CN114217640A - 一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法及系统，长机的自动驾驶仪接收指令，控制长机起飞，开始执行飞行任务，同时将自身飞行数据信息发送到编队飞行运动学模块，编队飞行运动学模块根据长机飞行状态数据计算出僚机跟随长机所需的飞行指令，和编队间隔指令汇总后一起发送到编队控制器模块，编队控制器将指令发送到各僚机，僚机做出相应跟随响应，同时将飞行姿态数据反馈到编队飞行运动学模块，密集编队是一个闭环系统。与单架无人机相比，多架无人机编队飞行进行协同侦察、协同作战等任务的成功率大为提高，解决了由于载重、成本等因素的限制，单架无人机已经很难完成日渐复杂的任务需求的技术问题。

Description

一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法及系统

技术领域

本发明属于无人机集群控制技术领域，涉及一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法及系统。

背景技术

与单架无人机相比，多架无人机编队飞行进行协同侦察、协同作战等任务的成功率大为提高。无人机编队飞行的价值已经得到了普遍认同，很多地区相继推出了无人机编队飞行验证、演示项目，以及无人机编队协同作战方面的研究。

无人机以其低成本、无伤亡等优势，成为目前竞相发展的重点。然而，由于载重、成本等因素的限制，单架无人机已经很难完成日渐复杂的任务需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，包括以下步骤：

S1，长机根据长机初始飞行机动指令飞行并实时输出长机飞行姿态和飞行位置数据；

S2，根据编队间隔指令及长机飞行姿态和飞行位置数据生成各僚机的初始飞行指令，实时采集各僚机的飞行姿态和飞行位置数据；

S3，根据各僚机的飞行姿态和飞行位置数据及长机实时输出的长机飞行姿态和飞行位置数据生成各僚机的实时飞行指令，各僚机根据实时飞行指令执行飞行任务。

本发明的进一步改进在于，

所述各僚机在接收飞行数据信息，执行飞行任务中还包括以下步骤：

通过激光雷达监测本机与其他飞机的间隔距离，计算得到机间距离，调整与其他各机的间距。

所述长机接收的飞行机动指令和各僚机的飞行指令包括速度指令、航向指令、高度指令和编队模式指令。

所述编队模式指令包括自由编队模式和固定编队模式。

所述编队间隔指令包括间隔控制指令和直线间隔指令；

所述间隔控制指令包括x、y、z三个通道的间隔控制指令，用于固定编队模式的队形控制；

所述直线间隔指令包括各机间直线距离信息，用于自由编队模式。

所述长机和各僚机表面为黑色，反射率值≤70；所述长机和各僚机表面为白色，反射率值≥180。

一种飞机多机密集编队安全飞行控制系统，包括长机自动驾驶仪模块、编队飞行运动学模块、编队控制器模块、编队间隔指令模块和僚机自动驾驶仪模块；

长机自动驾驶仪模块用于接收长机飞行机动指令，并实时输出长机飞行姿态和飞行位置的数据；

编队飞行运动学模块用于接收各机飞行姿态和飞行位置的数据，根据长机数据反馈，计算并发送各僚机的飞行指令；

编队间隔指令模块用于发送编队间隔指令

编队控制器模块用于接收各僚机的各项飞行指令和编队间隔指令的飞行数据信息，并将飞行数据信息发送至各僚机；

僚机自动驾驶仪模块用于接收僚机飞行数据信息，执行飞行任务，并实时输出僚机的飞行姿态和飞行位置的数据。

本系统的进一步改进在于，

所述僚机自动驾驶仪模块包括激光雷达单元和飞行数据处理单元。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述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实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，与单架无人机相比，多架无人机编队飞行进行协同侦察、协同作战等任务的成功率大为提高，本发明的编队间隔指令具有较多的编队模式，可以根据不同的任务需求进行相应的变换；同时本发明的飞行信息采集后可以将飞行数据信息发送至各僚机，可以实现对各僚机的单独控制，长机与各僚机的通信也互相独立，避免了通信紊乱的现象，也便于对各僚机的单独控制，保证了队形的稳定性。

进一步的，本发明的僚机搭载激光雷达辅助进行机间间距控制和定位识别，相较于只采用GPS设备的无人机编队，提高了无人机的机间定位精度以及识别准确率，增强了无人机编队在复杂环境下的安全性以及可靠性，无人机编队在缺失GPS信号的情况下仍具有一定自主飞行能力。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的工作原理示意图；

图2为本发明的机动指令模块原理图；

图3为本发明的间隔指令模块原理图；

图4为本发明的长机自动驾驶仪模块原理图；

图5为本发明的编队飞行运动学模型原理图；

图6为本发明的编队控制器模型原理图；

图7为本发明的僚机自动驾驶仪模块原理图；

图8为本发明的三机编队示意图；

图9为本发明的四机编队示意图；

图10为本发明的四机的十字平面编队示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，在编队飞行初始阶段，可以理解为起飞阶段，长机的自动驾驶仪接收指令，控制长机起飞，开始执行飞行任务，同时将自身飞行数据信息发送到编队飞行运动学模块，初始阶段僚机状态为待机，因此没有反馈数据，编队飞行运动学模块根据长机飞行状态数据计算出僚机跟随长机所需的飞行指令，和编队间隔指令汇总后一起发送到编队控制器模块，编队控制器将指令发送到各僚机，僚机做出相应跟随响应，同时将飞行姿态数据反馈到编队飞行运动学模块。在编队机动指令和编队间隔指令不变的情况下，整个密集编队是一个闭环系统。

本发明涉及的编队飞机为固定翼无人机，为了实现编队飞行间距控制与飞机识别，将长机喷涂为黑色，僚机喷涂为白色。

本发明实施例公开了一种飞机多机密集编队安全飞行控制系统：

参见图2，编队机动指令模块，主要接收期望的整个编队的飞行机动指令，主要有高度、速度、航向以及编队模式等数据，并且将指令输入飞行编队的长机自动驾驶仪模块，编队模式有自由编队模式、固定编队模式等。本模块是整个系统的信号输入端，设置于长机的飞控系统中。

参见图3，编队间隔指令包含密集编队中飞机间隔信息，包括x、y、z三个通道的间隔控制信息以及直线间隔指令，直线间隔指令包含无人机之间的直线距离，用于控制无人机机间间距，作为控制编队飞行的安全控制的一个重要输入控制量，由人为进行设置并保持不变。

参见图4，长机自动驾驶仪模块为密集编队中长机的飞行控制模块，带有指令接收模块，负责接收整个编队的机动指令，包括长机速度指令、航向指令、高度指令、编队模式指令，并根据指令做出相应机动。本模块包含一个完整的飞行控制系统，能保证无人机的正常机动飞行，并对无人机的姿态和位置数据进行实时输出。

参见图5，编队飞行运动学模型模块用于接收密集编队中的各机反馈回来的飞行姿态、位置数据信息，根据长机数据和反馈信息，对各项飞行指令进行计算并输出，主要输出有僚机飞行指令，包括僚机速度指令、航向指令、高度指令、编队模式指令。

编队飞行运动学模型模块接收来自长机和僚机反馈的姿态、位置数据信息，解算各僚机为跟随长机应做出的机动动作，将僚机的机动指令发送到编队控制器，分别发送给各僚机。

参见图6，编队控制器模块接收编队间隔指令以及编队飞行动力学模块发送的僚机机动指令，将数据信息分发给相应僚机。编队控制器将各僚机控制指令分组编号管理，使通信相互独立互不干扰，为固定编队模式提供消息结构基础。固定编队飞行时，各僚机的飞行指令有所区别。

编队控制器根据间隔指令与飞行编队模式，计算并输出间隔指令到个僚机。主要有直线间隔指令间隔控制指令，其中间隔控制指令包含僚机x、y、z三通道控制指令，用于固定编队模式的队形控制，直线间隔指令包含机间直线距离信息，用于自由编队模式。

参见图7，僚机自动驾驶仪模块为密集编队中僚机的飞行控制模块，相对于长机自动驾驶仪模块，僚机自动驾驶仪多配置一个激光雷达以及相应的数据处理模块。僚机的飞行模式分为自由编队模式与固定编队模式，自由飞行模式下速度指令、航向指令、高度指令、间隔指令生效，僚机位置没有固定，编队队形随环境和周围飞机数量变换；固定编队模式下，僚机的位置固定，队形在飞行过程中保持不变。

接收到编队控制器的数据信息后，僚机自动驾驶仪在调整飞行姿态的同时，通过激光雷达模块实时监测本机与其他飞机的间隔距离，并计算得到机间距离，机间间距数据发送到僚机自动驾驶仪的飞行控制系统，调整间距以保持安全的编队飞行。本模块同时会解算自身飞行姿态、位置数据，反馈到编队飞行运动学模块。

编队飞行过程中无人机识别与间距控制主要由激光雷达实现。其中测距主要采用聚类算法，将激光雷达获取的点云数据进行聚类形成不同的点云集，将聚类中心作为该云集的坐标，即无人机坐标。

无人机识别通过反射率的不同来实现。飞机的涂装在激光雷达扫描下反射率也不相同，具体的，如物体表面为黑色，反射率值在70以下，如果物体表面为白色，反射率值大小在180以上。

编队飞行中的定位采取GPS与激光雷达协同工作的方式。仅仅依靠激光雷达定位可能会有一定偏差，激光雷达获取无人机在机体坐标系下的相对位置，GPS获取无人机在大地坐标系下绝对位置。

本发明密集编队安全飞行技术，主要编队策略采用领队-跟随的编队方式，有一架长机与多架僚机，长机的飞行完全独立于僚机，而且长机的自动驾驶仪发出整个编队的飞行指令。

单架僚机的控制指令来源于编队飞行运动学模块根据长机飞行指令所计算得到的飞行指令。

本发明中编队飞行的间隔距离控制主要基于僚机搭载的激光雷达及其数据处理模块。

激光雷达可以扫描到周围的物体并返回点云三维坐标值与反射率，在无人机周围同时检测到两架以上无人机时，由于激光雷达检测数据以坐标点云形式返回，每个无人机点云以自身为中心高度集中，采用聚类算法对点云进行区分识别与定位。预先设定无人机数量为K组，随机选取K个雷达扫描到的点作为初始的聚类中心，然后计算其他各点与各个种子聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心；聚类中心以及分配给它们的对象就代表一架无人机的点云团，取聚类中心的坐标代表该飞机坐标。每进行一次聚类，聚类中心会根据聚类中现有的对象被重新计算；这个过程将不断重复，直到满足没有(或最小数目)聚类中心再发生变化，误差平方和局部最小。迭代结束后得到无人机的相对位置。

无人机位置控制时，为增加编队控制系统稳定性与准确性，使用GPS与激光雷达协同工作的方式进行。

激光雷达可以测量无人机之间的位置，无法得知所测无人机的编号，由于激光雷达可以感知物体表面颜色，物体颜色不同，激光雷达测量数据的反射率也会不同，具体的，如物体表面为黑色，反射率值在70以下，如果物体表面为白色，反射率值大小在180以上。

密集编队中长机，僚机分别采用黑色和白色两种颜色，这样在编队飞行过程中，无人机所搭载的激光雷达可以将反射率返回值小于70的定位看作是长机，将反射率大于180的返回值看作是僚机定位数据，由此可识别出长机。

本发明密集编队的编队形式分为自由编队与固定编队两种。

自由编队模式下，僚机接收直线间隔指令，XYZ三通道指令不生效，无人机密集编队飞行时，在编队内部，多机之间要保持一定的距离，既不能发生碰撞，又要保证在一定范围以内；此时飞行编队系统中，长机不搭载激光雷达,不考虑间距因素，所有的僚机根据长机和周围僚机状态调整飞行状态，当僚机与长机出现较大距离时，僚机向长机靠近；当两机非正常靠近时，僚机迅速远离长机，僚机与长机之间维持编队间隔指令规定的间距。僚机之间的距离小于间隔指令间隔距离时，在保持与长机间隔的情况下相互远离。

固定编队模式下，接收XYZ三通道间隔指令，直线间隔指令不生效，僚机根据间隔指令，在激光雷达与GPS的感知下调整自身位置，此时的僚机相对于长机位置固定，角度、高度等相对于长机的位置信息不再变化，无人机固定编队可以采用高低编队的形式，也可以是平面编队形式。

参见图8，三机编队时，高低编队，一架僚机低于长，在长机左后40°方向，另一架僚机高于长机，机身轴线与长机重合。

参见图9，四机编队时，飞机呈人字形编队，同样是高低编队模式，人行角度为2α，长机处于最高处，其余僚机依次展开；该队形可以继续延伸，增加更多数量的僚机，编队控制思路不变。

参见图10，是四机的十字平面编队，长机与僚机都在同一高度。

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，长机根据长机初始飞行机动指令飞行并实时输出长机飞行姿态和飞行位置数据；

S2，根据编队间隔指令及长机飞行姿态和飞行位置数据生成各僚机的初始飞行指令，实时采集各僚机的飞行姿态和飞行位置数据；

S3，根据各僚机的飞行姿态和飞行位置数据及长机实时输出的长机飞行姿态和飞行位置数据生成各僚机的实时飞行指令，各僚机根据实时飞行指令执行飞行任务。

2.根据权利要求1所述的一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，其特征在于，所述各僚机在接收飞行数据信息，执行飞行任务中还包括以下步骤：

通过激光雷达监测本机与其他飞机的间隔距离，计算得到机间距离，调整与其他各机的间距。

3.根据权利要求1所述的一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，其特征在于，所述长机接收的飞行机动指令和各僚机的飞行指令包括速度指令、航向指令、高度指令和编队模式指令。

4.根据权利要求3所述的一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，其特征在于，所述编队模式指令包括自由编队模式和固定编队模式。

5.根据权利要求3所述的一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，其特征在于，所述编队间隔指令包括间隔控制指令和直线间隔指令；

所述间隔控制指令包括x、y、z三个通道的间隔控制指令，用于固定编队模式的队形控制；

所述直线间隔指令包括各机间直线距离信息，用于自由编队模式。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种飞机多机密集编队安全飞行控制方法，其特征在于，所述长机和各僚机表面为黑色，反射率值≤70；所述长机和各僚机表面为白色，反射率值≥180。

7.一种飞机多机密集编队安全飞行控制系统，其特征在于，包括长机自动驾驶仪模块、编队飞行运动学模块、编队控制器模块、编队间隔指令模块和僚机自动驾驶仪模块；

长机自动驾驶仪模块用于接收长机飞行机动指令，并实时输出长机飞行姿态和飞行位置的数据；

编队飞行运动学模块用于接收各机飞行姿态和飞行位置的数据，根据长机数据反馈，计算并发送各僚机的飞行指令；

编队间隔指令模块用于发送编队间隔指令

编队控制器模块用于接收各僚机的各项飞行指令和编队间隔指令的飞行数据信息，并将飞行数据信息发送至各僚机；

僚机自动驾驶仪模块用于接收僚机飞行数据信息，执行飞行任务，并实时输出僚机的飞行姿态和飞行位置的数据。

8.一种飞机多机密集编队安全飞行控制系统，其特征在于，所述僚机自动驾驶仪模块包括激光雷达单元和飞行数据处理单元。

9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

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