此协同编队控制系统采用集中式协同控制方案，即各飞行器均有独立的测控链路和地面站，系统通过统一的协同控制中心对各个无人飞行器的信息进行实时监控，并经由各地面站对各飞行器进行实时控制。这种各架飞行器独立控制、集中指挥的方式将协同控制与单机控制相隔离，一方面可以最大限度提高系统可靠性，另一方面可以在不改变各型飞行器飞控-测控系统技术协议的前提下提高系统的通用性和扩展性。

基于集中式控制方法，将布置在指挥阵地的协同控制中心作为协同编队的中心节点，通过路由器与各个飞行器的地面站组成星形网络拓扑结构。协同控制中心负责规划编队飞行任务，汇集各飞行器信息，进行协同编队控制解算，并将控制指令通过各地面站上传至各飞行器。

为了能够支持不同类型飞行器的混合编队，所述各个高亚音速无人飞行平台的续航能力、速度范围、高度范围应当匹配，以保证一定的同空时间与编队能力。

作为优选，所述主控计算机用于导航定位，并根据预定任务或地面站的操控指令进行制导与位姿控制。主控计算机可由嵌入式硬件系统构成，如ARM、DSP 或FPGA等，通过测控链路将飞行器的位置、速度、姿态、加速度、角速率和机载设备工作状态等信息传输至地面站，同时根据飞行任务或地面站的操控指令进行动作规划，实现精确的位姿控制。为了支持协同编队，飞行控制系统需要具备以下几项功能：

1)支持自主航线飞行和在线航线装订，支持航点设置、插入、删除、修改等指令集；

2)高度、速度控制回路采用精确控制的方式，控制精度应满足编队任务的要求，且在航线飞行模式下支持速度设定、加速、减速等遥控指令集；

3)由于协同控制中心需要根据各飞行器的飞行性能实时调整其飞行参数，因此飞行器的速度控制回路应具有良好的动态特性，并需提供详细的速度约束条件、爬升率、下滑率等性能指标。

作为优选，测控链路采用频分的方式进行空地通信，各飞行器均采用不同的上、下行工作频点，以确保相互之间不发生信号干扰。测控链路机载端采用各自的接口与主控计算机进行通信，测控链路地面端采用串口或UDP网络协议与地面站之间建立连接。为了保证协同编队控制系统对不同无人飞行器的兼容性和通用性，不对测控链路的型号和体制做过多的限制，各无人飞行器可采用各自不同的测控链路。

作为优选，地面站主要由测控计算机实现，每一套测控链路地面端与一架无人飞行器机载链路组成一对一的配对，飞行器与飞行器之间采用不同的通讯频点，以确保各飞行器与其对应的地面站之间的通讯不受干扰。地面站负责监测与转发遥控遥测数据。地面站获取飞行器的遥测数据，转发至协同控制中心，同时解析协同控制中心的协同编队控制指令，将遥控指令转发至各飞行器。紧急情况下，地面操控人员可通过协同控制中心切出编队飞行模式，飞行器可进入自动飞行模式，且地面操控人员通过各地面站可分别对各飞行器进行遥控操作。

作为优选，各无人飞行器与地面站之间均采用各自的通信协议，以提高系统的通用性；协同控制中心与各地面站之间采用统一的通信协议。各地面站按照统一的协议格式，定时向协同控制中心上报各飞行器的主要数据，包括飞行器类型、飞行器编号、目标航点编号、姿态、位置、速度、飞行动作、速度设定值等。协同控制中心根据操作人员设置的编队飞行指令和各飞行器的实时数据，对各飞行器的航线和速度进行实时调整，最终采用统一的协议格式，将速度控制指令和航点修改指令下发至各地面站，各地面站将指令解析后转化为飞行器的遥控指令，从而完成飞行器的控制。

作为优选，协同控制中心通过UDP网络协议与各地面站进行通信，构成局域网，对协同编队飞行进行统一指挥。在任务过程中，各个地面站通过其对应的测控链路与各飞行器建立一对一的实时通讯，协同控制中心通过局域网获取各地面站上的飞行器信息，根据用户指定的任务与编队要求，进行协同航迹规划与编队控制解算，并实时将各飞行器的最新航迹与遥控指令下发给对应的地面站，再由各地面站转发至各飞行器，自动完成对飞行器的实时编队控制。

作为优选，协同控制中心采用四维航迹规划方法实现汇聚和编队控制。操作人员根据任务需求，通过协同控制中心设置编队飞行参数，所有飞行器起飞完成后，协同控制中心根据各飞行器的位置与速度信息，结合各飞行器的飞行性能与控制约束，采用四维航迹规划算法，实时规划出各飞行器的有效飞行航线和速度设定值，经地面站上传至各飞行器，各飞行器据此进行位姿控制，以按要求在指定的时间和地点完成汇聚。为了提高对外界干扰和控制误差的适应能力，可采用支持事件触发的时域滚动优化方法，定时或在事件触发的情况下对航线进行更新和上传，以不断修正控制偏差。飞行器汇聚完成后，协同控制中心根据队形要求，对各飞行器的航线和速度进行实时控制，以形成指定队形。侧向与高度方向的队形控制可通过改变航点的方式来实现，前后方向的队形控制可通过调整速度来实现。当队形要求发生变化时，协同控制中心可自动调整航线与速度，控制各飞行器完成队形变换，变换方式包括前后变换和左右变换两种。

所述四维航迹规划方法是本发明的一个重要部分，其作用是给不同时间与不同地点起飞的无人飞行器分别规划一条三维飞行航迹和对应的速度设定值，以使各飞行器按照指定的速度与航向在同一时刻到达指定点，即通过规划三维飞行航迹与速度序列来实现不同初始条件下的自主汇聚。区别于其他x、y、z三个方向分别按照时间函数进行规划的四维航迹规划方法，本发明专利采用Dubins三维曲线与速度序列相结合的方法，提高航迹的可飞行性，并降低航迹表达的复杂度。具体规划流程如下：

1)确定初始及目标状态，包括初始的位置、速度、航向、预计相对起飞时间；指定的目标位置、速度、航向等；

2)确定约束条件与边界条件：包括不同高度的平飞爬升及盘旋速度、横纵向过载、爬升率、加减速率等一系列表征飞行能力与安全包线的约束条件和空域范围；

3)在以上条件的约束下，求取各飞行器的最短Dubins飞行路径和飞行时间，并估计最快到达时间；

4)以预计最晚到达的无人飞行器的到达时间或指定的汇聚时间为基准，确定各飞行器的起飞时间(若尚未起飞)及规定飞行时间；

5)根据各飞行器的起飞时间(若尚未起飞)与规定飞行时间，按照最优的飞行速度规划三维Dubins飞行路径(主要由平飞段、转弯段、爬升/下滑段、螺旋上升/下降段组成)；

6)对各飞行器的三维航线进行冲突检测，并对出现冲突的航线进行碰撞预测，如存在碰撞风险，再次进行步骤五，调整飞行航路(优先调整飞行速度，若不可行，调整航线)，直至无碰撞为止；

7)通过协同控制中心将规划好的航迹上传至各无人飞行器，采用支持事件触发的时域滚动优化方法，实时对航线进行动态调整，以在保证飞行安全的条件下提高到达时间的精度。

作为优选，所述编队控制方法用于在无人飞行器完成汇聚后对飞行器的速度与航迹进行控制，从而形成、保持和变换队形。构建虚拟的编队几何中心点，并使其按照指定的航线和速度进行移动，根据指定的编队队形及编队间距等队形参数，计算各飞行器的期望航迹与速度序列。设计相对位置控制器，通过调整横滚角与偏航角速率来控制侧向相对位置偏差，通过调整飞行器的速度来控制前向相对位置偏差，通过调整俯仰角来控制垂向相对位置偏差。将姿态与速度的设定值转化为遥控指令，经地面站发送至各飞行器的主控计算机，以对各飞行器进行遥控操纵，实现编队控制。

本发明的有益效果主要表现在：本发明可以通过四维协同航迹规划、编队控制实现高亚音速无人飞行器多机协同编队控制，支持不同类型的无人飞行器实现高亚音速多机自主协同编队飞行，构建集群协同编队体系，打破传统单机孤立任务的局限，在新的作战形式下提高无人系统的协同任务能力。

附图说明

图1是一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统的组成框图。

图2是一种四维协同航迹规划方法的流程图。

图3是一种编队控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明可应用于不同类型的高亚音速无人飞行器，支持高亚音速多机自主协同编队飞行。本发明的组成框图如附图1所示，其中，协同控制中心通过UDP 网络协议与各地面站进行通信，构成局域网，对协同编队飞行进行统一指挥。在任务过程中，各个地面站通过其对应的测控链路与各飞行器建立一对一的实时通讯，协同控制中心通过局域网获取各地面站上的飞行器信息，根据用户指定的任务与编队要求，进行协同航迹规划与编队控制解算，并实时将各飞行器的最新航迹与遥控指令下发给对应的地面站，再由各地面站转发至各飞行器，自动完成对飞行器的实时编队控制。具体实施方式如下：

1.制定协同控制中心与地面站之间的标准通信协议，并适用于各种不同类型的飞行器，协议包括遥测与遥控两大类，遥测信息包括导航定位参数、飞行器状态、航线数据、任务设备状态等信息；遥控信息包括遥控、航线设置、状态查询等指令。

2.将协同控制中心通过以太网与各飞行器的地面站建立连接，各地面站通过测控链路分别与各飞行器的机载主控计算机进行无线通信。

3.各飞行器上电并进行起飞前状态确认与参数设置。作为优选，按照顺序依次逐一上电，每个飞行器上电后通过地面站或协同控制中心对测控链路的频点进行设置，以避免不同飞行器之间彼此干扰。对各飞行器的状态数据进行确认与设置，进入待飞状态。

4.通过协同控制中心设置飞行任务、飞行区域、规定航段(如汇聚点、编队飞行航段、队形变换点、回收航段等)、编队队形及参数等信息，然后通过协同控制中心对各飞行器的飞行航迹进行协同规划，主要包括汇聚段、编队飞行段与回收段。规划流程如附图2所示，具体如下：

1)确定初始及目标状态，包括初始的位置、速度、航向、预计相对起飞时间；指定的目标位置、速度、航向等；

2)确定约束条件与边界条件：包括不同高度的平飞爬升及盘旋速度、横纵向过载、爬升率、加减速率等一系列表征飞行能力与安全包线的约束条件和空域范围；

3)在以上条件的约束下，求取各飞行器的最短Dubins飞行路径和飞行时间，并估计最快到达时间；

4)以预计最晚到达的无人飞行器的到达时间或指定的汇聚时间为基准，确定各飞行器的起飞时间(若尚未起飞)及规定飞行时间；

5)根据各飞行器的起飞时间(若尚未起飞)与规定飞行时间，按照最优的飞行速度规划三维Dubins飞行路径(主要由平飞段、转弯段、爬升/下滑段、螺旋上升/下降段组成)；

6)对各飞行器的三维航线进行冲突检测，并对出现冲突的航线进行碰撞预测，如存在碰撞风险，再次进行步骤五，调整飞行航路(优先调整飞行速度，若不可行，调整航线)，直至无碰撞为止；

7)通过协同控制中心将规划好的航迹上传至各无人飞行器，采用支持事件触发的时域滚动优化方法，实时对航线进行动态调整，以在保证飞行安全的条件下提高到达时间的精度。

5.各飞行器依次起飞，按照预设航线飞行，并通过协同控制中心自动对航线进行实时动态调整，并自动经地面站发送至各飞行器的主控计算机，以不断调整汇聚航线与汇聚时间，直至各飞行器在规定时间和规定地点完成汇聚。

6.各飞行器完成汇聚后，通过协同控制中心对各飞行器的速度与航迹进行控制，从而形成、保持和变换队形，控制框图如附图3所示，具体方法如下：

1)根据协同控制中心规划的4维航迹，构建编队几何中心点的期望运动轨迹与速度序列；

2)结合队形参数与编队几何中心点的期望4维航迹，计算各飞行器的期望运动轨迹与速度序列；

3)协同控制中心根据各飞行器的期望运动轨迹与实际运动轨迹，对相对位置进行控制，给出姿态设定值与速度设定值，并转化为遥控指令，经地面站发送至各飞行器；

4)各飞行器根据遥控指令，通过操纵舵面与发动机，对姿态和速度进行闭环控制。

5)反复进行第3)和4)步，以实现各飞行器的协同编队控制。

7.编队飞行结束后，通过协同控制中心对回收段的飞行航迹进行协同规划，以使各飞行器有序、安全地进入回收过程。为了尽可能增长协同编队飞行的有效任务时间，协同控制中心根据各飞行器的飞行时间与剩余油量，合理排布回收顺序，优选原则为：对于续航能力相同的飞行器而言，起飞较早的飞行器应当优先进入回收；对于续航能力不同的飞行器而言，续航时间较短的飞行器的起飞时间应当尽可能晚，而进入回收的时间应当尽可能早。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，其特征在于包括：

协同控制中心；根据用户指定的任务与编队要求，进行协同航迹规划与编队控制解算，并实时将各飞行器的最新航路点与遥控指令下发给各飞行器对应的地面站；

若干地面站；获取其对应的飞行器的遥测数据，转发至协同控制中心，同时解析协同控制中心的协同编队控制指令，将遥控指令转发至其对应的飞行器；

若干测控链路；包括相互进行无线通信的测控链路地面端和测控链路机载端；测控链路地面端与地面站相连进行通信；测控链路机载端位于各飞行器上；

若干飞行器；飞行器上的无人飞行平台上设置有主控计算机和测控链路机载端；测控链路机载端与主控计算机通信连接；所述的主控计算机用于导航定位，并根据预定任务或地面站的操控指令进行制导与飞行器的位姿控制。

2.根据权利要求1所述的高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，其特征在于各地面站采用各自独立的测控链路与其一对一配对的飞行器进行通信，即各飞行器均配备有独立的测控链路和地面站。

3.根据权利要求1所述的高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，其特征在于测控链路采用频分的方式进行空地通信，各飞行器采用不同的上、下行工作频点，以确保相互之间不发生信号干扰；测控链路机载端采用各自的接口与主控计算机进行通信，测控链路地面端采用串口或UDP网络协议与地面站之间建立通信连接。

4.根据权利要求1所述的高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，其特征在于各飞行器与地面站之间均采用各自的通信协议；协同控制中心与各地面站之间采用统一的通信协议。

5.根据权利要求4所述的高亚音速无人飞行器多机协同编队控制系统，其特征在于各地面站按照统一的协议格式，定时向协同控制中心上报各飞行器的数据，协同控制中心根据操作人员设置的编队飞行指令和各飞行器的实时数据，对各飞行器的航线和速度进行实时调整，最终采用统一的协议格式，将速度控制指令和航点修改指令下发至各地面站，各地面站将指令解析后转化为飞行器的遥控指令，从而完成飞行器的控制。

6.一种权利要求1所述系统的高亚音速无人飞行器多机协同编队汇聚方法，其特征在于所述的协同控制中心采用四维航迹规划方法实现汇聚和编队控制；具体规划流程如下：

1)确定飞行器的初始及目标状态信息，包括初始的位置、速度、航向、预计相对起飞时间；指定的目标位置、速度和航向；

2)确定表征飞行能力与安全包线的约束条件和空域边界范围；

3)在以上条件的约束下，求取各飞行器的最短Dubins飞行路径和飞行时间，并估计最快到达时间；

4)以预计最晚到达的无人飞行器的到达时间或指定的汇聚时间为基准，确定各飞行器的起飞时间及规定飞行时间；

5)根据各飞行器的起飞时间与规定飞行时间，按照最优的飞行速度规划三维Dubins飞行路径；所述的飞行路径由平飞段、转弯段、爬升/下滑段、螺旋上升/下降段组成；

6)对各飞行器的三维航线进行冲突检测，并对出现冲突的航线进行碰撞预测，若存在碰撞风险，再返回步骤5)，调整出现碰撞风险的飞行器的飞行速度以避免碰撞；当无法通过调整飞行速度规避碰撞时，通过调整飞行航路避免碰撞，直至无碰撞为止；

7)通过协同控制中心将规划好的航迹上传至各无人飞行器；

8)各飞行器依次起飞，并通过协同控制中心自动对航线进行实时动态调整，并自动经地面站发送至各飞行器的主控计算机，以不断调整汇聚航线与汇聚时间，直至各飞行器在规定时间和规定地点完成汇聚。

7.一种权利要求1所述系统的高亚音速无人飞行器多机协同编队控制方法，其特征在于具体如下：

S1.制定协同控制中心与地面站之间的标准通信协议，协议包括遥测与遥控两大类，遥测信息包括导航定位参数、飞行器状态、航线数据、任务设备状态；遥控信息包括遥控、航线设置、状态查询指令；

S2.将协同控制中心通过以太网与各飞行器的地面站建立连接，各地面站通过测控链路分别与各飞行器的机载主控计算机进行无线通信；

S3.各飞行器上电并进行起飞前状态确认与参数设置；

S4.通过协同控制中心设置飞行任务、飞行区域、规定航段、编队队形及参数，然后通过协同控制中心对各飞行器的汇聚段、编队飞行段与回收段的飞行航迹进行协同规划，其中:

在汇聚段，采用权利要求6所述的方法进行协同规划；

在编队飞行段，通过协同控制中心对各飞行器的速度与航迹进行控制，从而形成、保持和变换队形，具体方法如下：

1)根据协同控制中心规划的4维航迹，构建编队几何中心点的期望运动轨迹与速度序列；

2)结合队形参数与编队几何中心点的期望4维航迹，计算各飞行器的期望运动轨迹与速度序列；

3)协同控制中心根据各飞行器的期望运动轨迹与实际运动轨迹，对相对位置进行控制，给出姿态设定值与速度设定值，并转化为遥控指令，经地面站发送至各飞行器；

4)各飞行器根据遥控指令，通过操纵舵面与发动机，对姿态和速度进行闭环控制；

5)反复进行第3)和4)步，以实现各飞行器的协同编队控制；

在回收段，协同控制中心根据各飞行器的飞行时间与剩余油量，排布回收顺序，以使各飞行器有序、安全地进入回收过程。

8.如权利要求7所述系统的高亚音速无人飞行器多机协同编队控制方法，其特征在于：回收段的回收顺序为：对于续航能力相同的飞行器而言，起飞较早的飞行器优先进入回收；对于续航能力不同的飞行器而言，续航时间较短的飞行器的起飞时间尽可能晚，而进入回收的时间尽可能早。