一种多无人机序列飞行控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多无人机序列飞行控制方法，预先根据无人机序列飞行方案生成各无人机包括空间坐标和时间坐标的4D航迹，并分别导入各无人机的飞行控制系统；在进行序列飞行时，使用主动控制和被动控制相结合的控制方法：在通信正常情况下，各无人机按照地面站向各无人机实时发送的航点信息进行飞行，从而实现多无人机序列飞行的主动控制；在通信异常情况下，各无人机的飞行控制系统按照所述预先导入的4D航迹对该无人机进行控制，从而实现多无人机序列飞行的被动控制，直到通信情况恢复正常。相比现有技术，本发明专利技术具有更高的安全性和控制灵活性。

A Sequential Flight Control Method for Multiple Unmanned Aerial Vehicles

The invention discloses a sequential flight control method for multiple UAVs, which generates the 4D tracks of each UAV including space coordinates and time coordinates according to the UAV sequential flight scheme in advance, and imports them into the flight control systems of each UAV separately. During sequential flight, a control method combining active control with passive control is used: under normal communication conditions, each UAV follows the following steps: Flying according to the real-time information of Flight points sent by ground stations to UAVs can realize the active control of sequential flight of multiple UAVs. In the case of abnormal communication, the flight control system of each UAV can control the UAV according to the pre-imported 4D track, thus realizing the passive control of sequential flight of multiple UAVs until the communication situation returns to normal. Compared with the prior art, the invention has higher security and control flexibility.

【技术实现步骤摘要】
一种多无人机序列飞行控制方法
本专利技术涉及一种多无人机序列飞行控制方法，属于多无人机序列飞行控制

技术介绍
近几年来，随着人工智能的快速发展，无人机(UAV,UnmannedAerialVehicle)控制
也突飞猛进，相关技术越来越成熟，吸引人们眼球的当属无人机序列飞行的商业表演。无人机序列飞行是指预先设计出多无人机组合的队形阵列或图案，再依次将每个队形或图案对应的每架无人机的位置航点导入无人机飞行控制系统中，最后各无人机将按照飞行指令先后飞往指定航点完成队形的排列和变换。目前无人机序列飞行表演主要有无人机搭载高功率的RGB灯进行静态或准静态的灯光秀和难度较高的多动态队形变换。无人机动态序列飞行需要解决授时和同步、导航和定位、数据、通讯和抗干扰、路径协调等多个难题。随着当前传感器技术、智能控制技术、信息融合技术以及无线通信技术的高速发展，无人机序列飞行变得容易实现，但同时也出现了很多关键问题，例如对于当前实现多无人机序列飞行的控制策略来说，安全性问题变得更加突出，也是未来无人机序列飞行表演成败的关键问题和技术“瓶颈”。无人机飞行时会受到诸如磁场、天气以及外来物等不可控的环境因素影响，使得需要通信的多无人机序列飞行变得更加困难，安全风险系数也很大。目前多无人机序列飞行主要是采用3D导航技术设计航点，然后通过一对多的无线通信模块在线实时向无人机发送队列飞行计划的航点，最后由无人机执行各自指令组成期望的图案。在此过程中会出现很多当前技术还无法解决的问题，例如当前的多无人机序列飞行航点密集，导致计算量大，复杂度高，目前也没有一款专门的无人机航迹规划软件；还有通信容易中断，导致地面站无法发送指令，所有无人机会失控，风险不可估计等。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有更高安全性的多无人机序列飞行控制方法。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种多无人机序列飞行控制方法，预先根据无人机序列飞行方案生成各无人机包括空间坐标和时间坐标的4D航迹，并分别导入各无人机的飞行控制系统；在进行序列飞行时，使用主动控制和被动控制相结合的控制方法：在通信正常情况下，各无人机按照地面站向各无人机实时发送的航点信息进行飞行，从而实现多无人机序列飞行的主动控制；在通信异常情况下，各无人机的飞行控制系统按照所述预先导入的4D航迹对该无人机进行控制，从而实现多无人机序列飞行的被动控制，直到通信情况恢复正常。优选地，所述预先根据无人机序列飞行方案生成各无人机包括空间坐标和时间坐标的4D航迹，具体如下：首先根据序列飞行图案获取各无人机在包括空间坐标和时间坐标的4D坐标系中初始4D航迹，然后通过动画仿真的方式对各无人机的初始4D航迹进行修正。进一步优选地，使用Blender动画软件进行所述动画仿真。更进一步地，所述通过动画仿真的方式对各无人机的初始4D航迹进行修正，具体如下：Step1：在Animation窗口模式下，根据无人机数量添加无人机模型，并进行序列编号；Step2：根据预设定的时间，进行帧率的设置；Step3:在初始帧处插入关键帧，根据无人机安全飞行距离整齐的排放位置，并保存位置坐标；Step4：根据指定时间所应展示的序列飞行图案，通过帧率和时间的换算关系分别插入关键帧，将无人机编排成对应图案，保存位置坐标；Step5：当所有队形设计完毕，Blender便自动规划出无人机最优飞行路径，进行动画仿真；Step6：在Scripting窗口模式下,进行脚本程序的编写，每隔5帧进行一次无人机位置坐标和时间的读取，根据时间计算飞行速度判断航迹可实现性以及是否能到达同步，根据设置安全距离阈值判断是否会发生碰撞，以进行航迹修正；Step7：以地面站多无人机序列飞行模式下相匹配的文件格式导出每架无人机的4D航点。优选地，所述主动控制和被动控制相结合的控制方法，具体包括以下步骤：Step1：设定初始值j＝k＝s＝0；Step2：地面站在线发送第kt,i个航点；Step3：判断无人机UAV是否接收到心跳包，Yes，则转至Step4；No，则判断通信中断，执行Step8；Step4：接收到心跳包的UAV会对地面站做出应答，发送应答信号，转至Step5；Step5：地面站判断是否接收到所有UAV的应答信号，Yes，则UAV进行序列飞行，通信正常，转至Step6；No，则通信中断，转至Step8；Step6：所有UAV切换到主动控制模式，并且j＝j+1，s＝0；Step7：地面站在线发送第kt+k,i+j个航点，并转至Step3；Step8：地面站禁止发送第k+i个航点，并等待5s不与UAV通信；Step9：所有UAV自动切换到被动控制模式；Step10：判断j和s是否同时为0，Yes，则转至Step11；No，则转至Step12；Step11：s＝1，UAV以kt+k,i航点飞行，若kt+k,i为最后一个航点，则转至Step14；否则，转至Step13；Step12：k＝k+1，j＝0，转至Step11；Step13：地面站向UAV被动控制模式下发送特定信号，以进行通信检测，转至Step3；Step14：着陆，结束序列飞行。优选地，地面站与各无人机间使用无线Mesh网络进行实时通信。进一步地，在进行序列飞行时，各无人机的飞行控制系统使用动态PID位置控制回路来对自身飞行速度进行控制，所述动态PID位置控制回路根据下式获得自身飞行速度V：其中，e(t)为位置误差，Δtd为该无人机飞往目标航点的剩余时间，KI、KD均为给定常数。进一步地，在进行序列飞行时，各无人机的飞行控制系统通过将利用飞控计算机获得的时间与利用GNSS获取的时间进行数据融合，以得到更准确的时间。所述数据融合优选基于卡尔曼滤波器的数据融合。相比现有技术，本专利技术技术方案具有以下有益效果：1)提出无人机4D航迹规划，实现多无人机序列飞行队形变换的同步性和同时性；2)多无人机序列飞行的4D航迹仿真和修正方法使得航点设计周期短，操作简单且灵活，计算量小；2)提出被动控制方法，解决飞行过程中因通信中断可能导致的危险，大大提高了序列飞行的安全性；3)主被动混合控制可同时消除被动控制和主动控制的不足。例如，可解决被动控制的内存不足问题，降低硬件要求。附图说明图1为一种现有多无人机序列飞行的主动控制策略流程示意图；图2为本专利技术提出的被动控制策略流程示意图；图3为现有无人机飞行控制系统的静态PID位置控制回路结构示意图；图4为本专利技术设计的无人机飞行控制系统的动态PID位置控制回路结构示意图；图5为根据无人机序列飞行方案生成10架无人机4D航迹的原理示意图；图6为多无人机序列飞行4D航迹修正程序流程图；图7为无线mesh自组网的网络拓扑结构示意图；图8为在UAV02与地面站直接通信中断情况下可通过其它4条通信链路传输信号示意图；图9为本专利技术主被动混合控制方案中的主动控制和被动控制的航迹对比示意图；图10为本专利技术的多无人机序列飞行的主被动混合控制的流程示意图；图11为本专利技术的多无人机序列飞行的主被动混合控制中的在线避障示意图。具体实施方式针对现有多无人机序列飞行控制技术所存在的不足，本专利技术提出了一种基于4D航迹的多无人机序列飞行被动控制策略，并与现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多无人机序列飞行控制方法，其特征在于，预先根据无人机序列飞行方案生成各无人机包括空间坐标和时间坐标的4D航迹，并分别导入各无人机的飞行控制系统；在进行序列飞行时，使用主动控制和被动控制相结合的控制方法：在通信正常情况下，各无人机按照地面站向各无人机实时发送的航点信息进行飞行，从而实现多无人机序列飞行的主动控制；在通信异常情况下，各无人机的飞行控制系统按照所述预先导入的4D航迹对该无人机进行控制，从而实现多无人机序列飞行的被动控制，直到通信情况恢复正常。

【技术特征摘要】
1.一种多无人机序列飞行控制方法，其特征在于，预先根据无人机序列飞行方案生成各无人机包括空间坐标和时间坐标的4D航迹，并分别导入各无人机的飞行控制系统；在进行序列飞行时，使用主动控制和被动控制相结合的控制方法：在通信正常情况下，各无人机按照地面站向各无人机实时发送的航点信息进行飞行，从而实现多无人机序列飞行的主动控制；在通信异常情况下，各无人机的飞行控制系统按照所述预先导入的4D航迹对该无人机进行控制，从而实现多无人机序列飞行的被动控制，直到通信情况恢复正常。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述预先根据无人机序列飞行方案生成各无人机包括空间坐标和时间坐标的4D航迹，具体如下：首先根据序列飞行图案获取各无人机在包括空间坐标和时间坐标的4D坐标系中初始4D航迹，然后通过动画仿真的方式对各无人机的初始4D航迹进行修正。3.如权利要求2所述方法，其特征在于，使用Blender动画软件进行所述动画仿真。4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述通过动画仿真的方式对各无人机的初始4D航迹进行修正，具体如下：Step1：在Animation窗口模式下，根据无人机数量添加无人机模型，并进行序列编号；Step2：根据预设定的时间，进行帧率的设置；Step3:在初始帧处插入关键帧，根据无人机安全飞行距离整齐的排放位置，并保存位置坐标；Step4：根据指定时间所应展示的序列飞行图案，通过帧率和时间的换算关系分别插入关键帧，将无人机编排成对应图案，保存位置坐标；Step5：当所有队形设计完毕，Blender便自动规划出无人机最优飞行路径，进行动画仿真；Step6：在Scripting窗口模式下,进行脚本程序的编写，每隔5帧进行一次无人机位置坐标和时间的读取，根据时间计算飞行速度判断航迹可实现性以及是否能到达同步，根据设置安全距离阈值判断是否会发生碰撞，以进行航迹修正；Step7：以地面站多无人机序列飞行模式下相匹配的文件格式导出每架无人机的4D航点。5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述主动控制和...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛汉霖，陈芊，李泽凡，李嘉诚，张杰，刘子文，李萌萌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32