CN112711268B - 迫降路径规划方法、系统、无人机、处理终端及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人机控制技术领域，公开了一种迫降路径规划方法、系统、无人机、处理终端及存储介质，测定无人机系统发生故障；判定故障无人机需要进行迫降；进行人机编队的路径规划模型的建立，规划迫降路径；规划其余无人机的规避路径；其余无人机恢复正常飞行状态。本发明能够实现严重故障无人机的迫降动作，降低损失，有效避免碰撞；在迫降无人机脱离编队后，剩余无人机继续恢复执行任务，完成既定目标。本发明能自动基于当前位置生成故障无人机的迫降路径，同时加大安全间距；实现无人机编队中故障无人机的迫降路径规划，同时完成编队其他曾成员对该无人机的避让，有效的防止碰撞及安全事故的发生。

Description

迫降路径规划方法、系统、无人机、处理终端及存储介质
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，尤其涉及一种迫降路径规划方法、系统、无人机、处理终端及存储介质。
背景技术
目前，无人机编队是使用若干架次的无人机在空中组成特定队形进行飞行，并利用其搭载的载荷完成特定功能。无人机编队作为一个复杂的综合性系统，运行状态存在诸多不确定因素，其机械机构、电力电子等系统均有可能会发生故障。故障无人机个体属于编队中的障碍及不稳定因素，极易导致事故的发生。当故障较为严重时，故障无人机需要进行紧急迫降，其余无人机应立即进行避让。严重故障的无人机往往失去大部分飞行能力，无法有效跟踪常规路径。
对于无人机系统来讲，应该选择缓慢向返航方向滑行并降低高度迫降，简化对故障无人机飞行控制系统的要求。其余无人机应谨慎的为返航无人机开辟返航通道。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前暂无无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，无法实现无人机编队中故障无人机的迫降路径规划，碰撞及安全事故发生难以避免。
解决以上问题及缺陷的难度为：
无人机编队产生故障的时间和位置随机性较大，需要方法具有较高的实时性。且严重故障的无人机迫降路径规划不同于常规路径规划方法，需要适应故障无人机的实际情况。
解决以上问题及缺陷的意义为：可以实现故障无人机的迫降，降低无人机编队故障损失，提升无人机编队应用安全性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种迫降路径规划方法、系统、无人机、处理终端及存储介质。
本发明是这样实现的，一种无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，所述无人机编队单机紧急迫降路径规划方法包括以下步骤：
步骤一，测定无人机系统发生故障；
步骤二，判定故障无人机需要进行迫降；
步骤三，进行无人机编队的路径规划模型的建立，规划迫降路径；
步骤四，规划其余无人机的规避路径；
步骤五，其余无人机恢复正常飞行状态。
进一步，步骤三中，所述进行人机编队的路径规划模型的建立，包括：
建立空间直角坐标系W；W的三个轴xW,yW,zW分别指向东，南和天空，空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m；
基于建立的空间直角坐标系，建立无人机编队位置模型、无人机编队路径模型、无人机迫降路径模型、无人机避让路径模型。
进一步，所述建立无人机编队位置模型，包括：
假设共有n架无人机，则无人机编队的初始队形位置表示为：
S＝[S1,S2,S3,...,Sn]；
无人机编队的终点队形位置表示为：
E＝[E1,E2,E3,...,En]；
无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为
Mt＝[Mt1,Mt2,Mt3,...,Mtn]；
其中，Sn,En,Mtn均为W中的位置点；
由此，无人机编队的目标为：队形从S变为E。
进一步，所述建立无人机编队路径模型，包括：
假设在整个队形变化中，共规划了p个路径点，则过程中的无人机编队的所有路径可表示为：
Figure BDA0002811920720000031
进一步，所述无人机迫降路径模型，包括：
当出现部分无人机迫降需求时，需要给迫降无人机及编队规划迫降路径，假如在时刻t开始规划动态迫降路径，迫降无人机编号为i，迫降无人机返航路径长度为r，则迫降路径可表示为B；
B＝[Mti,B2,L,Br-1,Si]。
进一步，所述无人机避让路径模型，包括：
当出现部分无人机迫降需求时，需要给迫降无人机及编队规划避让路径，避让路径长度为q，避让路径可表示为H；
Figure BDA0002811920720000032
进一步，步骤四中，所述规划迫降路径，包括：
(1)确认发生故障时刻t时的故障无人机位置Mti；
(2)确认迫降点Si；
(3)忽略编队中其他无人机的状态，使用圆弧引导法规划从Mti到Si的路径B，直到Bq＝Si；
(4)退回到时刻t；
(5)确认编队中其他无人机的位置Mt和目标位置E；
(6)将B中所有点视为障碍物，并适当调整障碍参数ρ1＝5m、ρ2＝20m；
(7)设置警戒时间T，在时间T内，保持步骤(6)中障碍规则。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述无人机编队单机紧急迫降路径规划方法。
本发明的另一目的在于提供一种无人机编队单机紧急迫降路径规划系统，所述无人机编队单机紧急迫降路径规划系统包括：
无人机故障检测模块，用于测定无人机系统发生故障；
故障无人机迫降判定模块，用于判定故障无人机需要进行迫降；
迫降路径规划模块，用于进行人机编队的路径规划模型的建立，规划迫降路径；
规避路径规划模块，用于构建编队其余无人机的规避路径。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法。
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信息数据处理终端，并执行所述的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，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如下步骤：
测定无人机系统发生故障；
判定故障无人机需要进行迫降；
进行人机编队的路径规划模型的建立，规划迫降路径；
规划编队其余无人机的规避路径；
编队其余无人机恢复正常飞行状态。
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：本发明能够实现严重故障无人机的迫降动作，降低损失，有效避免碰撞；在迫降无人机脱离编队后，剩余无人机继续恢复执行任务，完成既定目标。
本发明能自动基于当前位置生成故障无人机的迫降路径，同时加大安全间距，具有较高的实用意义。
本发明通过对无人机编队的特定迫降路径规划和编队避让路径规划，可以实现无人机编队中故障无人机的迫降路径规划，同时完成编队其他成员对该无人机的避让，有效的防止碰撞及安全事故的发生。
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无人机编队单机紧急迫降路径规划方法原理图。
图2是本发明实施例提供的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法流程图。
图3是本发明实施例提供的避让及迫降路径规划模型示意图。
图4是本发明实施例提供的无人机故障迫降路径示意图。
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编队单机紧急迫降路径规划方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-2所示，本发明实施例提供的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法包括以下步骤：
S101，测定无人机系统发生故障；
S102，判定故障无人机需要进行迫降；
S103，进行人机编队的路径规划模型的建立，规划迫降路径；
S104，规划其余无人机的规避路径；
S105，其余无人机恢复正常飞行状态。
步骤S103中，本发明实施例提供的进行人机编队的路径规划模型的建立，包括：
建立空间直角坐标系W；W的三个轴xW,yW,zW分别指向东，南和天空，空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m；
基于建立的空间直角坐标系，建立无人机编队位置模型、无人机编队路径模型、无人机迫降路径模型、无人机避让路径模型。
如图3-4所示，本发明实施例提供的建立无人机编队位置模型，包括：
假设共有n架无人机，则无人机编队的初始队形位置表示为：
S＝[S1,S2,S3,...,Sn]；
无人机编队的终点队形位置表示为：
E＝[E1,E2,E3,...,En]；
无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为
Mt＝[Mt1,Mt2,Mt3,...,Mtn]；
其中，Sn,En,Mtn均为W中的位置点；
由此，无人机编队的目标为：队形从S变为E。
假设在整个队形变化中，共规划了p个路径点，则过程中的无人机编队的所有路径可表示为：
Figure BDA0002811920720000061
当出现部分无人机迫降需求时，需要给迫降无人机及编队规划迫降及避让路径，假如在时刻t开始规划动态迫降路径，迫降无人机编号为i，迫降无人机返航路径长度为r，避让路径长度为q，则迫降路径可表示为B，避让路径可表示为H。
B＝[Mti,B2,L,Br-1,Si]；
Figure BDA0002811920720000071
步骤S104中，本发明实施例提供的规划迫降路径，包括：
确认发生故障时刻t时的故障无人机位置Mti；
确认迫降点Si；
忽略编队中其他无人机的状态，使用圆弧引导法规划从Mti到Si的路径B，直到Bq＝Si；
退回到时刻t；
确认编队中其他无人机的位置Mt和目标位置E；
将B中所有点视为障碍物，并适当调整障碍参数ρ1＝5m、ρ2＝20m；
设置警戒时间T，在时间T内，保持步骤(6)中障碍规则。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
本发明公开了一种无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，包括以下步骤：
步骤一：测定无人机系统发生故障。
步骤二：判定故障无人机需要进行迫降。
步骤三：规划迫降路径。
步骤四：规划其余无人机的规避路径。
步骤五：其余无人机恢复正常飞行状态。
实施例2：
进行无人机编队的路径规划模型的建立。建立空间直角坐标系W；W的三个轴xW,yW,zW分别指向东，南和天空；空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m。
假设共有n架无人机，则无人机编队的初始队形位置表示为：
S＝[S1,S2,S3,...,Sn]；
无人机编队的终点队形位置表示为：
E＝[E1,E2,E3,...,En]；
无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为
Mt＝[Mt1,Mt2,Mt3,...,Mtn]；
其中，Sn,En,Mtn均为W中的位置点。
由此，无人机编队的目标为：队形从S变为E。
假设在整个队形变化中，共规划了p个路径点。则过程中的无人机编队的所有路径可表示为：
Figure BDA0002811920720000081
当出现部分无人机迫降需求时，需要给迫降无人机及编队规划迫降及避让路径，假如在时刻t开始规划动态迫降路径，迫降无人机编号为i，迫降无人机返航路径长度为r，避让路径长度为q，则迫降路径可表示为B，避让路径可表示为H。
B＝[Mti,B2,L,Br-1,Si]；
Figure BDA0002811920720000082
实施例3：
迫降路径的规划和其余无人机编队的路径规划方法为：
确认发生故障时刻t时的故障无人机位置Mti；
确认迫降点Si；
忽略编队中其他无人机的状态，使用圆弧引导法规划从Mti到Si的路径B，直到Bq＝Si；
退回到时刻t；
确认编队中其他无人机的位置Mt和目标位置E；
将B中所有点视为障碍物，并适当调整障碍参数ρ1＝5m、ρ2＝20m；
设置警戒时间T，在时间T内，保持障碍规则；
规划避让路径H。
实施例4：
进行实验设置故障无人机电机增益变小，动力丧失，需要迫降至当前位置，故规划向下的迫降路径。仿真规划路径如图4所示。图中，向下路径即为迫降路径。其余无人机以无人机迫降路径设置警戒时间T，在警戒时间内留出故障无人机的迫降通道，随后恢复队形，正常执行任务。无人机编队在警戒时间T内，避让了迫降无人机，为迫降无人机预留了足够的空间。
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)

1.一种无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，其特征在于，所述无人机编队单机紧急迫降路径规划方法包括：
基于当前故障无人机位置生成无人机迫降路径；
编队其余无人机利用所述无人机迫降路径设置的警戒时间，为所述故障无人机迫降预留出避让路径长度及迫降通道；
所述故障无人机迫降后，所述编队其余无人机恢复正常飞行状态；
建立空间直角坐标系W；W的三个轴xW,yW,zW分别指向东，南和天空，空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m；
基于建立的空间直角坐标系，建立无人机编队位置模型；所述建立无人机编队位置模型，包括：
有n架无人机，则无人机编队的初始队形位置表示为：
S＝[S1,S2,S3,...,Sn]；
无人机编队的终点队形位置表示为：
E＝[E1,E2,E3,...,En]；
无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为
Mt＝[Mt1,Mt2,Mt3,...,Mtn]；
其中，Sn,En,Mtn均为W中的位置点；
无人机编队的目标为：队形从S变为E；
故障无人机需迫降时，在时刻t开始规划动态迫降路径，迫降的无人机编号为i，迫降的无人机返航路径长度为r，则迫降路径表示为B；
B＝[Mti,B2,L,Br-1,Si]；
所述无人机规划迫降路径的方法具体包括：
(1)确认发生故障时刻t时的故障无人机位置Mti；
(2)确认迫降点Si；
(3)忽略编队中其他无人机的状态，使用圆弧引导法规划从Mti到Si的路径B，直到Bq＝Si；
(4)退回到时刻t；
(5)确认编队中其他无人机的位置Mt和目标位置E；
(6)将B中所有点视为障碍物，并适当调整障碍参数ρ1＝5m、ρ2＝20m；
(7)设置警戒时间T，在时间T内，保持步骤(6)中障碍规则。
2.如权利要求1所述的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，其特征在于，在整个队形变化中，规划p个路径点，则无人机编队的所有路径表示为：
Figure FDA0004185924040000021
3.如权利要求1所述的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，其特征在于，所述避让路径长度的确定方法包括：
有无人机迫降需求时，规划迫降无人机及编队规划避让路径，避让路径长度为q，避让路径表示为H；
Figure FDA0004185924040000022
4.一种无人机编队单机紧急迫降路径规划系统应用权利要求1～3任意一项的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法，其特征在于，所述无人机编队单机紧急迫降路径规划系统包括：
无人机故障检测模块，用于测定无人机系统发生故障；
故障无人机迫降判定模块，用于判定故障无人机需要进行迫降；
迫降路径规划模块，用于进行人机编队的路径规划模型的建立，规划迫降路径；
规避路径规划模块，用于构建编队其余无人机的规避路径。
5.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述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编队单机紧急迫降路径规划方法。
6.一种无人机，其特征在于，所述无人机搭载权利要求5所述信息数据处理终端，并执行权利要求1～3任意一项所述的无人机编队单机紧急迫降路径规划方法。
7.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述无人机编队单机紧急迫降路径规划方法。
8.一种计算机设备，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编队单机紧急迫降路径规划方法。
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