CN114034317A - 一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法 - Google Patents

一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法 Download PDF

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史晓锋
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Abstract

本发明是一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法。本系统包括混合翼无人机、轻量飞行校验设备、飞行校验数据公网实时传输模块、飞行校验数据评估数据库和云校验系统平台。本发明方法通过轻量飞行校验设备接收机场导航台站的信号和云校验系统平台发送的控制信号，控制无人机飞行；无人机执行飞行校验科目，飞行校验数据通过机载5G通信模块发送出去；云校验系统平台对飞行校验数据实时分析，进行无人机航迹优化，对无人机系统进行故障预测，实现无人机飞行冲突解脱，通过5G模块发送控制信号给无人机。本发明提高了无人机飞行校验的可靠性，保证了无人机和通用航班的安全，突破了飞行校验的距离限制，提高了飞行校验的效率。

Description

一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机飞行校验技术领域，涉及一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法。
背景技术
飞行校验是指为了保证飞机飞行的安全，按照相关的飞行校验规范，使用专门的飞行校验设备，为保证飞机在预定航线得到准确可靠的空间信号而进行的测试行为。飞行校验对飞行过程中涉及到的导航信号、雷达信号、通信设备信号等进行检查和评估，根据检查和评估的结果给出飞行校验报告，可以保障飞行安全。
随着民用航空业的发展，民航基础设施建设加快，飞行校验的任务也越来越繁重，目前多采用有人机飞行校验，这种校验方式操作复杂且成本高，并且需要人员在飞机上进行校验操作，所以有人机飞行校验效率非常低，因此无人机飞行校验发展起来。
无人机飞行校验是指将专门的校验设备装载到无人机上，利用校验无人机对地面进行全面的监视从而完成飞行校验任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法，实现远程完成无人机飞行校验，提高无人机飞行校验的效率。
本发明提供的一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统，包括可以进行垂直起降的混合翼无人机、轻量飞行校验设备、飞行校验数据公网实时传输模块、飞行校验数据评估数据库以及云校验系统平台。飞行校验数据公网实时传输模块包括机载5G通信模块和飞行校验远程5G通信模块。
因为无人机的载荷及空间有限，所以装载的飞行校验设备与传统有人机飞行校验设备不同，它应具有体积小、重量轻的特点，所以选择轻量飞行校验设备。将轻量飞行校验设备和机载5G通信模块装备到无人机上；云校验系统平台上设置有飞行校验远程5G通信模块。
所述轻量飞行校验设备接收机场导航台站的信号，获取无人机执行飞行校验科目过程的飞行校验数据，将飞行校验数据通过机载5G通信模块实时传送出去。所述云校验系统平台通过飞行校验远程5G通信模块接收飞行校验数据，实时存储至飞行校验数据评估数据库中。
所述机载5G通信模块和飞行校验远程5G通信模块对传输数据采用base64编码，采用JSON数据格式通过云服务器进行传输，通信采用MQTT(消息队列遥测传输)协议。
所述无人机飞行校验数据评估数据库对得到的数据进行预处理，评估数据的完整性、正确性。
所述云校验系统平台包括用户个人信息单元、飞行校验数据显示单元和飞行校验数据分析单元。用户个人信息单元用于存储用户信息，赋予用户不同访问权限。飞行校验数据显示单元用于对飞行校验数据进行可视化。飞行校验数据分析单元从飞行校验数据评估数据库中读取飞行校验数据，对飞行校验数据进行分析，包括对无人机进行航迹优化，对无人机系统进行故障预测，以及实现无人机飞行冲突解脱。云校验系统平台通过5G通信模块发送信号给无人机，控制无人机的飞行。
基于上述云校验系统，本发明提供的一种基于无人机飞行校验平台的云校验方法，包括如下步骤：
步骤1，无人机上的轻量飞行校验设备一方面接收机场导航台站发送的信号，另一方面通过5G网络接收云校验系统平台发送的控制信号，控制无人机飞行；其中云校验系统平台发送的控制信号的优先级较高；
步骤2，无人机执行飞行校验科目，轻量飞行校验设备采集飞行校验数据，通过机载5G通信模块发送出去。
步骤3，云校验系统平台对飞行校验数据进行实时分析，包括实现无人机航迹优化，对无人机系统进行故障预测，以及实现无人机飞行冲突解脱，并通过飞行校验远程5G通信模块将对应的控制信号发送出去。
相对于现有技术，本发明的优点与积极效果在于：
(1)本发明系统和方法中，云校验系统可从所述飞行校验数据评估数据库中调取数据并接收所述飞行校验数据公网实时传输模块传输的数据，进行数据分析，评估飞行校验数据，确定信号质量，给出飞行校验报告，通过无人机飞行校验数据公网实时传输模块与无人机连接，控制无人机的飞行。
(2)本发明系统和方法解决了现有飞行校验技术无法实现数据分析的问题，利用数据分析实现了以下三个功能：无人机飞行在非隔离空域，利用飞行冲突解脱方法保障无人机和通用航班的安全；相比有人机，无人机的故障率很高，对无人机进行故障预测，提高无人机进行飞行校验任务的可靠性；无人机飞行速度慢，对无人机进行航迹优化，提高无人机进行飞行校验任务的效率。
(3)本发明系统在现有的无人机飞行校验平台的基础上，实现了数据综合管理的远程控制平台，可以完成大规模数据的存储、处理、可视化；解决了现有飞行校验平台因为数据来源不一、类型复杂而导致数据处理效率低，有效信息利用率低的问题。
(4)本发明系统和方法在现有的无人机飞行校验技术的基础上，可以远程对无人机的飞行状态进行评估，在因为一些不可控因素不能到达现场的情况下，也可以完成无人机飞行校验，可以提高无人机飞行校验的效率。
附图说明
图1为本发明提供的无人机飞行校验平台下的云校验系统的系统总体设计图；
图2为本发明提供的无人机飞行校验数据公网实时传输部分的结构组成图；
图3为本发明的云校验系统平台的结构组成图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出的基于无人机飞行校验平台的云校验系统及方法，基于5G信号基站完成信号的传输，使无人机机载轻量飞行校验设备处理的飞行校验数据可以传送到异地，在异地远程对无人机的飞行校验数据进行处理和评估，实现无人机飞行校验的云校验，保障无人机及通用航班的安全，提高无人机飞行校验的可靠性和效率。
如图1所示，本发明实现的一种无人机飞行校验的云校验系统，包括：混合翼无人机101、轻量飞行校验设备102、无人机飞行校验数据公网实时传输模块103、无人机飞行校验数据评估数据库104和云校验系统平台105。
混合翼无人机101可以进行垂直起降，轻量飞行校验设备102装置在混合翼无人机101上，与机场导航台站和无人机飞行校验数据公网实时传输模块103相连。轻量飞行校验设备102用于接收机场导航台站的信号并进行实时处理，获得飞行校验数据，将飞行校验数据通过无人机飞行校验数据公网实时传输模块103传送给云校验系统平台105。机场导航台站的信号包括LOC信号、GS信号、VOR信号、ADF信号、DME信号和Marker信号。无人机飞行校验数据公网实时传输模块103与无人机飞行校验数据评估数据库104和云校验系统平台105相连，进行数据的传输。无人机飞行校验数据评估数据库104可以安装在云校验系统平台105上，也可以安装在其他安装了5G通信模块的计算机上，通过5G网络与云校验系统平台105、混合翼无人机101进行通信。本发明实施例中，无人机飞行校验数据评估数据库104安装在云校验系统平台105。
如图2所示，本发明的无人机飞行校验数据公网实时传输模块103包括：无人机机载5G通信模块201、5G信号基站202和无人机飞行校验远程5G通信模块203。本发明实施例中，无人机机载5G通信模块201安装在混合翼无人机101上，无人机飞行校验远程5G通信模块203安装在云校验系统平台105上。
本发明系统采用Internet/Internet模式进行数据传输，所述无人机机载5G通信模块201利用所述5G信号基站202将实时飞行校验数据通过5G移动通信网络传送至远程5G信号基站202，将实时飞行校验数据传输至所述无人机飞行校验远程5G通信模块203。
可选的5G通信模块为双工业模组、内置中国电信和中国联通的物联网卡。
将所需传输的数据采用base64编码和采用JSON数据格式通过云服务器进行传输。通过MQTT协议建立消息转发机制，采用MQTT和云端服务器融合的方式，可以实现一个服务器与多个终端连接的网络通信模式，实现远程数据交流。
无人机飞行校验数据评估数据库104对得到的数据进行预处理，评估数据的完整性、正确性。
如图3所示，所述云校验系统平台105包括用户个人信息单元301、飞行校验数据显示单元302和飞行校验数据分析单元303。
所述用户个人信息单元301存储用户信息，赋予用户不同的访问权限；所述飞行校验数据显示单元302对飞行校验过程中收集到的数据进行显示，包括但不限于显示进行校验任务的无人机的航迹、飞行校验设备的数据、无人机飞手信息。所述飞行校验数据分析单元303对收集到的飞行校验数据进行分析，可以实现无人机航迹优化、无人机系统故障预测功能、无人机飞行冲突解脱等功能。
无人机航迹优化是为了让校验无人机完成尽可能多的校验科目，并减少安全暴露时间，提高无人机飞行校验的效率。
可选的所述无人机航迹优化方法为蚁群算法结合人工势场法。传统蚁群算法前期对路径的搜索能力较差，但全局搜索能力较好，而传统人工势场法局部搜索能力较好，但容易陷入局部极限值，全局搜索能力较差，因此将两种方法融合，实施方法为将人工势场法中无人机受到的合力引入蚁群算法的启发信息，以解决蚁群算法前期对路径的搜索能力较差的局限性。通过蚁群算法搜索无人机最优路径。
设无人机目标终点为g，当蚂蚁从节点i走到节点j时，改进蚁群算法的启发信息η(i，j)为：
Figure BDA0003340933870000041
其中，ε为与迭代次数N成反比的系数，ε＝1/N，dij为节点i到节点j的距离，djg为节点j到目标终点g的距离，Ftotal为人工势场中无人机受到的合力。节点代表位置点。
相较于有人机，无人机发生故障的概率更大，为提高无人机飞行校验技术的可靠性，在云校验系统中添加无人机系统故障预测功能。
可选的所述无人机系统故障预测方法为BP(Back Propagation)神经网络结合故障树方法。与有人机相比，无人机的数据量很少，因此对无人机的故障预测大多基于理论分析，比如故障树方法，但这类方法都是对已知的故障类型进行预测，无法应对未知的系统错误，神经网络拥有自学习功能，可以检测出未知的故障，但无法利用现有知识经验改善性能。本发明采用BP神经网络和故障树的融合算法，首先利用故障树进行故障诊断，然后对经常发生故障的设备和重点设备利用BP神经网络进行故障预测，重点监查。
首先建立故障树，建立故障和故障原因，即顶事件和各中间事件、底事件通过逻辑符号联系起来构成的逻辑关系。
其中采用故障树的定量分析法，可得：
顶事件发生概率：
Figure BDA0003340933870000051
其中，x为输出事件，xi为输入事件，P(xi)为输入事件发生概率，N为输入事件数量。
第j个底事件发生概率：
Figure BDA0003340933870000052
其中，λj为第j个事件发生率，t为底事件工作时间。
第j个底事件概率重要度：
Figure BDA0003340933870000053
通过底事件概率重要度可以定位导致顶事件发生的最重要原因，帮助维修人员快速定位故障并进行维修，提高故障诊断概率。
根据数据信息，基于经常发生故障的设备和重点设备搭建神经网络，建立相关动态模型进行故障预测。
由于飞行校验无人机飞行在非隔离空域，而现有空管系统都只对隔离空域中的无人机进行安全管控，为了不影响通用航班的正常飞行，本发明设计基于非隔离空域中通用航班和无人机的相关信息利用ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，广播式自动相关监视)信号实现无人机飞行冲突解脱功能的方法，包括冲突检测和冲突解脱。
可选的所述无人机冲突解脱算法步骤包括对无人机周边区域建模、飞行冲突检测、解脱方案建议。
将无人机周边区域划分为圆柱体形状的碰撞区域(CAZ)和保护区域(PAZ)，尺寸如下：
RPAZ(t)＝RCAZ+vhor(t)*thor
HPAZ(t)＝HCAZ+vvert(t)*tvert
其中，thor和tvert分别表示规定的水平方向和垂直方向的预留时间，vhor(t)和vvert(t)分别是无人机与入侵机在水平方向和垂直方向的相对速度。此处入侵机即通用航班飞机。t表示t时刻。RPAZ(t)表示保护区域的半径、HPAZ(t)表示保护区域的高度，RCAZ、HCAZ分别表示碰撞区域的半径和高度。
对无人机分别在垂直区域和水平区域进行冲突检测，设置预警时间。首先检测是否有通用航班飞机进入垂直保护区域，然后在水平方向进行冲突检测，随即进行冲突确认，计算检测时间到入侵机进入到无人机的保护区域的时间长度是否小于预警时间，给出检测结果，当小于预警时间时执行解脱。
根据无人机的特性，分别在水平方向和垂直方向给出解脱方案建议。水平方向通过控制无人机调向和调速进行解脱，垂直方向通过控制无人机上升和下降来进行解脱。
所述无人机飞行校验数据评估数据库104实时接收、存储所需的飞行校验数据，使之可以被访问并显示。
基于上述云校验系统，本发明实现的基于无人机飞行校验平台的云校验方法，包括如下步骤1～3。
步骤1，云校验系统平台105和轻量飞行校验设备102配合，通过两种方式达到远程控制混合翼无人机101飞行的目的。
轻量飞行校验设备102一方面接收机场导航台站发送来的信号，另一方面也通过5G网络接收云校验系统平台105发送的控制信号，进而可控制混合翼无人机101飞行，采集飞行校验数据。
轻量飞行校验设备102根据设定的信息、周围的环境等内容做出航速调整、障碍物规避等局部调整动作。在前方航线出现威胁、临时航路管制等状况需要控制无人机进行航线调整等情况时，云校验系统平台105通过无人机飞行校验数据公网实时传输模块103向无人机发送指令，对混合翼无人机101进行飞行控制。这两种方式同时作用，其中第二种方式的优先级高于第一种方式。
步骤2，混合翼无人机101执行飞行校验项目，轻量飞行校验设备102采集飞行校验数据，通过无人机飞行校验数据公网实时传输模块103发送出去。
步骤3，云校验系统平台105对飞行校验数据进行分析，进行无人机航迹优化，对飞行校验设备故障预测，以及实现无人机飞行冲突解脱，通过无人机飞行校验数据公网实时传输模块103将对应的控制信号发送出去。
本发明在现有的无人机飞行校验平台的基础上，提出了一个实现数据分析与综合管理的云校验系统及方法，解决了现有飞行校验技术因为数据来源不一、类型复杂而导致数据处理效率低，无法得到有价值的信息的问题。本发明系统可以完成大规模数据的存储、处理、可视化，还实现了数据分析功能，通过三个方法提高了飞行校验技术的可靠性和效率，并且保证了无人机和通用航班的安全。除此之外，本发明系统可以远程对无人机的飞行状态进行评估，在因为一些不可控因素不能到达现场的情况下，也可以控制无人机的飞行来完成无人机飞行校验，可以提高无人机飞行校验的效率。
本发明系统和方法结合国内覆盖的5G基站，利用Internet/Internet方法实现信号的接收与传输，结合现有飞行校验设备，可以证明本发明方案是可行的。本发明突破了飞行校验的距离限制，在校验人员因不可抗因素无法到达现场的情况下也可以完成飞行校验。本发明提高了无人机飞行校验的效率，对实施无人机飞行校验具有重大的发展意义。
本发明具体实施方式中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于无人机飞行校验平台的云校验系统，其特征在于，包括：混合翼无人机、轻量飞行校验设备、飞行校验数据公网实时传输模块、飞行校验数据评估数据库以及云校验系统平台；飞行校验数据公网实时传输模块包括机载5G通信模块和飞行校验远程5G通信模块；轻量飞行校验设备和机载5G通信模块安装在无人机上；飞行校验远程5G通信模块和飞行校验数据评估数据库安装在云校验系统平台上；
所述轻量飞行校验设备接收机场导航台站的信号，获得无人机的飞行校验数据，将飞行校验数据通过机载5G通信模块实时传送出去；所述云校验系统平台通过飞行校验远程5G通信模块接收飞行校验数据，实时存储至飞行校验数据评估数据库；
所述云校验系统平台上设置有飞行校验数据分析单元；飞行校验数据分析单元读取飞行校验数据评估数据库中的飞行校验数据，并进行分析，包括进行无人机航迹优化、无人机系统故障预测和无人机飞行冲突解脱；所述云校验系统平台通过飞行校验远程5G通信模块发送信号给无人机，控制无人机的飞行。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载5G通信模块和飞行校验远程5G通信模块对传输数据采用base64编码，采用JSON数据格式通过云服务器进行传输，通信采用MQTT协议；MQTT表示消息队列遥测传输。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述云校验系统平台，还设置有用户个人信息单元和飞行校验数据显示单元；所述用户个人信息单元存储用户信息，赋予用户不同的访问权限；所述飞行校验数据显示单元对飞行校验过程中收集的数据进行显示，所述的飞行校验过程中收集的数据包括进行校验任务的无人机的航迹、飞行校验设备的数据和无人机飞手信息。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的飞行校验数据分析单元，进行无人机航迹优化的目的是让无人机完成尽可能多的校验科目，并减少安全暴露时间，采用蚁群算法结合人工势场的方法进行无人机航迹优化；优化时，将人工势场法中无人机受到的合力引入蚁群算法的启发信息，如下：
设无人机目标终点为g，当蚂蚁从节点i走到节点j时，改进蚁群算法的启发信息η(i，j)为：
Figure FDA0003340933860000011
其中，dij为节点i到节点j的距离，djg为节点j到目标终点g的距离，Ftotal为人工势场中无人机受到的合力，ε为与迭代次数N成反比的系数。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的飞行校验数据分析单元，采用BP神经网络结合故障树的方法进行无人机系统故障预测，首先利用故障树对无人机已知的故障类型进行预测，然后对故障发生频率超过阈值的设备和重点设备利用BP神经网络进行故障预测。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的混合翼无人机飞行在非隔离空域，所述的飞行校验数据分析单元，基于非隔离空域中通用航班和无人机的航迹，利用ADS-B信号进行无人机飞行冲突解脱；其中ADS-B表示广播式自动相关监视；
首先，将无人机周边区域划分为圆柱体形状的碰撞区域和保护区域，如下：
RPAZ(t)＝RCAZ+vhor(t)*thor
HPAZ(t)＝HCAZ+vvert(t)*tvert
其中，t表示t时刻；RPAZ(t)表示保护区域的半径，HPAZ(t)表示保护区域的高度；RCAZ表示碰撞区域的半径，HCAZ表示碰撞区域的高度；vhor(t)和vvert(t)分别是无人机与入侵机在水平方向和垂直方向的相对速度；thor和tvert分别表示规定的水平方向和垂直方向的预留时间；
然后，设置预警时间，对无人机分别在垂直区域和水平区域进行冲突检测；当检测到冲突时，分别在水平方向和垂直方向控制无人机进行解脱；水平方向通过控制无人机调向和调速进行解脱，垂直方向通过控制无人机上升和下降进行解脱。
7.一种基于权利要求1～6任一所述的云校验系统的云校验方法，包括：
步骤1，混合翼无人机上的轻量飞行校验设备一方面接收机场导航台站发送的信号，另一方面通过5G网络接收云校验系统平台发送的控制信号，控制混合翼无人机飞行；其中云校验系统平台发送的控制信号的优先级较高；
步骤2，混合翼无人机执行飞行校验科目，轻量飞行校验设备采集飞行校验数据，通过机载5G通信模块发送出去；
步骤3，云校验系统平台对飞行校验数据进行实时分析，包括无人机航迹优化，对无人机系统进行故障预测，以及实现无人机飞行冲突解脱，并通过飞行校验远程5G通信模块将对应的控制信号发送出去。
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