CN115437405A - 一种飞机大规模仿生编队控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机大规模仿生编队控制系统及方法，包括：软件平台和硬件平台，软件平台用于计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；硬件平台包含飞控子系统、传感器子系统和通信子系统；飞控子系统以飞控计算机作为运算核心，用于接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；传感器子系统用于获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；通信子系统用于飞机机间通信。本发明能够有效的提高结构的灵活性和容错性，能够有效满足飞机大规模机群执行编队飞行任务的要求。

Description

一种飞机大规模仿生编队控制系统及方法

技术领域

本发明属于飞机控制领域，涉及一种飞机大规模仿生编队控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着飞机飞行控制等技术的快速发展，飞机在森林消防、管线巡检、野外搜索、公演展出、大规模集群作战等诸多领域起到重要作用。在实际应用中，单架飞机在执行高难度、复杂任务时，容易出现航程不足或受外界因素干扰而导致的飞机损毁、任务失败等问题。而机群可以依靠多飞机冗余备份设计以及任务协同分配等方式达到单架飞机无法企及的效能，因此有必要进一步开展机群控制方法研究。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种飞机大规模仿生编队控制系统及方法，能够具备高度的结构灵活性和容错性，能够有效满足飞机大规模机群执行编队飞行任务的要求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种飞机大规模仿生编队控制系统，包括若干飞机子机群和飞机飞行控制模块；

所述飞机子机群包括若干僚机与一个长机，所述长机用于进行飞行路径规划与编队控制，所述僚机用于跟踪临近飞机和编队几何中心点；

所述飞机飞行控制模块位于飞机上，包括软件平台与硬件平台；

所述软件平台用于计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；

所述硬件平台用于为软件平台提供实现功能的硬件设备；

所述硬件平台包含飞控子系统、传感器子系统和通信子系统；

所述飞控子系统以飞控计算机作为运算核心，用于接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；

所述传感器子系统用于获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；

所述通信子系统用于飞机机间通信。

第二方面，本发明提供一种飞机大规模仿生编队控制方法，包括以下步骤：

飞机子机群长机的软件平台计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；

飞机子机群僚机跟踪临近飞机和编队几何中心点；

飞机子机群长机的飞控子系统接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；

飞机子机群长机的传感器子系统获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；

飞机子机群长机的通信子系统进行飞机机间通信。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明以飞机子机群为编队控制基础单元，通过长机规划路径、僚机跟踪反馈的方式进行基础单元的编队飞行，多个基础单元相互组合形成飞机大规模仿生控制编队，本发明包含软件平台和硬件平台，软件平台用于计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；硬件平台包含飞控子系统、传感器子系统和通信子系统；飞控子系统以飞控计算机作为运算核心，用于接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；传感器子系统用于获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；通信子系统用于飞机机间通信。本发明能够有效满足飞机大规模机群执行编队飞行任务的要求。

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为本发明飞机大规模仿生编队控制系统总体结构图。

图2为本发明飞机导航灯安装位置示意图。

图3为本发明机群飞行全编队结构示意图。

图4为本发明飞行控制系统模型整体结构示意图。

图5-图8为本发明飞机大规模仿生编队控制系统具体实施流程示意图。

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：

本发明实施例公开了一种飞机大规模仿生编队控制系统，包括：若干飞机子机群和飞机飞行控制模块；所述飞机一般指无人机，飞机子机群包括若干僚机与一个长机，长机用于进行飞行路径规划与编队控制，僚机用于跟踪临近飞机和编队几何中心点；飞机飞行控制模块位于飞机上；

参见图1，飞机飞行控制模块包括软件平台与硬件平台；

软件平台用于计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；

硬件平台用于为软件平台提供实现功能的硬件设备；硬件平台包含飞控子系统、传感器子系统和通信子系统；飞控子系统以飞控计算机作为运算核心，用于接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；传感器子系统用于获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；通信子系统用于飞机机间通信。

本发明所涉及的飞机搭载任务载荷执行飞行任务，通过长机路径规划，僚机跟随的方式实现大规模飞机仿生编队控制，为达到这一设计目的，需要对本发明所涉及的软硬件进行分别设计，其中软件平台为驱动硬件平台实现预期功能，硬件平台则为软件平台提供实现功能的硬件平台。

软件平台设计

本发明所涉及的软件平台指基于现有飞机软件框架下设计的控制算法，该算法囊括编队内定位、编队集群控制两部分。

1、编队内定位算法

在进行编队飞行时，编队控制的核心信息来源于各个机群中每架飞机的绝对和相对位置，而目前单一的传感器无法实现精确定位；此外，依赖于单一传感器会造成可靠性太低，当单一传感器在发生故障时，对编队整体会构成巨大威胁，因此本发明提出了多传感器数据综合编队内定位。

本发明应用了GPS传感器和视觉传感器两种传感器。软件平台通过编队内定位算法计算编队定位数据，所述编队内定位算法对视觉传感器与GPS传感器两个传感器的数据进行运算处理，视觉传感器的定位方式采用被识别目标几何中心作为参考点，基于机器学习算法进行训练的方法进行编队内定位，并将GPS传感器数据经坐标转换后与视觉传感器的定位结果求取均值。

首先在每架飞机的两侧机翼翼稍、机腹正下方位置、垂尾顶端各安装一个导航灯，共计四个红色导航灯，且相邻两导航灯间距均为四分之三倍翼展，这样其他飞机在任意角度均能识别到超过三个导航灯，如图2所示，而后进行灰度计算处理，识别得到图像中导航灯所在的像素点位置。将图像正中央设为坐标原点，设共计识别到n个导航灯，第i个导航灯的坐标为（xi,yi），则识别到的目标中心点的位置如下式所示：

式中x _ci 与y _ci 分别为识别到目标中心点在图像坐标中的横纵坐标，则目标飞机在图像中的坐标可近似认为是(x _ci ,y _ci )。此外由于编队中飞机的尺寸均已知且相同，可以基于图像中两导航灯之间间距来测算目标飞机相对于本机的距离与角度，故利用当前已有的机器学习算法进行监督训练，得到距离测算机器学习模型，从而计算得到目标飞机相对于本机的空间位置。随后根据目标机接收得GPS坐标信息与本机坐标作差，得到两机间的相对位置，随后基于编队内长机发布的编队几何中心经纬度坐标与飞机子机群编队平面的飞行高度进行地球坐标系和体轴系的坐标转换，并根据上述数据求出基于GPS传感器和视觉传感器的相对位置平均值，从而部分抵消由于各种噪声造成的影响。

2、编队集群控制

本发明所涉及的编队集群控制策略依托飞控硬件执行，作为在现有单机飞行控制的基础上增加的控制策略。

对大规模机群进行立体化编队，整个编队沿各个水平剖面划分为若干层，每一层采用水平面内梯形编队飞机子机群，编队内全部飞机飞行高度相同，如图3所示。两翼的飞机借助位于中央位置飞机的翼尖气流增加升力，扩大机群搜索面积。在遇到障碍物后，这种分层设计有利于最大限度上避免打乱飞机编队阵型的同时控制机群分散规避。

每个飞机子机群设定长机，在飞行过程中，该长机主要起三个作用。其一是作为路径规划中枢进行路径规划，长机通过长机的飞控计算机中搭载实时路径规划算法进行坐标转换，将坐标系原点从本机气动焦点转移到编队几何中心，而后进行路径规划，其余僚机仅作为跟随者动态跟踪长机的相对位置；其二是作为信息交互中枢进行整个子编队的状态信息计算与传输，飞机之间共享每一架飞机的状态数据，除现有飞机的各种状态参数外，另包含GPS定位信号和图像算法修正后的相对位置，这一过程由每个飞机子机群的长机进行数据的汇总与发布；其三是进行飞机子机群间的编队飞行计算，通过基于对整个飞机子机群编队几何中心的计算，可以整个将飞机子机群视作同一整体，进行飞机子机群间的垂向编队飞行。

三、硬件平台设计

1、飞控子系统设计

飞控子系统主要元件为飞控计算机，飞控计算机搭载飞行控制模型对传感器子系统传递的信息进行处理，获取控制信息，飞机根据自身位置计算期望姿态，并根据期望姿态调整飞机姿态，从而驱动飞机到达预期位置。其整体结构如图4所示，路径规划结果以空间中路径点的坐标的形式作为输出，该数据传递给外环位置控制器，经由轨迹控制器计算出实现该轨迹需要的姿态角后输送到姿态控制器，姿态控制器跟踪需要的姿态角，输送给飞机，而后将传感器子系统的反馈数据提供给位置和姿态控制器，其中三轴位置和加速度信息提供给位置控制器，飞机姿态角数据提供给姿态控制器。

2、传感器子系统设计

传感器子系统包括三轴加速度计、陀螺仪、高度表、空速管、GPS传感器、视觉传感器六个主要的传感器。其中，三轴加速度计用于计算飞机在三个轴向的加速度，以作为飞行控制系统的内部反馈信号；陀螺仪用于计算飞机的姿态角；高度表用于测量飞机距离地面的距离，为路径规划提供参考；空速管用于测量飞机相对于气流的飞行速度，为飞机子机群间的编队控制提供参考；GPS传感器的数据用于计算各个飞机之间的距离和计算编队几何中心；视觉传感器用于对GPS传感器的机间相对位置计算结果进行修正。

3、通信子系统设计

通信子系统包括数据链路、收发机和收发天线。收发机直接与飞控计算机相连，当长机飞控计算机需要传输数据时，飞控计算机将串行数据输送给收发机，收发机通过天线以特定频率向长机所在飞机子机群的所有飞机广播，从而达到传输数据的目的。

本发明基于现有飞机技术，对一种飞机大规模仿生编队控制系统进行了设计，其具体实施方式流程示意图如图5-图8所示。

首先，在任务开始之前，首先根据任务需求编写编队飞行程序，并为各个飞机子机群设定通信频率。随后各个飞机子机群首先逐架起飞，升空集结，已经升空的飞机在机场附近指定空域盘旋等待。当某一飞机子机群飞机集结完毕，该机群的长机依据提前录入的编队飞行程序（该程序依据任务情况进行编写）以编队几何中心为原点建立机群坐标系，向其他僚机发布该飞机子机群中每架飞机的期望位置，各个飞机飞抵长机发布的空间位置处以编队形式等待盘旋，当僚机到达编队中指定位置后，向长机发送就位信号，所有飞机子机群在各自集结区域完成编队后，组合成大规模飞机编队集群，完成编队集结。

其次，在飞机子机群完成集结后，长机通过生成发布通信启动指令信息传输至收发机，经由收发天线向该飞机子机群全部僚机发送，各个飞机开始进行数据交互。通信启动指令信息码包含9位数，第1-8位为指令类型码，代指此条指令的指令类型，第9位为奇偶校验位，在接收到通信启动指令信号后，各个飞机校验奇偶校验位，若校验位正确，则开始传输通信应答码，应答码包含55位数字，其中第1-12位代表飞机在该飞机子机群中的编号，第13-16位为高度数值，第17-20位为空速数值，第21-50位为GPS传感器测得的经纬度坐标值，第51-53位为飞机剩余燃油量，第54位为故障位，检测到故障置1，未检出置0，第55位为奇偶校验位，该应答码每秒发送十次。长机接收到各个飞机的通信应答码后，进行编队计算，并依据提前录入的编队程序计算各架飞机的位置调换时间与次序。

再次，在各个子飞机接收到通信系统启动指令信号的同时，启动视觉传感器，对临近飞机的相对位置进行测算，并与GPS数据进行平均值求取，根据这一结果进行位置调整，并等待长机接收到该僚机发出的通信应答码后发布给该僚机的定向编队控制指令，当长机接收到各个僚机的通信应答码后，在飞控计算机内计算飞在编队最前方飞机的飞行时间与燃油消耗，当达到设定阈值（该阈值可视飞行条件进行调节）后，则通过定向编队控制指令向该机和后方飞机发布新的坐标位置，控制该机与位于编队侧翼的飞机调换位置。编队控制指令包含位数字，其中第1-8位为指令类型码，第9-20位为接收飞机的编号，第21-50位为新的飞行坐标，该坐标为基于编队几何中心为原点的坐标系中的空间坐标点，第51位为奇偶校验位。

与此同时，各个飞机子机群的长机每隔0.1秒发布一次机群编队几何中心的经纬度坐标，中心坐标码包含位，第1-8位为指令类型码，第9-38位为飞机子机群编队几何中心经纬度坐标，第39位为奇偶校验位。中心坐标码为该机群中各飞机提供编队队形参考，各飞机依据提前录入的编队队形程序判断本机相对于临近飞机的预期位置，并将基于视觉传感器修正后的相对位置反馈到飞行控制器外环的位置控制器，以驱动该飞机精确控制本机在编队中的空间位置。

最后，各个飞机子机群的长机依据不同频率的编队几何中心经纬度坐标判断各层飞机子机群的相对位置，并依据提前在长机飞控计算机中存储的飞机编队整体队形程序进行动态调节。

此外，当编队中有飞机触发燃油预警，即剩余燃油仅满足安全返航需求时，或触发故障预警，即飞机自身故障诊断程序发现故障时，通信应答码中的故障位置1，该飞机子机群长机会进行返航路径规划，并判断是否满足飞离条件，若不满足条件则调整飞机子机群的纵向位置并继续判断，其余飞机子机群接收到燃油告警信号后判断该飞机子机群位置，若与本机群相邻，则向相反方向调整轨迹以规避，当满足飞离条件，出现燃油告警的飞机子机群以编队形式从机群一侧飞离并掉头返航。

本发明实施例公开了一种飞机大规模仿生编队控制方法，包括：

飞机子机群长机的软件平台计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；

飞机子机群僚机跟踪临近飞机和编队几何中心点；

飞机子机群长机的飞控子系统接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；

飞机子机群长机的传感器子系统获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；

飞机子机群长机的通信子系统进行飞机机间通信。

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 (8)

1.一种飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，包括用于控制若干飞机子机群的飞机飞行控制模块；

所述飞机子机群包括若干僚机与一个长机，所述长机用于进行飞行路径规划与编队控制，所述僚机用于跟踪临近飞机和编队几何中心点；

所述飞机飞行控制模块位于飞机上，包括软件平台与硬件平台；

所述软件平台用于计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；

所述硬件平台用于为软件平台提供实现功能的硬件设备；

所述硬件平台包含飞控子系统、传感器子系统和通信子系统；

所述飞控子系统以飞控计算机作为运算核心，用于接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；

所述传感器子系统用于获取飞机的飞行状态信息，并将飞行状态信息分别提供给僚机和长机的飞控计算机，用于进行位置控制与编队飞机位置调整；

所述通信子系统用于飞机机间通信。

2.根据权利要求1所述的飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，所述飞控计算机搭载飞行控制模型对传感器子系统传递的信息进行处理，获取控制信息，飞机根据自身位置计算期望姿态，并根据期望姿态调整飞机姿态，从而驱动飞机到达预期位置。

3.根据权利要求1所述的飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，所述传感器子系统包括三轴加速度计、陀螺仪、高度表、空速管、GPS传感器和视觉传感器；三轴加速度计用于计算飞机在三个轴向的加速度，作为飞行控制系统的内部反馈信号；陀螺仪用于计算飞机的姿态角；高度表用于测量飞机距离地面的距离，为路径规划提供参考；空速管用于测量飞机相对于气流的飞行速度，为飞机子机群间的编队控制提供参考；GPS传感器的数据用于计算各个飞机之间的距离和计算编队几何中心；视觉传感器用于对GPS传感器的机间相对位置计算结果进行修正。

4.根据权利要求1所述的飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，所述通信子系统包括数据链路、收发机和收发天线；收发机与飞控计算机相连，当长机飞控计算机需要传输数据时，飞控计算机将串行数据通过数据链路输送给收发机，收发机通过收发天线向长机所在飞机子机群的所有飞机广播。

5.根据权利要求3所述的飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，所述软件平台用于计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据，具体为：所述软件平台通过编队内定位算法计算编队定位数据，所述编队内定位算法对视觉传感器与GPS传感器两个传感器的数据进行运算处理，视觉传感器的定位方式采用被识别目标几何中心作为参考点，基于机器学习算法进行训练的方法进行编队内定位，并将GPS传感器数据经坐标转换后与视觉传感器的定位结果求取均值。

6.根据权利要求1所述的飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，所述编队飞行的控制策略，具体为：对大规模机群进行立体化编队，整个编队沿各个水平剖面划分为若干层，每一层采用水平面内梯形编队，编队内全部飞机飞行高度相同，两翼的飞机借助位于中央位置飞机的翼尖气流增加升力，扩大机群搜索面积。

7.根据权利要求1所述的飞机大规模仿生编队控制系统，其特征在于，所述飞行路径规划与编队控制，具体为：

所述长机通过长机的飞控计算机中搭载实时路径规划算法，进行坐标转换，将坐标系原点从长机气动焦点转移到编队几何中心点，而后进行飞行路径规划，其余僚机仅作为跟随者动态跟踪长机的相对位置；

长机与僚机之间共享飞行状态数据，通过基于对整个飞机子机群编队几何中心的计算，将飞机子机群视作同一整体，进行飞机子机群间的垂向编队飞行。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述系统的飞机大规模仿生编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

飞机子机群长机的软件平台计算飞机机群编队飞行所需的编队内定位数据和控制编队飞行的控制策略；

飞机子机群僚机跟踪临近飞机和编队几何中心点；

飞机子机群长机的飞控子系统接收和传送飞机子机群僚机的状态信息和数据包，接收和发射飞机子机群长机的控制指令信息；

飞机子机群长机的传感器子系统获取飞机的飞行状态信息，并提供给僚机飞控子系统和长机飞控子系统的飞控计算机进行位置控制与编队飞机位置调整；

飞机子机群长机的通信子系统进行飞机机间通信。

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