CN112698663B - 集群表演故障处理方法、系统、无人机、地面站及终端 - Google Patents

集群表演故障处理方法、系统、无人机、地面站及终端 Download PDF

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Abstract

本发明属于无人机技术领域，公开了一种集群表演故障处理方法、系统、无人机、地面站及终端，对于IMU和地磁发生二级故障的无人机控制算法自身做出决策，给出加锁的指令；对于GPS发生二级故障的无人机，垂直方向使用气压计传感器进行高度定位，水平方向使用惯性导航算法进行位置定位；同时根据所有无人机的信息以及故障无人机的信息，实时计算故障无人机范围内的其他飞行无人机数量，根据位置分布，选择性的给出空中加锁、返航指令。本发明在短时间内能满足定位精度。本发明提供的分布算法实时计算故障飞行器周围其他飞行器的位置分布及数量分布，快速的给出相应的控制决策。本发明能最大程度上处理故障，将损失降到最低。

Description

集群表演故障处理方法、系统、无人机、地面站及终端
技术领域
本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种集群表演故障处理方法、系统、无人机、地面站及终端。
背景技术
目前，集群表演，也可称为编队表演。在编队表演中，由于器件本身存在一定的故障率，比如IMU故障、GPS故障、电调故障等，这些因素都会导致无人机整体发生故障。而在编队表演中，无人机间的间距一般在2米左右，一架无人机发生故障，如果对它不进行故障处理，就会对附近的无人机造成影响，造成不必要的损失。由于编队表演也是刚刚兴起，对于传感器的故障处理也处于一个摸索的状态。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术对于一架无人机发生故障时，故障处理不及时，很容易影响附近的无人机飞行。
(2)编队表演是一个庞大的系统，一架无人机发生故障，故障的处理要根据周围无人机的分布情况，给出正确的处理指令。
(3)传感器异常数据检测的感知算法要准确健壮，不能误触发。
(4)Gps发生二级故障，惯性导航算法要准确健壮。
解决以上问题及缺陷的难度为：
首先，对于传感器数据异常的检测，这需要复杂的感知算法，不能误触发从而导致更多的损失。其次，Gps发生二级故障，这时候只能依靠IMU传感器进行定位，需要惯性导航算法准确定位，此算法一是依靠IMU传感器自身的精度，二是依靠复杂的导航算法。最后，Gps发生二级故障，地面站计算故障飞行器周围无人机数量及分布的算法需要准确可靠，从而给出准确的处理指令。
解决以上问题及缺陷的意义为：
本发明针对传感器的故障，提出一种故障处理的方法。解决以上的问题，主要是依靠算法的准确性及健壮性。在集群表演中，解决了传感器故障问题，在一定程度上大大减少了无人机的损失；另一个是算法的研究，在无人机学术领域起到了一个指导性的作用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种集群表演故障处理方法、系统、无人机、地面站及终端。
本发明是这样实现的，一种无人机集群表演故障处理方法，所述无人机集群表演故障处理方法包括：
对IMU及地磁传感器发生二级故障的无人机，无人机自身做出决策，给出空中加锁的指令；
对Gps发生二级故障的无人机，垂直方向使用气压计传感器进行高度定位，水平方向使用惯性导航算法进行位置定位；
对GPS发生二级故障的无人机，地面站接收所有无人机的信息以及故障无人机的信息，实时计算故障无人机一定范围内的其他飞行无人机数量，根据其他飞行无人机的位置分布，选择性的给出空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令。
进一步，所述传感器包括IMU传感器、GPS传感器、地磁传感器；所述无人机上搭载所述IMU传感器、GPS传感器、地磁传感器各有两套。
进一步，在传感器没有故障的情况下，导航算法同时使用两套传感器数据进行位置和姿态融合；
所述二级故障为两套传感器同时发生故障，通过传感器感知算法首先确认是某个传感器发生故障，同时将故障信息上报给地面站，通过无人机自身或者地面站根据传感器的故障做出相应的故障决策。
本发明的另一目的在于提供一种无人机集群表演故障处理系统，所述无人机集群表演故障处理系统包括：
数据采集模块，用于采集所有传感器的数据；
故障感知模块，通过故障感知算法实时监测每一个传感器是否异常；
导航模块，通过导航算法对冗余传感器数据进行融合，得到导航数据，将姿态信息和位置信息发送给控制模块；
控制模块，控制无人机正常的轨迹飞行。并根据传感器的故障，做出相应的故障决策，并结合地面站给出故障决策，执行空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令。
本发明的另一目的在于提供一种无人机，所述无人机搭载所述的无人机集群表演故障处理系统。
本发明的另一目的在于提供一种地面站，所述地面站搭载有控制器，所述控制器执行所述的无人机集群表演故障处理方法，对GPS发生二级故障的无人机，地面站接收所有无人机的信息以及故障无人机的信息，实时计算故障无人机一定范围内的其他飞行无人机数量，根据其他飞行无人机的位置分布，选择性的给出空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的无人机集群表演故障处理方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的无人机集群表演故障处理方法。
本发明的另一目的在于提供一种无人机故障信息数据处理终端，所述无人机故障信息数据处理终端用于实现所述的所述的无人机集群表演故障处理方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明针对传感器的故障，提出一种故障处理的方法。本发明提出三个算法。一个是传感器数据异常检测的感知算法；另一个是在GPS二级故障时，设计了一套精准的惯性导航算法来定位，在短时间内能满足定位精度。最后一个是在地面站端，设计了一套算法实时计算故障飞行器周围飞行器的分布数量，快速的给出相应的控制决策。此三种算法能最大程度上处理故障，将损失降到最低。
本发明传感器发生二级故障，分了两种情况，一个是IMU和地磁传感器发生二级故障，另一个是Gps发生二级故障。不同的传感器故障采用了不同的故障处理方法，但目的都是为了在出现故障时将损失降到最低。在编队表演中，此故障处理方法，使得出故障的无人机不影响其他无人机的正常飞行，既将损失降到最低，又不影响整个编队的表演。
本发明的处理传感器故障，首先是检测故障，传感器故障检测的感知算法是一套复杂的算法，根据传感器数据确认故障等级，该算法准确并实时。其次，当Gps发生二级故障时，短时间内主要依靠惯性导航来定位，地面站根据故障无人机的信息及其周围无人机的数量和分布，快速准确的给出相应处理故障的指令，将损失降到最小。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的传感器故障感知原理图。
图2是本发明实施例提供的故障决策原理图。
图3是本发明实施例提供的故障决策指令原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机集群表演故障处理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供一种无人机集群表演故障处理方法，包括：
(1)故障感知
传感器主要包括IMU传感器、GPS传感器、地磁传感器和气压计传感器。在飞控模块中，主要有故障感知算法、导航算法和控制算法。一般编队表演的飞行器，安装的都是两套冗余传感器，飞控模块同时采集所有传感器的数据，故障感知算法实时监测每一个传感器是否异常，如图1所示。导航算法对冗余传感器数据进行融合，得到导航数据，输入给飞控算法。
(2)故障等级
由于是两套传感器，在传感器没有故障的情况下，导航算法同时使用两套传感器数据进行位置和姿态融合。
传感器故障分为一级故障和二级故障，一级故障定义为冗余传感器其中一个出现故障；二级故障定义为冗余传感器同时发生故障。
一级故障是当故障感知算法检测到其中某一个传感器出现故障，就会立即切换到相应的另一个传感器，这时候导航算法会切换逻辑，使用一个传感器进行数据融合，输出正确的导航数据，保证飞行器的顺利飞行，同时无人机将故障信息发送给地面站。所以，一级传感器故障通过健壮的导航算法能自行处理。
二级故障是冗余传感器同时发生故障，传感器感知算法首先确认是某个传感器发生故障，同时将故障信息上报给地面站，此时无人机自身根据传感器的故障自身会做出相应的故障决策，当然，地面站也能给出故障决策，一般情况下，地面站故障决策的优先级较高。
(3)故障决策
对于一级故障，严重程度不高，此时的导航融合算法将摒弃故障传感器，融合一套传感器同样能做到精确导航，此时的飞行器能继续进行编队飞行，理论上是不需要进行故障决策。
对于二级故障，属于严重故障。而此二级故障又可具体到某个传感器发生故障。当IMU传感器或者地磁传感器发生二级故障时，此时的姿态融合已严重错误，不能继续飞行，这时候无人机自身给出的故障决策指令为“空中加锁”，尽最大程度不影响其他飞行器的飞行。当然，地面站也能给出“空中加锁”的指令，但由于通讯的延时，此延时时间大于无人机飞控算法自身的反应时间，所以一般情况下，由无人机飞控算法给出“空中加锁”的指令。
当GPS传感器发生二级故障时，此时垂直方向可以使用气压计传感器来替代GPS传感器，水平方向在短时间内可以使用惯性导航算法来定位位置，但此时精度已经降低，继续飞行可能会影响其他飞行器，这时候就需要在短时间内进行故障决策，同时，地面站收到GPS二级故障的信息，地面站会实时计算此故障飞机周围其他飞行器数量，根据上下左右其他飞行器数量的分布，选择性的给出空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令。如图3所示。
对于以上的控制决策，重点在于两个算法。一个是在GPS二级故障时，设计了一套精准的惯性导航算法来定位，在短时间内能满足定位精度。另一个是在地面站端，设计了一套算法实时计算故障飞行器周围飞行器的分布数量，快速的给出相应的控制决策。此两种算法能最大程度上处理故障，将损失降到最低。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机集群表演故障处理系统，其特征在于，所述无人机集群表演故障处理系统包括：
数据采集模块，用于采集所有传感器的数据；
故障感知模块，通过故障感知算法实时监测每一个传感器是否异常；
导航模块，通过导航算法对冗余传感器数据进行融合，得到导航数据，将姿态信息和位置信息发送给控制模块；
控制模块，控制无人机正常的轨迹飞行，并根据传感器的故障，做出相应的故障决策，并结合地面站给出故障决策，执行空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令；
实施所述无人机集群表演故障处理系统的无人机集群表演故障处理方法包括：
对IMU和地磁发生二级故障的无人机，无人机自身做出决策，给出空中加锁的指令；
对GPS发生二级故障的无人机，垂直方向使用气压计传感器进行高度定位，水平方向使用精准的惯性导航算法进行位置定位；
对GPS发生二级故障的无人机，地面站接收所有无人机的信息以及故障无人机的信息，实时计算故障无人机一定范围内的其他飞行无人机数量，根据其他飞行无人机的位置分布，选择性的给出空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令；
所述二级故障为某个两套传感器同时发生故障，通过传感器感知算法首先确认是某个传感器发生故障，同时将故障信息上报给地面站，通过无人机自身或者地面站给出相应的故障决策。
2.如权利要求1所述的无人机集群表演故障处理系统，其特征在于，所述传感器包括IMU传感器、GPS传感器、地磁传感器；所述无人机上搭载所述IMU传感器、GPS传感器、地磁传感器各有两套。
3.如权利要求1所述的无人机集群表演故障处理系统，其特征在于，在传感器没有故障的情况下，导航算法同时使用两套传感器数据进行位置和姿态融合。
4.一种无人机，其特征在于，所述无人机搭载权利要求1～3任意一项所述的无人机集群表演故障处理系统。
5.一种地面站，其特征在于，所述地面站搭载有控制器，所述控制器执行权利要求1～3任意一项所述的无人机集群表演故障处理系统，对接收到的GPS二级故障信息，实时计算故障无人机周围其他飞行无人机数量，根据计算的其他飞行无人机数量分布，给出空中加锁、返航、降落和往特定点飞行的指令。
6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～3任意一项所述的无人机集群表演故障处理系统。
7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～3任意一项所述的无人机集群表演故障处理系统。
8.一种无人机故障信息数据处理终端，其特征在于，所述无人机故障信息数据处理终端用于实现权利要求1～3任意一项所述的无人机集群表演故障处理系统。
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