CN116149372B - 一种故障单机的排除方法、系统和应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种故障单机的排除方法、系统和应用，属于航空器控制领域；方法步骤为，将有人、无人机编队中的各单机进行编号；由信息采集模块获取各单机的状态信息和通信信息；由故障监测模块分析信息采集模块所获取的信息，做出故障判断；将故障单机排除，由有人机控制中心根据编队任务和非故障机数量设置编队指令，结合路径规划模块得到新的通信关系，进行编队重构。本发明解决了有人、无人机编队中对故障单机的排除问题，由通信网络断开的全0状态作为故障判断标准，缩短了故障响应时间，有人机能够及时排除故障单机，进行编队重构，保证了所执行任务的时效性。

Description

一种故障单机的排除方法、系统和应用

技术领域

本发明属于航空器控制领域，具体涉及一种故障单机的排除方法、系统和应用。

背景技术

纵观无人机的发展趋势来看，虽然单架无人机与单架有人机相对比其拥有着无法比拟的诸多优点，并且单架无人机的先进性也达到了一个前所未有的高度，但是如何在最大程度上挖掘出无人机的综合潜能正成为当代相关军事专家研究的方向。在实际情况中，无人机所需要完成的任务多数为并发性和综合性的任务，单架无人机并不能够同时执行此种情况下的任务，为解决此问题，有人机与无人机的协同编队被提出。

由于有人、无人飞机编队为互联系统，飞机之间的通信关系错综复杂，因此当发生单机故障时会引发一系列的编队控制异常问题。目前对于编队集群控制的故障诊断与隔离方式分为基于硬件和基于模型的方式，基于硬件的故障诊断方式会增加飞机载荷，基于模型设计的方法比较高效但是设计时复杂，且使用具有一定局限性。

针对以上问题，本发明提出一种故障单机的排除方法、系统和应用，既不用增加硬件载荷，也相对较简单，不被编队中飞机的模型类型限制，适用范围广泛。

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单机的排除方法、系统和应用，其中故障单机主要针对失去通信能力的故障机，即将无法进行正常通信的飞机视为故障单机，失去编队能力，不再参与编队任务；通过信息采集模块采集无人机编队的通信能力，出现故障单机后状态数据为全0状态，并将该信息通过故障监测模块传输至有人机控制中心；有人机控制中心采用编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络临界矩阵，进而得到新的飞机通信关系，下一步将得到的编队指令发送到各无人机，进行编队重构。本发明解决了有人、无人机编队中对故障单机的排除问题，由通信网络断开的全0状态作为故障判断标准，缩短了故障响应时间，有人机能够及时排除故障单机，进行编队重构，保证了所执行任务的时效性。

本发明的技术方案是：一种故障单机的排除方法，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，由信息采集模块获取各单机的状态信息和通信信息；

S3，由故障监测模块分析信息采集模块所获取的信息，做出故障判断；

S4，将故障单机排除，由有人机控制中心根据编队任务和非故障机数量设置编队指令，结合路径规划模块得到新的通信关系，进行编队重构；

所述信息采集模块将各单机信息同时发送至故障监测模块和路径规划模块，当无人机编队通信正常时，各单机只与上、下阶相邻飞机通信，各单机状态信息正常发送，在数据结构中标记为1；当无人机编队中单机发生故障失去通信能力时，该无人机的状态信息无法发送，在数据结构中标记为0；

所述故障监测模块监测到存在全0状态的无人机后，反馈故障单机信息到有人机控制中心，同时删除故障单机数据不再发送到有人机控制中心。

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无人机的位置信息和飞行状态信息，具体为无人机的定位信息、高度信息、飞行速度信息和飞行姿态信息；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；

当无人机出现故障时，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。

本发明的进一步技术方案是：所述S3中，故障监测模块监测到信息采集模块存在全0状态的无人机后，将其标定为故障单机，并删除信息采集模块内对应数据，不再向故障监测模块和路径规划模块发送该机状态信息。

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、主动通信模块和故障诊断模块；

所述S4的故障单机排除过程中，故障单机失去通信能力被排除出编队时，通过自主飞行与避障模块执行无人机返航路径及避让路径，使故障单机回到设定的返航点；被标记为0的非故障机通过所述主动通信模块重新建立通信网络；

所述主动通信模块包括数据发送与接收能力、识别能力、以及通信容错能力；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；通信容错能力为，当出现故障单机无法通信时，导致其与编队通信网络断开，该单机的下一阶无人机能够主动与有人机通信，当建立正常通信网络时，其数据结构中标记从0转为1，再次加入编队通信网络；

所述故障诊断模块能够在无人机出现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：所述路径规划模块为有人、无人机编队的编队队形数据库，以通信拓扑图和队形结构数据的形式保存；所述通信拓扑图用于确定编队通信逻辑，以矩阵的形式保存通信邻接关系；所述队形结构数据用于确定实际飞行无人机编队相对于有人机的相对位置；

所述路径规划模块同时接收编队指令模块和信息采集模块的信息，所述编队指令模块发送的信息包括编队队形指令、编队间距指令和有人机的飞行状态数据，用于选择路径规划模块内与编队飞机数量相匹配的队形结构和通信结构；所述信息采集模块发送的信息包括无人机的位置信息和飞行状态信息，用于读取原通信结构，得到通信邻接矩阵。

本发明的进一步技术方案是：所述路径规划模块根据各无人机的原通信结构获得相对位置信息，计算各飞机前往各期望位置的飞行代价以及每个方案的总代价，根据代价最小原则选择最优方案，得到表示飞机编号与通信拓扑结构的对应关系的编号序列矩阵，根据该矩阵各无人机前往分配的对应位置。

本发明的进一步技术方案是：所述路径规划模块的执行方法为，

S4.1，接收信息，包括编队队形指令、编队间距指令和各飞机的实际飞行位置信息；

S4.2，根据队形指令选择通信拓扑网络并读取其通信邻接矩阵，选择队形结构并读取飞机期望位置数据；

S4.3，根据距离和角度计算每架无人机到每个期望位置的飞行代价，根据代价矩阵计算无人机的编号序列矩阵；所述编号序列矩阵为一维矩阵，矩阵内数据代表飞机编号，矩阵下标代表路径规划模块中保存的队形结构飞机编号；

S4.4，得到编号序列矩阵后，与路径规划模块中数据结合，对无人机期望位置进行分配；

S4.5，根据编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络临界矩阵，得到新的飞机通信关系，下一步将得到的数据信息发送到各无人机。

本发明的进一步技术方案是：所述有人机控制中心包括人机交互界面、通信模块、故障信息获取模块和编队指令模块；所述人机交互界面作为用户与系统之间进行交互和信息交换的媒介；

所述故障信息获取模块用于确定故障单机编号和位置；

所述通信模块用于接收信息和输出指令，同时能够建立主动通信网络，接收故障单机的下一阶无人机的主动联系，将该下一阶无人机的信息与信息采集模块传输的信息结合，作为新的编队指令的输入；

所述编队指令模块用于输出用户设置的编队指令。

一种故障单机的排除系统，包括有人机控制中心、信息采集模块、故障监测模块、路径规划模块和飞行控制模块，所述有人机控制中心、故障监测模块、路径规划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无人机上，用于获取无人机的位置信息和飞行状态信息，具体为无人机的定位信息、高度信息、飞行速度信息和飞行姿态信息；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；所述接收单元设置于有人机上；

所述故障监测模块用于监测接收单元的信息，做出故障判断，并删除信息采集模块中故障单机的数据；

所述有人机控制中心用于接收故障监测模块的信息、接收主动通信的无人机信息、确定故障单机编号和位置、以及设置编队指令；

所述路径规划模块用于接收编队指令和信息采集模块的信息，并根据编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络临界矩阵，即得到新的飞机通信关系，再将得到的数据信息发送到各无人机的飞行控制模块；

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。

一种故障单机的排除系统的应用，所述故障单机的排除系统应用于有人、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单机的排除方法；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，故障单机、及故障单机的下一阶通信无人机均与编队通信网络断开，无法接收路径规划模块的信息，同时无法发送自身信息至信息采集模块；所述信息采集模块将断开通信的无人机数据均标记为全0状态，并发送至故障监测模块；

所述故障单机的下一阶无人机与故障单机无法通信时，主动与有人机建立通信，并将数据状态标记为1，重新加入编队通信网络中；

所述故障监测模块监测到数据异常后，将故障单机标定为故障机并删除其在信息采集模块中的数据，即将故障单机排除，再将故障信息和信息采集模块的信息发送至有人机控制中心；同时，故障单机选择离开编队返回返航点；

所述有人机控制中心显示故障信息和此时信息采集模块的信息，用户根据信息随编队指令做出修正，将编队的飞机数量减少1；

所述路径规划模块接收到新的编队指令，同时接收到实际的飞机状态数据，根据路径规划模块内存储的通信拓扑图选择对应的通信拓扑结构；再计算得到新的飞机通信关系，将得到的数据信息发送到非故障无人机；

所述非故障无人机的飞行控制模块执行控制指令驱动无人机。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明一种故障单机的排除方法主要针对在单机故障情况下的故障机排除；将故障与通信关联，发生故障时通信自动断开，故障机主动离开编队，其下一阶无人机主动与有人机建立通信关系，重新加入编队通信网络中；所用系统程序简单，便于驾驶员在实际任务执行中的使用，并且能够对故障机做出快速判断而不影响正常编队飞行任务。

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；所采用的通信网络拓扑结构简单，网络关系简洁，以有人机为中心展开通信网络，每架飞机只与上、下阶相邻飞机通信，参见图4-图8，能有效降低编队通信压力，且能在第一时间对故障机进行定位，不会影响其他正常机的飞行。

本发明故障单机的排除系统无需增加硬件载荷，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为有人、无人机编队队形重构系统框架图；

图2为路径规划模块工作流程图；

图3为路径规划模块计算逻辑流程图；

图4为无人机2号位置故障图；

图5为无人机自主通信能力演示图；

图6为四机编队通信拓扑结构；

图7为五机编队通信拓扑结构；

图8为六机编队通信拓扑结构；

图9为四机编队队形结构图；

图10为五机编队队形结构图；

图11为六机编队队形结构图；

图12为排除故障单机后的编队队形；

图13为编队重构后通信结构与队形结构示意图。

附图标记说明：1.有人机控制中心，2.编队指令模块，3.路径规划模块，4.无人机集群模块，5.飞行控制模块，6.信息采集模块，7.故障监测模块。

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单机的排除方法、系统和应用，其中故障单机主要针对失去通信能力的故障机，即将无法进行正常通信的飞机视为故障单机，失去编队能力，不再参与编队任务；通过信息采集模块6采集无人机编队的通信能力，出现故障单机后状态数据为全0状态，并将该信息通过故障监测模块7传输至有人机控制中心1；有人机控制中心1采用编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络临界矩阵，进而得到新的飞机通信关系，下一步将得到的编队指令发送到各无人机，进行编队重构。本发明解决了有人、无人机编队中对故障单机的排除问题，由通信网络断开的全0状态作为故障判断标准，缩短了故障响应时间，有人机能够及时排除故障单机，进行编队重构，保证了所执行任务的时效性。

本实施例中一种故障单机的排除方法具体步骤如下：

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6获取各单机的状态信息和通信信息；

S3，由故障监测模块7分析信息采集模块6所获取的信息，做出故障判断；

S4，将故障单机排除，由有人机控制中心1根据编队任务和非故障机数量设置编队指令，结合路径规划模块3得到新的通信关系，进行编队重构；

所述信息采集模块6将各单机信息同时发送至故障监测模块7和路径规划模块3，当无人机编队通信正常时，各单机只与上、下阶相邻飞机通信，各单机状态信息正常发送，在数据结构中标记为1；当无人机编队中单机发生故障失去通信能力时，该无人机的状态信息无法发送，在数据结构中标记为0；

所述故障监测模块7监测到存在全0状态的无人机后，反馈故障单机信息到有人机控制中心1，同时删除故障单机数据不再发送到有人机控制中心1。

所述信息采集模块6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无人机的位置信息和飞行状态信息，具体为无人机的定位信息、高度信息、飞行速度信息和飞行姿态信息；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；当无人机出现故障时，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。

所述故障监测模块7位于有人机上，是有人机上的机载设备，主要根据信息采集模块6检查是否存在无人机数据异常。当某无人机失去通信能力成为故障单机，其状态数据无法发送出去，在信息采集模块6的数据结构中将该无人机的所有数据表示为0，使其成为全0状态。所述S3中，故障监测模块7监测到信息采集模块6存在全0状态的无人机后，将其标定为故障单机，并删除信息采集模块6内对应数据，不再向故障监测模块7和路径规划模块3发送该机状态信息。

所述路径规划模块3为有人、无人机编队的编队队形数据库，以通信拓扑图和队形结构数据的形式保存；所述通信拓扑图用于确定编队通信逻辑，以矩阵的形式保存通信邻接关系；所述队形结构数据用于确定实际飞行无人机编队相对于有人机的相对位置；本实施例设计的队形主要为平面二维队形，因此队形结构数据以二维坐标数组的形式保存。

所述路径规划模块3同时接收编队指令模块2和信息采集模块6的信息，所述编队指令模块2发送的信息包括编队队形指令、编队间距指令和有人机的飞行状态数据，用于选择路径规划模块3内与编队飞机数量相匹配的队形结构和通信结构；所述信息采集模块6发送的信息包括无人机的位置信息和飞行状态信息，用于读取原通信结构，得到通信邻接矩阵。

所述路径规划模块3根据各无人机的原通信结构获得相对位置信息，计算各飞机前往各期望位置的飞行代价以及每个方案的总代价，根据代价最小原则选择最优方案，得到表示飞机编号与通信拓扑结构的对应关系的编号序列矩阵，根据该矩阵各无人机前往分配的对应位置。

所述路径规划模块3的执行方法为，

S4.1，接收信息，包括编队队形指令、编队间距指令和各飞机的实际飞行位置信息；

S4.2，根据队形指令选择通信拓扑网络并读取其通信邻接矩阵，选择队形结构并读取飞机期望位置数据；

S4.3，根据距离和角度计算每架无人机到每个期望位置的飞行代价，根据代价矩阵计算无人机的编号序列矩阵；所述编号序列矩阵为一维矩阵，矩阵内数据代表飞机编号，矩阵下标代表路径规划模块3中保存的队形结构飞机编号；

S4.4，得到编号序列矩阵后，与路径规划模块3中数据结合，对无人机期望位置进行分配；

S4.5，根据编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络临界矩阵，得到新的飞机通信关系，下一步将得到的数据信息发送到各无人机。

所述无人机编队中的无人机设置有自主飞行与避障模块、主动通信模块和故障诊断模块；所述S4的故障单机排除过程中，故障单机失去通信能力被排除出编队时，通过自主飞行与避障模块执行无人机返航路径及避让路径，使故障单机回到设定的返航点；被标记为0的非故障机通过所述主动通信模块重新建立通信网络；所述主动通信模块包括数据发送与接收能力、识别能力、以及通信容错能力；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；通信容错能力为，当单机故障发生而无法通信时，导致其与编队通信网络断开，该单机的下一阶无人机能够主动与有人机通信，当建立正常通信网络时，其数据结构中标记从0转为1，再次加入编队通信网络；所述故障诊断模能够在无人机出现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包括人机交互界面、通信模块、故障信息获取模块和编队指令模块2；所述人机交互界面作为用户与系统之间进行交互和信息交换的媒介；所述故障信息获取模块用于确定故障单机编号和位置；所述通信模块用于接收信息和输出指令，同时能够建立主动通信网络，接收故障单机的下一阶无人机的主动联系，将该下一阶无人机的信息与信息采集模块6传输的信息结合，作为新的编队指令的输入；所述编队指令模块2用于输出用户设置的编队指令。

所述用户即为飞行员，飞行员根据编队任务需求、编队返回的各飞机飞行状态数据和故障监测模块7反馈的故障信息，设置相应的编队指令。各飞机的位置数据将展示到人机交互界面，以便于对有人、无人机编队的飞行情况进行展示供飞行员参考。在出现单机故障时，同样将故障信息展示到人机交互界面，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。

其中，单机故障主要针对失去通信能力的故障机，即将无法进行正常通信的飞机视为故障机，其失去编队能力，不再参与编队任务。

所述编队指令模块2内的信息包括编队队形指令、编队间距指令和有人机的飞行状态数据，其中编队队形指令主要用于控制编队的队形形式，发送到路径规划模块3，包括编队飞机数量和编队队形。编队间距指令主要包括设置的编队间距，用于控制编队的松散程度，编队间距指令对于队形没有影响。

本实施例中一种故障单机的排除系统，包括有人机控制中心1、信息采集模块6、故障监测模块7、路径规划模块3和飞行控制模块5，所述有人机控制中心1、故障监测模块7、路径规划模块3均设置于编队的有人机上，飞行控制模块5设置于编队的各无人机上；

所述信息采集模块6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无人机上，用于获取无人机的位置信息和飞行状态信息，具体为无人机的定位信息、高度信息、飞行速度信息和飞行姿态信息；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；所述接收单元设置于有人机上；

所述故障监测模块7用于监测接收单元的信息，做出故障判断，并删除信息采集模块6中故障单机的数据；

所述有人机控制中心1用于接收故障监测模块7的信息、接收主动通信的无人机信息、确定故障单机编号和位置、以及设置编队指令；

所述路径规划模块3用于接收编队指令和信息采集模块6的信息，并根据编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络临界矩阵，即得到新的飞机通信关系，再将得到的数据信息发送到各无人机的飞行控制模块5；

所述飞行控制模块5接收飞行指令，控制无人机执行飞行任务。

还包括无人机集群模块4，无人机集群模块4主要作用是接收队形库数据生成单机飞行指令，分配单机飞行指令到各无人机。

所述无人机具有自主飞行与避障能力、主动通信功能和基本的故障诊断能力。所述自主飞行与避障保证编队的安全性，当某无人机自我诊断为故障机时，其失去通信能力被排除出编队，此时其将尝试返航，在故障不严重，不影响飞行能力的情况下其将回到设定的返航点。所述主动通信能力除了基础的数据发送与接收外，还具备识别能力，即能够根据接收的指令将数据发送到指定飞机，同时还具备通信容错能力，即当发生单机故障无法通信，导致其与编队通信网络断开时，此时与无人机UAVn通信的飞机数量为0【这里的UAVn指的是编队中的某架无人机单机，如图4的情况n=4，这里的UAVn指的是4号无人机，在编队网络中4号无人机仅与2号无人机存在通信关系，当2号无人机出现通信故障，其因为2号无人机的故障导致与整体编队网络的断开，所以此时与UAVn（即4号机）进行通信的飞机数量为0】，其将开始尝试主动与有人机通信，再次加入编队通信网络，情况如图4所示，当编队2号位置的无人机成为故障机失去通信能力，导致4号和6号位置的无人机断开编队通信网络，然而其自身通信能力没有丧失，于是4号和6号位置的无人机直接连接到有人机继续执行任务，等待后续有人机控制中心1发布新的编队指令进行编队重构。

本实施例中一种故障单机的排除系统的应用，所述故障单机的排除系统应用于有人、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单机的排除方法；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5；

当发生单机故障时，故障单机、及故障单机的下一阶通信无人机均与编队通信网络断开，无法接收路径规划模块3的信息，同时无法发送自身信息至信息采集模块6；所述信息采集模块6将断开通信的无人机数据均标记为全0状态，并发送至故障监测模块7；

所述故障单机的下一阶无人机与故障单机无法通信时，主动与有人机建立通信，并将数据状态标记为1，重新加入编队通信网络中；

所述故障监测模块7监测到数据异常后，将故障单机标定为故障机并删除其在信息采集模块6中的数据，即将故障单机排除，再将故障信息和信息采集模块6的信息发送至有人机控制中心1；同时，故障单机选择离开编队返回返航点；

所述有人机控制中心1显示故障信息和此时信息采集模块6的信息，用户根据信息随编队指令做出修正，将编队的飞机数量减少1；

所述路径规划模块3接收到新的编队指令，同时接收到实际的飞机状态数据，根据路径规划模块3内存储的通信拓扑图选择对应的通信拓扑结构；再计算得到新的飞机通信关系，将得到的数据信息发送到非故障无人机；

所述非故障无人机的飞行控制模块5执行控制指令驱动无人机。

以下结合附图对故障单机的排除系统的应用进行说明。

如图4所示，该编队为六机编队，其中2号位置无人机发生故障无法正常通信。该编队的完整通信拓扑结构如图8所示，编队队形结构如图11所示。在实际编队队形中，发生故障的2号位置处是UAV1，受到影响的分别是4号位置的UAV3和6号位置的UAV5。

当UAV1成为故障机后，其与编队通信网络断开，无法接收路径规划模块3的信息的同时也无法发送自身数据到信息采集模块6。此时UAV1将放弃当前飞行任务，尽可能返回提前设置的返航点。

UAV3和UAV5在与编队通信网络断开后立刻尝试与有人机控制中心1建立通信，重新加入到编队通信网络中，如图4-图5所示。

信息采集模块6中将UAV1的数据标记为全0状态，发送到故障监测模块7，故障监测模块7监测到UAV1数据异常，将其标定为故障机同时删除其在信息采集模块6中的数据，然后将故障信息和飞机状态数据发送到有人机控制中心1。

故障信息和飞机状态数据展示到有人机控制中心1的人机交互界面，飞行员接收到UAV1成为故障机的信息，随编队指令做出修正，将编队的飞机数量减少1，使得编队规模变为5机编队。

路径规划模块3接收到新的编队指令为五机编队，同时接收到的实际飞机状态数据也是对应的五组，于是根据队形数据库选择如图7所示的五机编队通信拓扑结构。此时编队的实际队形结构如图12所示，路径规划模块3根据如图3所示算法进行计算。

接收飞机状态数据后，读取原通信网络，即图7所示的五机编队通信拓扑图，得到通信邻接矩阵A 。根据各飞机的相对位置信息，计算各飞机前往各期望位置的飞行代价以及每个方案的总代价，根据代价最小原则选择最优方案，得到表示飞机编号与通信拓扑结构的对应关系的编号序列矩阵O，根据矩阵O各无人机前往分配的对应位置，在本实例中，最优方案为UAV5期望UAV1的位置，其他无人机位置不改变，最终队形变换为图10所示结构，但是无人机编号有所不同。根据矩阵O和A，可以计算出新的邻接矩阵A’，从而得到新的通信关系，最终得到新的编队情况如图13所示。

以上就是编队发生单机故障，UAV1离开编队后编队重构的过程，也就是本实施例所涉及系统的运行过程及应用。

所涉及路径规划模块3中包含但不仅限于图6-图8所示的编队通信拓扑结构，以及图9-图11所示队形结构示意图。

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 (9)

1.一种故障单机的排除方法，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，由信息采集模块获取各单机的状态信息和通信信息；

S3，由故障监测模块分析信息采集模块所获取的信息，做出故障判断；

S4，将故障单机排除，由有人机控制中心根据编队任务和非故障机数量设置编队指令，结合路径规划模块得到新的通信关系，进行编队重构；所述路径规划模块的执行方法为，

S4.1，接收信息，包括编队队形指令、编队间距指令和各飞机的实际飞行位置信息；

S4.2，根据队形指令选择通信拓扑网络并读取其通信邻接矩阵，选择队形结构并读取飞机期望位置数据；

S4.3，根据距离和角度计算每架无人机到每个期望位置的飞行代价，根据代价矩阵计算无人机的编号序列矩阵；所述编号序列矩阵为一维矩阵，矩阵内数据代表飞机编号，矩阵下标代表路径规划模块中保存的队形结构飞机编号；

S4.4，得到编号序列矩阵后，与路径规划模块中数据结合，对无人机期望位置进行分配；

S4.5，根据编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络邻接矩阵，得到新的飞机通信关系，下一步将得到的数据信息发送到各无人机；

所述信息采集模块将各单机信息同时发送至故障监测模块和路径规划模块，当无人机编队通信正常时，各单机只与上、下阶相邻飞机通信，各单机状态信息正常发送，在数据结构中标记为1；当无人机编队中单机发生故障失去通信能力时，该无人机的状态信息无法发送，在数据结构中标记为0；

所述故障监测模块监测到存在全0状态的无人机后，反馈故障单机信息到有人机控制中心，同时删除故障单机数据不再发送到有人机控制中心。

2.根据权利要求1所述一种故障单机的排除方法，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无人机的位置信息和飞行状态信息，具体为无人机的定位信息、高度信息、飞行速度信息和飞行姿态信息；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；

当无人机出现故障时，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。

3.根据权利要求2所述一种故障单机的排除方法，其特征在于：所述S3中，故障监测模块监测到信息采集模块存在全0状态的无人机后，将其标定为故障单机，并删除信息采集模块内对应数据，不再向故障监测模块和路径规划模块发送该机状态信息。

4.根据权利要求3所述一种故障单机的排除方法，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、主动通信模块和故障诊断模块；

所述S4的故障单机排除过程中，故障单机失去通信能力被排除出编队时，通过自主飞行与避障模块执行无人机返航路径及避让路径，使故障单机回到设定的返航点；被标记为0的非故障机通过所述主动通信模块重新建立通信网络；

所述主动通信模块包括数据发送与接收能力、识别能力、以及通信容错能力；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；通信容错能力为，当出现故障单机无法通信时，导致其与编队通信网络断开，该单机的下一阶无人机能够主动与有人机通信，当建立正常通信网络时，其数据结构中标记从0转为1，再次加入编队通信网络；

所述故障诊断模块能够在无人机出现故障时切断无线通信设备电路，停止发送信息。

5.根据权利要求4所述一种故障单机的排除方法，其特征在于：所述路径规划模块为有人、无人机编队的编队队形数据库，以通信拓扑图和队形结构数据的形式保存；所述通信拓扑图用于确定编队通信逻辑，以矩阵的形式保存通信邻接关系；所述队形结构数据用于确定实际飞行无人机编队相对于有人机的相对位置；

所述路径规划模块同时接收编队指令模块和信息采集模块的信息，所述编队指令模块发送的信息包括编队队形指令、编队间距指令和有人机的飞行状态数据，用于选择路径规划模块内与编队飞机数量相匹配的队形结构和通信结构；所述信息采集模块发送的信息包括无人机的位置信息和飞行状态信息，用于读取原通信结构，得到通信邻接矩阵。

6.根据权利要求5所述一种故障单机的排除方法，其特征在于：所述路径规划模块根据各无人机的原通信结构获得相对位置信息，计算各飞机前往各期望位置的飞行代价以及每个方案的总代价，根据代价最小原则选择最优方案，得到表示飞机编号与通信拓扑结构的对应关系的编号序列矩阵，根据该矩阵各无人机前往分配的对应位置。

7.根据权利要求6所述一种故障单机的排除方法，其特征在于：所述有人机控制中心包括人机交互界面、通信模块、故障信息获取模块和编队指令模块；所述人机交互界面作为用户与系统之间进行交互和信息交换的媒介；

所述故障信息获取模块用于确定故障单机编号和位置；

所述通信模块用于接收信息和输出指令，同时能够建立主动通信网络，接收故障单机的下一阶无人机的主动联系，将该下一阶无人机的信息与信息采集模块传输的信息结合，作为新的编队指令的输入；

所述编队指令模块用于输出用户设置的编队指令。

8.一种权利要求1-7任一项所述故障单机的排除方法的实施系统，其特征在于：包括有人机控制中心、信息采集模块、故障监测模块、路径规划模块和飞行控制模块，所述有人机控制中心、故障监测模块、路径规划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无人机上，用于获取无人机的位置信息和飞行状态信息，具体为无人机的定位信息、高度信息、飞行速度信息和飞行姿态信息；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；所述接收单元设置于有人机上；

所述故障监测模块用于监测接收单元的信息，做出故障判断，并删除信息采集模块中故障单机的数据；

所述有人机控制中心用于接收故障监测模块的信息、接收主动通信的无人机信息、确定故障单机编号和位置、以及设置编队指令；

所述路径规划模块用于接收编队指令和信息采集模块的信息，并根据编号序列矩阵计算得到新的编队通信网络邻接矩阵，即得到新的飞机通信关系，再将得到的数据信息发送到各无人机的飞行控制模块；

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。

9.一种权利要求8所述故障单机的排除方法的实施系统的实施方法，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单机的排除方法；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，故障单机、及故障单机的下一阶通信无人机均与编队通信网络断开，无法接收路径规划模块的信息，同时无法发送自身信息至信息采集模块；所述信息采集模块将断开通信的无人机数据均标记为全0状态，并发送至故障监测模块；

所述故障单机的下一阶无人机与故障单机无法通信时，主动与有人机建立通信，并将数据状态标记为1，重新加入编队通信网络中；

所述故障监测模块监测到数据异常后，将故障单机标定为故障机并删除其在信息采集模块中的数据，即将故障单机排除，再将故障信息和信息采集模块的信息发送至有人机控制中心；同时，故障单机选择离开编队返回返航点；

所述有人机控制中心显示故障信息和此时信息采集模块的信息，用户根据信息随编队指令做出修正，将编队的飞机数量减少1；

所述路径规划模块接收到新的编队指令，同时接收到实际的飞机状态数据，根据路径规划模块内存储的通信拓扑图选择对应的通信拓扑结构；再计算得到新的飞机通信关系，将得到的数据信息发送到非故障无人机；

所述非故障无人机的飞行控制模块执行控制指令驱动无人机。

Images