一种故障单机的排除方法、系统和应用技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术解决了有人、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。执行任务的时效性。执行任务的时效性。

【技术实现步骤摘要】
一种故障单机的排除方法、系统和应用


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]针对以上问题，本专利技术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。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术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。本专利技术解决了有人、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。
[0006]本专利技术的技术方案是：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。
[0007]本专利技术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。
[0008]本专利技术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。
[0009]本专利技术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。
[0010]本专利技术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。本专利技术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。
[0011]本专利技术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。
[0012]本专利技术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。
[0013]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、无线通讯设备和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贞报，张文奇，支国柱，党庆庆，赵闻，王潇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：