CN116126031A - 一种故障机的隔离方法、系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种故障机的隔离方法、系统及应用，属于航空器控制领域；方法为，将有人、无人机编队中的各单机进行编号；由信息采集模块实时获取各单机的飞行状态数据信息；由通信拓扑网络模块分析所获取信息，做出编队故障判断；当编队故障判断结果为存在完全单机故障时，激活故障隔离模块，获取故障信息，再由有人机控制中心对编队指令做出调整；当故障判断结果为不存在完全单机故障时，按照原指令继续执行任务。本发明解决了有人、无人飞机编队中对故障机的隔离问题，由通信网络断开的全0状态作为故障的初判，缩短了故障响应时间，有人机能够及时获取故障机的定位，进行编队调整，保证了所执行任务的时效性。

Description

一种故障机的隔离方法、系统及应用

技术领域

本发明属于航空器控制领域，具体涉及一种故障机的隔离方法、系统及应用。

背景技术

有人、无人飞机编队通常由一架有人机和多架无人机组成，有人机作为长机指挥控制多架无人机执行任务。相对于有人机，无人机具有很多优势，因此在现代战争中无人机占有极为重要的地位，但由于目前多无人机编队自主能力和智能化程度尚不成熟，多架无人机与有人机组成的协同编队是各军事强国优先发展的作战方式。

经过几十年的发展，故障诊断与容错控制技术在航空航天、化工、电力等众多领域得到了广泛的应用，有着丰硕的研究成果。其中，在集群编队领域，以单架飞机的故障诊断与容错控制研究为主不适用于有人、无人飞机编队的对象。由于有人、无人飞人机编队系统属于互联系统，相对于单一系统结构更加复杂，另外编队系统内各架无人机依赖于通信网络，故障一定会在编队系统内部发生传递，因此针对单机的健康管理控制算法不能直接运用到无人机编队系统上。

针对以上问题，本发明通过有人、无人飞机编队自身的通信网络图设计故障隔离系统，在不增加硬件负载的情况下实现有人、无人飞机的编队故障隔离。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种故障机的隔离方法及系统，应用于有人、无人飞机编队的故障隔离，尤其适用于大于等于10架飞机的大型编队。编队中发生完全单机故障时，该机丧失通信能力，同时影响其下一阶邻机的通信，导致故障本机和下一阶邻机都失去与编队通信网络的连接。本系统在编队飞行过程中实时监测无人机是否发生故障并反馈给有人机，当出现异常数据时，有人机接收到完全单机故障的信息，系统运行故障隔离机制，直到排除完全故障机，并将故障信息发送至有人机，根据飞机状态数据和故障信息对编队进行调整。本发明解决了有人、无人飞机编队中对故障机的隔离问题，由通信网络断开的全0状态作为故障的初判，缩短了故障响应时间，有人机能够及时获取故障机的定位，进行编队调整，保证了所执行任务的时效性。

本发明的技术方案是：一种故障机的隔离方法，具体步骤如下：

S1，将有人、无人机编队中的各单机进行编号；

S2，由信息采集模块实时获取各单机的飞行状态数据信息；

S3，由通信拓扑网络模块分析信息采集模块所获取的信息，做出编队故障判断；

S4，当编队故障判断结果为存在完全单机故障时，激活故障隔离模块，获取故障信息，再由有人机控制中心根据故障信息、飞行状态数据信息和编队任务，结合新的通信关系，对编队指令做出调整；当故障判断结果为不存在完全单机故障时，按照原指令继续执行任务；

所述故障隔离模块与通信拓扑网络模块为双向通信，发生完全单机故障时，故障隔离模块被触发激活；所述故障隔离模块接收通信拓扑网络模块中飞机状态数据信息，进行故障机排除，并根据生成树算法重新规划通信网络，实现故障隔离，并将故障信息发送至有人机控制中心。

本发明的进一步技术方案是：所述信息采集模块包括传感器、无线通讯设备和接收单元，所述传感器用于获取有人机与无人机的飞行状态数据，具体包括有人机和无人机的飞行速度、飞行高度、位置及姿态信息；所述无线通讯设备为双向通讯，既能接收指令，又能传输信息；

当无人机编队通信正常时，各单机状态信息正常发送，在数据结构中标记为1；当无人机出现故障时，该机无线通讯设备将通讯断开，停止向接收单元传输信息，此时在数据结构中标记为0。

本发明的进一步技术方案是：所述S3中通信拓扑网络模块做出编队故障判断的方法为，首先，通信拓扑网络模块接收编队指令和飞机状态数据信息；然后，通过编队指令中的编队飞机数量生成编队通信拓扑图邻接矩阵A的初始化矩阵A_init，A_init为n阶0矩阵，n为编队飞机数量；通过飞机状态数据信息中的通信关系得到实际的邻接矩阵A；最后，当A和A_init不相同时出现异常，判断为存在完全单机故障；当A和A_init相同时正常，判断为不存在完全单机故障。

本发明的进一步技术方案是：所述邻接矩阵A = [a_ij]∈R^n×n，其中，a_ij是相应联通的通信连接边的取值，代表着节点间的通信关系，i、j代表通信图的节点，a_ij满足以下关系：

当节点i与节点j存在通信关系则a_ij取1，反之取0。

本发明的进一步技术方案是：所述S4中故障隔离模块的隔离方法为，

S4.1，读取通信拓扑图邻接矩阵A；

S4.2，将数据为全0状态的飞机都视为故障机，按照顺序排除编号的故障机，首次排除编号最小的故障机；

S4.3，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块；

S4.4，编队执行S4.3算法解；

S4.5，执行后检测是否存在全0数据，结果为是，则将前面排除的飞机重新加入编队，回到S4.2中继续排除下一编号的故障机，重复该步骤直到全部故障机被排除；结果为否，则记录故障机编号，完成故障隔离。

本发明的进一步技术方案是：所述通信拓扑网络模块接收新的通信图的同时，将通信拓扑网络模块记载的飞机数量减少1架；然后将新的编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A发送至编队控制模块，由所述编队控制模块计算出各无人机的飞行指令并发送到各无人机，执行飞行任务。

本发明的进一步技术方案是：所述无人机编队中的无人机设置有自主飞行与避障模块、信息交互模块、故障诊断模块；

所述自主飞行与避障模块能够在失去通信能力被排除出编队时，执行无人机返航路径及避让路径，使故障机回到设定的返航点；

所述信息交互模块包括数据发送、接收能力和识别能力；所述识别能力是指能够根据接收的指令将数据发送到指定飞机；

所述故障诊断模块能够在无人机出现完全故障时切断无线通信设备电路，停止发送信息。

本发明的进一步技术方案是：所述有人机控制中心包括指挥控制界面、有人机自驾仪和通信模块；

所述指挥控制界面作为用户与系统之间进行交互和信息交换的媒介，包括展示单元、提示单元、指令输出单元，所述展示单元展示无人机状态数据信息包括无人机各机位置与相对有人机的位置、姿态、航路规划以及故障信息；提示单元用于提示用户出现编队故障，需要对编队指令进行修正；指令单元用于发布用户设置的编队指令；

所述有人机自驾仪能够保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机；

所述通信模块用于接收信息、输出信息和输出指令。

一种故障机的隔离系统，包括有人机控制中心、信息采集模块、通信拓扑网络模块、故障隔离模块、编队控制模块和飞行控制模块，所述有人机控制中心、通信拓扑网络模块、故障隔离模块、编队控制模块均设置于编队的有人机上，飞行控制模块设置于编队的各无人机上；

所述信息采集模块包括传感器、无线通讯设备和接收单元；所述传感器设置于各飞机上，用于获取有人机与无人机的飞行状态数据；所述无线通讯设备为双向通讯，既能接收指令，又能传输信息；所述接收单元设置于有人机上，接收各传感器的信息，再将信息发送至有人机控制中心；

所述有人机控制中心用于接收/发送飞行状态数据、接收故障信息及设置编队指令；

所述通信拓扑网络模块通过接收到的编队指令和飞机状态数据信息，判断编队中是否存在完全单机故障；

所述故障隔离模块与通信拓扑网络模块为双向通信，发生完全单机故障时，故障隔离模块被触发激活，接收通信拓扑网络模块的数据，读取通信图邻接矩阵A，进行故障机排除，并根据生成树算法重新规划通信网络，实现故障隔离，并将故障信息发送至有人机控制中心；

所述编队控制模块计算并分配无人机编队的飞行指令；

所述飞行控制模块接收飞行指令，控制无人机执行飞行任务。

一种故障机的隔离系统的应用，所述故障机的隔离系统应用于有人、无人机编队中，所述编队中包括一架有人机和多架无人机；所述有人机上设置有计算机可读存储介质、处理器以及计算机程序，所述计算机程序能够实现故障机的隔离方法；所述无人机上设置有传感器、无线通讯设备和飞行控制模块；

当发生单机故障时，故障机及与其通信的下一阶无人机均丧失通行能力，与编队通信网络断开，无法作为通信节点支撑通信网络；所述信息采集模块将全0状态数据和其他飞机的状态数据信息发送至有人机控制中心；

所述有人机控制中心将编队指令和飞机数据状态信息发送到通信拓扑网络模块；所述通信拓扑网络模块因计算邻接矩阵A和初始化邻接矩阵A_init时产生异常，即A和A_init不相同，由此激活故障隔离模块；

被激活后的故障隔离模块接收通信拓扑网络模块的数据，读取通信图邻接矩阵A，将数据为全0状态的飞机均视为故障机，按序号排除编号最小的故障机，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块，同时将通信拓扑网络模块的飞机数量数据减少1架；编队执行后检测是否存在全0数据，结果为是，则将前面排除的飞机重新加入编队，继续排除下一编号的故障机；结果为否，则记录故障机编号，完成故障隔离及故障机定位；

由所述故障隔离模块将故障信息发送至有人机控制中心，用户根据接收到故障信息、飞机状态数据信息及任务需求对编队指令做出调整；

所述编队控制模块接收来自通信拓扑网络模块的编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A，并计算出各无人机的飞行指令发送到各无人机的飞行控制模块，各无人机执行飞行指令后将无人机状态数据更新到有人机控制中心，继续执行飞行任务。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明一种故障机的隔离方法采用排除的方法将故障机隔离；将故障与通信关联，将丧失通信能力的故障机数据标记为全0状态，通过通信拓扑网络模块中的计算异常激活故障隔离模块；所述故障隔离模块按序号顺序依次排除被视为故障机的无人机，能够对故障机进行准确定位。对于大于等于10架飞机的大型有人、无人机编队，能够在短时间内精准获取故障机的位置，并及时调整编队指令，降低对执行任务的影响。

本发明系统结构设计简单，降低系统实现难度，参见系统结构图；所采用的通信网络简单，网络关系简洁，以有人机为中心展开通信网络，每架飞机只与相邻飞机通信，能有效降低编队通信压力。

本发明故障机的隔离系统主要针对在单机故障情况下的编队故障诊断与故障隔离，保证飞机编队在存在故障机的情况下的正常运行。无需增加硬件载荷，不受编队中飞机的模型类型限制，适用范围广泛，能够完成并发性和综合性的任务。

附图说明

图1为本发明一种故障机的隔离方法流程图；

图2为本发明一种故障机的隔系统工作流程框架图；

图3为本发明一种故障机的隔离方法中的故障隔离算法；

图4为本发明实施例十机编队队形图；

图5为本发明实施例十机编队通信网络；

图6为本发明实施例修正后十机编队通信图。

附图标记说明：1.有人机控制中心，2.信息采集模块，3.通信拓扑网络模块，4.故障隔离模块，5.编队控制模块，6.飞行控制模块。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供一种故障机的隔离方法及系统，应用于有人、无人飞机编队的故障隔离，尤其适用于大于等于10架飞机的大型编队。编队中发生完全单机故障时，该机丧失通信能力，同时影响其下一阶邻机的通信，导致故障本机和下一阶邻机都失去与编队通信网络的连接。本系统在编队飞行过程中实时监测无人机是否发生故障并反馈给有人机，当出现异常数据时，有人机接收到完全单机故障的信息，系统运行故障隔离机制，直到排除完全故障机，并将故障信息发送至有人机，根据飞机状态数据和故障信息对编队进行调整。本发明解决了有人、无人飞机编队中对故障机的隔离问题，由通信网络断开的全0状态作为故障的初判，缩短了故障响应时间，有人机能够及时获取故障机的定位，进行编队调整，保证了所执行任务的时效性。

本实施例中一种故障机的隔离方法，具体步骤如下：

S1，将有人、无人机编队中的各单机进行编号；

S2，由信息采集模块2实时获取各单机的飞行状态数据信息；

S3，由通信拓扑网络模块3分析信息采集模块2所获取的信息，做出编队故障判断；

S4，当编队故障判断结果为存在完全单机故障时，激活故障隔离模块4，获取故障信息，再由有人机控制中心1根据故障信息、飞行状态数据信息和编队任务，结合新的通信关系，对编队指令做出调整；当故障判断结果为不存在完全单机故障时，按照原指令继续执行任务；

所述故障隔离模块4与通信拓扑网络模块3为双向通信，发生完全单机故障时，故障隔离模块4被触发激活；所述故障隔离模块4接收通信拓扑网络模块3中飞机状态数据信息，进行故障机排除，并根据生成树算法重新规划通信网络，实现故障隔离，并将故障信息发送至有人机控制中心1。

所述信息采集模块2包括传感器、无线通讯设备和接收单元，所述传感器用于获取有人机与无人机的飞行状态数据，具体包括有人机和无人机的飞行速度、飞行高度、位置及姿态信息；所述无线通讯设备为双向通讯，既能接收指令，又能传输信息；当无人机编队通信正常时，各单机状态信息正常发送，在数据结构中标记为1；当无人机出现故障时，该机无线通讯设备将通讯断开，停止向接收单元传输信息，此时接收单元中的数据结构中标记为0。

所述S3中通信拓扑网络模块3做出编队故障判断的方法为，首先，通信拓扑网络模块3接收编队指令和飞机状态数据信息；然后，通过编队指令中的编队飞机数量生成编队通信拓扑图邻接矩阵A的初始化矩阵A_init，A_init为n阶0矩阵，n为编队飞机数量；通过飞机状态数据信息中的通信关系得到实际的邻接矩阵A；在出现完全单机故障时，会出现全0状态的异常数据，多个无人机的位置与有人机重合，将其视作一个节点。根据生成树算法可以简化得到图3通信拓扑结构图，本实施例所涉及通信图皆为无向图，然后依据通信关系得到用于计算的邻接矩阵A = [a_ij]∈R^n×n。这里a_ij是相应联通的通信连接边的取值，i、j代表通信图的节点，a_ij代表着节点间的通信关系，并且a_ij满足以下关系：

当节点i与节点j存在通信关系则a_ij取1，反之取0。

在编队故障为一般单机故障时，故障无人机仍能继续通信，A和A_init的大小相同，计算过程不会出现异常（计算包括队形库内部计算和通信数据传递过程报错），不会触发故障隔离模块4，出现故障的无人机将故障信息和自身飞行数据打包为无人机状态数据发送到有人机控制中心1，编队指令和飞机状态数据信息以及通信图邻接矩阵A发送到编队控制模块5参与下一步计算。

在编队故障为完全单机故障时，故障无人机失去通信能力，无法与有人机控制中心1通信，从编队指令得到的编队飞机数量和飞机状态数据信息冲突，A和A_init的大小不同产生计算异常，触发故障隔离模块4。

所述S4中故障隔离模块4的隔离方法为，

S4.1，读取通信拓扑图邻接矩阵A；

S4.2，将数据为全0状态的飞机都视为故障机，按照顺序排除编号的故障机，首次排除编号最小的故障机；

S4.3，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块3；

S4.4，编队执行S4.3算法解；

S4.5，执行后检测是否存在全0数据，结果为是，则将前面排除的飞机重新加入编队，回到S4.2中继续排除下一编号的故障机，重复该步骤直到全部故障机被排除；结果为否，则记录故障机编号，完成故障隔离。

所述通信拓扑网络模块3接收新的通信图的同时，将通信拓扑网络模块3记载的飞机数量减少1架；然后将新的编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A发送至编队控制模块5，由所述编队控制模块5计算出各无人机的飞行指令并发送到各无人机，执行飞行任务。

所述无人机编队中的无人机设置有自主飞行与避障模块、信息交互模块、故障诊断模块；所述自主飞行与避障模块能够在失去通信能力被排除出编队时，执行无人机返航路径及避让路径，使故障机回到设定的返航点；所述信息交互模块包括数据发送、接收能力和识别能力；所述识别能力是指能够根据接收的指令将数据发送到指定飞机；所述故障诊断模能够在无人机出现完全故障时切断无线通信设备电路，停止发送信息。

所述有人机控制中心1包括指挥控制界面、有人机自驾仪和通信模块；所述指挥控制界面作为用户与系统之间进行交互和信息交换的媒介，包括展示单元、提示单元、指令输出单元，所述展示单元展示无人机状态数据信息包括无人机各机位置与相对有人机的位置、姿态、航路规划以及故障信息，其中位置信息以二维平面图形式可视化展示到指挥控制界面，当接收到无人机状态数据中存在全0状态的异常数据时，提示驾驶员出现编队故障，需要对编队指令进行修正，经过飞行员根据实际环境和各机状态的综合判断，通过指挥控制界面发布编队指令，同时在编队变换时有人机控制中心1需要将飞机状态数据，包括位置、姿态等信息发送到通信拓扑网络模块3，用于后续计算。提示单元用于提示用户出现编队故障，需要对编队指令进行修正。指令单元用于发布用户设置的编队指令；所述有人机自驾仪能够保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机；所述通信模块用于接收信息、输出信息和输出指令。

本实施例中用户即为驾驶员，驾驶员根据编队任务需求、飞行状态数据、故障信息和实际环境，设置相应的编队指令。各飞机的位置数据将展示到指挥控制界面，以便于对有人、无人机编队的飞行情况进行展示供驾驶员参考。在出现单机故障时，同样将故障信息展示到指挥控制界面，为排除故障无人机带来的影响，需要将编队指令中的编队飞机数量减少1架进行编队重构来保证编队的稳定。

所涉及故障情况皆仅考虑单架飞机故障情况，在本实施例中，将其分为两大类，一类是丧失通信能力的单机故障，将其视作无人机失去编队能力，但其飞行数据在有人机控制中心1处仍占据位置，数据记录为0，称为完全单机故障，被该无人机影响的其他断开通信网络的无人机数据处理相同；另一类没有丧失通信能力的情况，还能够继续完成基本编队飞行任务，称为一般单机故障。在本实施例中，视为无人机单机在一般单机故障情况下，具备基本故障诊断能力，能够将自身基本故障信息通过通信网络发送到有人机MAV，而完全单机故障则失去发送信息的能力。

所述编队指令由有人机控制中心1发送到通信拓扑网络模块3。编队指令主要包含编队控制相关信息，主要有编队飞机数量、编队间隔信息和无人机期望位置等信息。其中编队无人机数量用于计算通信拓扑网络模块中邻接矩阵大小，用于控制通信拓扑网络模块规模，和飞机状态数据中的无人机位置信息结合以生成新的编队通信拓扑网络。无人机编队间隔信息对编队结构和通信网络没有影响，主要控制编队的松散程度。无人机期望位置信息用于控制编队队形，无人机向人机设定的队形计算出的期望位置分别靠拢，组成设定队形。

本实施例一种故障机的隔离系统，包括有人机控制中心1、信息采集模块2、通信拓扑网络模块3、故障隔离模块4、编队控制模块5和飞行控制模块6，所述有人机控制中心1、通信拓扑网络模块3、故障隔离模块4均设置于编队的有人机上，飞行控制模块6设置于编队的各无人机上；

所述信息采集模块2包括传感器、无线通讯设备和接收单元；所述传感器设置于各飞机上，用于获取有人机与无人机的飞行状态数据；所述无线通讯设备为双向通讯，既能接收指令，又能传输信息；所述接收单元设置于有人机上，接收各传感器的信息；

所述有人机控制中心1用于接收/发送飞行状态数据、接收故障信息及设置编队指令；

所述通信拓扑网络模块3通过接收到的编队指令和飞机状态数据信息，判断编队中是否存在完全单机故障；

所述故障隔离模块4与通信拓扑网络模块3为双向通信，发生完全单机故障时，故障隔离模块4被触发激活，接收通信拓扑网络模块3的数据，读取通信图邻接矩阵A，进行故障机排除，并根据生成树算法重新规划通信网络，实现故障隔离，并将故障信息发送至有人机控制中心1；

所述编队控制模块5用于分配无人机编队的飞行指令；

所述飞行控制模块6接收飞行指令，控制无人机执行飞行任务。

本实施例一种故障机的隔离系统的应用，所述故障机的隔离系统应用于有人、无人机编队中，所述编队中包括一架有人机和多架无人机；所述有人机上设置有计算机可读存储介质、处理器以及计算机程序，所述计算机程序能够实现所述故障机的隔离方法；所述无人机上设置有传感器、无线通讯设备和飞行控制模块6；

当发生单机故障时，故障机及其通信的下一阶无人机均丧失通行能力与编队通信网络断开，无法作为通信节点支撑通信网络；所述信息采集模块2将全0状态数据和其他飞机的状态数据信息发送至有人机控制中心1；

所述有人机控制中心1将编队指令和飞机数据状态信息发送到通信拓扑网络模块3；所述通信拓扑网络模块因计算邻接矩阵A和初始化邻接矩阵A_init时产生异常，即A和A_init不相同，由此激活故障隔离模块4；

被激活后的故障隔离模块4接收通信拓扑网络模块的数据，读取通信图邻接矩阵A，将数据为全0状态的飞机均视为故障机，按序号排除编号最小的故障机，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块，同时将通信拓扑网络模块的飞机数量数据减少1架；编队执行后检测是否存在全0数据，结果为是，则将前面排除的飞机重新加入编队，继续排除下一编号的故障机；结果为否，则记录故障机编号，完成故障隔离及故障机定位；

由所述故障隔离模块4将故障信息发送至有人机控制中心1，用户根据接收到具体故障信息及任务需求对编队指令做出调整；

所述编队控制模块5接收来自通信拓扑网络模块3的编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A，并计算出各无人机的飞行指令发送到各无人机的飞行控制模块6，各无人机执行飞行指令后将无人机状态数据更新到有人机控制中心1。

以下结合附图对故障机的隔离系统的应用进行说明。

本实施例所涉及有人机、无人机的气动布局和外形并不固定，所涉及的编队队形也不固定，根据具体编队需求进行配置。

首先说明一般单机故障情况。

在飞行任务中，有人机控制中心1发出编队指令，设置有人、无人飞机编队队形为图2所示的十机编队，编队已经执行飞行任务一段时间，假设此时无人机UAV4开始出现一般单机故障。编队指令和飞机数据状态被发送到通信拓扑网络模块，此时编队中，当无人机UAV4开始出现一般单机故障时，UAV4仍然具备通信能力，并且具备基本故障诊断能力，其飞行数据和故障信息正常以无人机状态数据的形式发送到有人机控制中心1，有人机的驾驶员会得到飞机故障信息，根据编队状态和任务需求考虑是否修正编队指令。对于不影响飞行任务的轻微故障，选择不修正编队指令，有人、无人飞机编队按原指令继续执行任务。

下面说明发生完全单机故障时的处理过程。

假设某一时刻无人机UAV4出现完全单机故障，其原因可能是一般单机故障导致，也可能是外界因素如碰撞、能源耗尽、通信模块故障或者被击毁等。此时UAV4丧失通信能力，无法作为通信节点支撑通信网络，自身的数据在有人机控制中心1显示为全0状态，同时无人机UAV7和UAV9受到影响，失去与编队通信网络的连接，其数据也是全0状态的异常数据。

当出现全0状态的异常数据时，有人机的驾驶员会接收到出现完全单机故障的信息，先等待系统运行故障隔离机制得到故障信息再做进一步处理。编队指令和飞机数据状态被发送到通信拓扑网络模块，通信拓扑网络模块在计算邻接矩阵A和初始化邻接矩阵A_init时，会因为矩阵阶数不一致产生计算异常，此时故障隔离模块4被激活，接收通信拓扑网络模块的数据，读取通信图邻接矩阵A，此时已经存在故障，将数据为全0状态的飞机UAV4、UAV9、UAV7都视为故障机，按序号排除编号最小的故障机UAV4，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块，同时将通信拓扑网络模块的飞机数量数据减少1架。

执行后续流程检查是否仍然存在飞机数据为全0状态，将排除UAV4的飞机状态数据，将UAV9、UAV7数据修改为其最后一次非全0状态的正常数据。通过通信拓扑网络模块3发送编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A到编队控制模块5，然后计算出各无人机的飞行指令发送到无人机飞行控制模块6。各无人机执行飞行指令后将无人机状态数据更新到有人机控制中心1，继续发送到下一步的通信拓扑网络模块计算。

如果仍然存在全0状态的飞机，会继续触发异常，则将刚才排除的飞机重新加入并视为正常飞机，返回算法步骤2排除标号最小的故障机重复执行以上步骤，直到排除故障机的编队中没有全0状态数据的情况，此时排除的故障机为完全失去通信能力的飞机。

在本说明实例中，将UAV4排除后编队重新规划的通信网络如图5所示，UAV7和UAV9重新接入通信网络，反馈数据正常，此时记录UAV4的编号，将该故障机的编号等数据通过故障信息发送到无人机状态数据，然后一起发送到有人机控制中心1，飞行员接收到具体故障信息后根据任务需求对编队指令做出调整。

以上就是本发明所涉及单机故障下有人、无人飞机编队故障隔离系统的具体运行流程。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种故障机的隔离方法，其特征在于具体步骤如下：

S1，将有人、无人机编队中的各单机进行编号；

S2，由信息采集模块实时获取各单机的飞行状态数据信息；

S3，由通信拓扑网络模块分析信息采集模块所获取的信息，做出编队故障判断；

S4，当编队故障判断结果为存在完全单机故障时，激活故障隔离模块，获取故障信息，再由有人机控制中心根据故障信息、飞行状态数据信息和编队任务，结合新的通信关系，对编队指令做出调整；当故障判断结果为不存在完全单机故障时，按照原指令继续执行任务；

所述故障隔离模块与通信拓扑网络模块为双向通信，发生完全单机故障时，故障隔离模块被触发激活；所述故障隔离模块接收通信拓扑网络模块中飞机状态数据信息，进行故障机排除，并根据生成树算法重新规划通信网络，实现故障隔离，并将故障信息发送至有人机控制中心。

2.根据权利要求1所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述信息采集模块包括传感器、无线通讯设备和接收单元，所述传感器用于获取有人机与无人机的飞行状态数据，具体包括有人机和无人机的飞行速度、飞行高度、位置及姿态信息；所述无线通讯设备为双向通讯，既能接收指令，又能传输信息；

当无人机编队通信正常时，各单机状态信息正常发送，在数据结构中标记为1；当无人机出现故障时，该机无线通讯设备将通讯断开，停止向接收单元传输信息，此时在数据结构中标记为0。

3.根据权利要求2所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述S3中通信拓扑网络模块做出编队故障判断的方法为，首先，通信拓扑网络模块接收编队指令和飞机状态数据信息；然后，通过编队指令中的编队飞机数量生成编队通信拓扑图邻接矩阵A的初始化矩阵A_init，A_init为n阶0矩阵，n为编队飞机数量；通过飞机状态数据信息中的通信关系得到实际的邻接矩阵A；最后，当A和A_init不相同时出现异常，判断为存在完全单机故障；当A和A_init相同时正常，判断为不存在完全单机故障。

4.根据权利要求3所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述邻接矩阵A = [a_ij]∈R^n×n，其中，a_ij是相应联通的通信连接边的取值，代表着节点间的通信关系，i、j代表通信图的节点，a_ij 满足以下关系：

当节点i与节点j存在通信关系则a_ij取1，反之取0。

5.根据权利要求3所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述S4中故障隔离模块的隔离方法为，

S4.1，读取通信拓扑图邻接矩阵A；

S4.2，将数据为全0状态的飞机都视为故障机，按照顺序排除编号的故障机，首次排除编号最小的故障机；

S4.3，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块；

S4.4，编队执行S4.3算法解；

S4.5，执行后检测是否存在全0数据，结果为是，则将前面排除的飞机重新加入编队，回到S4.2中继续排除下一编号的故障机，重复该步骤直到全部故障机被排除；结果为否，则记录故障机编号，完成故障隔离。

6.根据权利要求5所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述通信拓扑网络模块接收新的通信图的同时，将通信拓扑网络模块记载的飞机数量减少1架；然后将新的编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A发送至编队控制模块，由所述编队控制模块计算出各无人机的飞行指令并发送到各无人机，执行飞行任务。

7.根据权利要求1所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述无人机编队中的无人机设置有自主飞行与避障模块、信息交互模块、故障诊断模块；

所述自主飞行与避障模块能够在失去通信能力被排除出编队时，执行无人机返航路径及避让路径，使故障机回到设定的返航点；

所述信息交互模块包括数据发送、接收能力和识别能力；所述识别能力是指能够根据接收的指令将数据发送到指定飞机；

所述故障诊断模块能够在无人机出现完全故障时切断无线通信设备电路，停止发送信息。

8.根据权利要求1所述一种故障机的隔离方法，其特征在于：所述有人机控制中心包括指挥控制界面、有人机自驾仪和通信模块；

所述指挥控制界面作为用户与系统之间进行交互和信息交换的媒介，包括展示单元、提示单元、指令输出单元，所述展示单元展示无人机状态数据信息包括无人机各机位置与相对有人机的位置、姿态、航路规划以及故障信息；提示单元用于提示用户出现编队故障，需要对编队指令进行修正；指令单元用于发布用户设置的编队指令；

所述有人机自驾仪能够保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机；

所述通信模块用于接收信息、输出信息和输出指令。

9.一种权利要求1-8任一项所述故障机的隔离方法的实施系统，其特征在于：包括有人机控制中心、信息采集模块、通信拓扑网络模块、故障隔离模块、编队控制模块和飞行控制模块，所述有人机控制中心、通信拓扑网络模块、故障隔离模块、编队控制模块均设置于编队的有人机上，飞行控制模块设置于编队的各无人机上；

所述信息采集模块包括传感器、无线通讯设备和接收单元；所述传感器设置于各飞机上，用于获取有人机与无人机的飞行状态数据；所述无线通讯设备为双向通讯，既能接收指令，又能传输信息；所述接收单元设置于有人机上，接收各传感器的信息，再将信息发送至有人机控制中心；

所述有人机控制中心用于接收/发送飞行状态数据、接收故障信息及设置编队指令；

所述通信拓扑网络模块通过接收到的编队指令和飞机状态数据信息，判断编队中是否存在完全单机故障；

所述故障隔离模块与通信拓扑网络模块为双向通信，发生完全单机故障时，故障隔离模块被触发激活，接收通信拓扑网络模块的数据，读取通信图邻接矩阵A，进行故障机排除，并根据生成树算法重新规划通信网络，实现故障隔离，并将故障信息发送至有人机控制中心；

所述编队控制模块计算并分配无人机编队的飞行指令；

所述飞行控制模块接收飞行指令，控制无人机执行飞行任务。

10.一种权利要求9所述实施系统的应用，其特征在于：所述实施系统应用于有人、无人机编队中，所述编队中包括一架有人机和多架无人机；所述有人机上设置有计算机可读存储介质、处理器以及计算机程序，所述计算机程序能够实现故障机的隔离方法；所述无人机上设置有传感器、无线通讯设备和飞行控制模块；

当发生单机故障时，故障机及与其通信的下一阶无人机均丧失通行能力，与编队通信网络断开，无法作为通信节点支撑通信网络；所述信息采集模块将全0状态数据和其他飞机的状态数据信息发送至有人机控制中心；

所述有人机控制中心将编队指令和飞机数据状态信息发送到通信拓扑网络模块；所述通信拓扑网络模块因计算邻接矩阵A和初始化邻接矩阵A_init时产生异常，即A和A_init不相同，由此激活故障隔离模块；

被激活后的故障隔离模块接收通信拓扑网络模块的数据，读取通信图邻接矩阵A，将数据为全0状态的飞机均视为故障机，按序号排除编号最小的故障机，计算生成树得到新的通信图发送到通信拓扑网络模块，同时将通信拓扑网络模块的飞机数量数据减少1架；编队执行后检测是否存在全0数据，结果为是，则将前面排除的飞机重新加入编队，继续排除下一编号的故障机；结果为否，则记录故障机编号，完成故障隔离及故障机定位；

由所述故障隔离模块将故障信息发送至有人机控制中心，用户根据接收到故障信息、飞机状态数据信息及任务需求对编队指令做出调整；

所述编队控制模块接收来自通信拓扑网络模块的编队指令、飞机状态数据信息以及邻接矩阵A，并计算出各无人机的飞行指令发送到各无人机的飞行控制模块，各无人机执行飞行指令后将无人机状态数据更新到有人机控制中心，继续执行飞行任务。

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