CN111708376B - 一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，涉及无人机技术领域，包括多架无人机，每架无人机包含单机控制模式和编队控制模式两种飞行控制模式；单机控制模式：每架无人机按照预先设置的单机航线独立飞行，无人机的制导指令由该架无人机的机载飞控计算机根据单机航线产生；针对固定翼无人机编队地面集中控制场景，现有通信链路备份方法无法避免通信链路不稳定导致的飞行安全隐患，本发明通过合理设计无人机编队飞行控制方法进一步增强存在通信链路不稳定条件下固定翼无人机编队飞行安全性。

Description

一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，更具体地说，它涉及一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法。
背景技术
目前，由于无人机的智能化程度有限，在无人机编队飞行实际应用中，通常采用地面集中控制的方法，其基本过程是在地面根据整个编队飞行航线计算编队中每架无人机飞行航线，并通过通信链路周期性向编队中每架无人机发送相应的制导指令。与单架无人机相比，由于需要保持无人机编队队形，避免编队内部无人机之间相互碰撞，无人机编队飞行通常更依赖于地面站与无人机编队之间的无线通信链路。
由于无线通信信道衰落特性、地形因素、通信设备故障等原因，无法保障无人机编队飞行全过程中地面站与无人机编队之间的无线通信链路稳定可靠，存在无线通信链路中断的情况。当无线通信链路发生中断，若不进行有效处理，无人机编队将无法正常飞行，会发生无人机之间相互碰撞以及坠毁的情况，可能带来严重的财产损失和人员生命安全威胁，特别对于固定翼无人机，通常无法像旋翼无人机一样具备原地着陆的能力，通信链路中断对固定翼无人机编队影响更大。
针对固定翼无人机编队地面集中控制场景下的通信链路不可靠问题，现有方法主要沿用单架无人机情景下的处理方法，主要思想是提升通信链路可靠性，常采用通信链路备份的方法，在固定翼无人机上安装两套或多套独立的通信设备。在无人机编队场景下，存在以下问题：
(1)该种方法无法完全避免通信链路中断情况，并且由于要求编队中每架无人机通信链路均可靠，通信链路备份方法带来的可靠性将随着无人机编队规模的增加而降低。进一步地，对于中/大规模固定翼无人机编队，增加多套机载通信设备将导致成本大幅提升。
(2)在无人机编队中采用现有的通信链路备份方法，需要针对每架无人机选取最优的通信链路，将带来复杂的链路切换控制逻辑，其复杂度随无人机编队规模增加而显著增加。
(3)搭载多个通信设备，除考虑通信设备自身重量和体积外，还需要考虑相应供电电池的重量和体积，对于设备体积和重量敏感的小/微型固定翼无人机，由于载重和装载容量的限制，不宜采用通信链路备份的方法。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，针对固定翼无人机编队地面集中控制场景，提出一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，避免通信链路长时间中断导致的编队飞行安全问题，同时对通信链路短时间中断具有一定的鲁棒性，增强存在通信链路不稳定条件下固定翼无人机编队飞行安全性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，包括多架无人机，每架无人机包含单机控制模式和编队控制模式两种飞行控制模式；
单机控制模式：每架无人机按照预先设置的单机航线独立飞行，无人机的制导指令由该架无人机的机载飞控计算机根据单机航线产生；
编队控制模式：多架无人机均由地面多机控制中心站控制，地面多机控制中心站依据编队航线计算每架无人机的制导指令，然后向编队中的每架无人机发送相应的制导指令；
无人机编队中每架无人机设置两个时间门限，第k架无人机的时间门限分别为Tk1和Tk2，Tk1＜Tk2；地面多机控制中心站向每架无人机发送制导指令的周期为Tc，Mk和Nk为整数，且Mk＜Nk，Tk1＝MkTc， Tk2＝NkTc；令第k架无人机与地面之间的上行通信链路中断时间为Tku，下行通信链路中断时间为Tkd，整个通信链路的中断时间为 Tk＝max{Tku,Tkd}，函数max{x,y}表示取x和y中的较大值；
无人机编队中每架无人机中预先在机载飞控计算机中存储四条单机控制模式下的航线：包括默认航线、应急航线、降落航线和默认编队航线；其中，
默认航线：无人机编队起飞时各架无人机的航线；
应急航线：第k架无人机与地面多机控制中心站通信链路中断时间Tk＞Tk2时，无人机k在单机控制模式下，通过高度分层和设置盘旋时间进行控制；
降落航线：无人机正常降落时的返航航线；
默认编队航线：无人机k与地面多机控制中心站通信链路中断时间 Tk1≤Tk≤Tk2时，无人机k在单机控制模式下进行控制。
作为一种优选方案，将无人机编队飞行过程氛围七个阶段：起飞前准备、单机起飞到编队集结、编队集结中、编队初始航向对齐、编队巡航、编队降落集结和单机降落。
作为一种优选方案，起飞前准备：包括四条单机控制模式下的航线的编辑和绑定，编队起飞集结点和编队降落集结点配置，编队航线的配置，编队队形设置，每架无人机飞行前检查。
作为一种优选方案，单机起飞到编队集结：无人机跟踪默认航线，到达起飞盘旋点范围时给出盘旋等待标志位，当编队中所有无人机均给出盘旋等待标志位，地面多机控制中心站接管所有无人机控制权限；地面多机控制中心统计下行通信链路中断时间和上行通信链路中断时间，在第k架无人机的通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；当通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
作为一种优选方案，编队集结中：多机编队中的无人机在编队起飞集结点分层盘旋，当所有无人机达到编队起飞集结点区域时，进入编队初始航向对齐阶段；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；其通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航；
在起飞成功的无人机数量少于编队设定无人机数量，则地面多机控制中心站持续控制其余正常起飞无人机在编队起飞集结点盘旋。
作为一种优选方案，编队初始航向对齐：地面多机控制中心站控制编队中的无人机的航向与编队航线的航向一致时，切出该架无人机，使其跟踪编队航线；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
作为一种优选方案，编队巡航：包括队形调整、队形保持、转弯处理、队形变换、编队切点和单机脱离编队任务；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
作为一种优选方案，编队降落集结：当编队中的任意一架无人机距离编队降落集结点小于2倍盘旋半径时，编队进入编队降落集结阶段；地面多机控制中心站控制编队中的无人机在编队降落集结点处分层盘旋；
在执行单机脱离编队操作时，地面多机控制中心站先脱离该架无人机，然后手动切单机航点，使其跟踪指定航线及目标点；
在降落完成的无人机没有给出降落完成标志位，则在降落集结点处盘旋的无人机会持续盘旋，地面多机控制中心站手动切点使无人机跟踪降落航线；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
作为一种优选方案，单机降落：编队降落集结点处盘旋高度最低的无人机首先降落；当正在降落的无人机给出降落完成标志位后，当前编队降落集结点处盘旋高度最低的无人机接着降落；
当一架无人机已降落，但没有及时回收，需要地面站人工对正在降落的无人机进行控制。
一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制***包括上述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)避免通信链路长时间中断导致的编队飞行安全问题，同时对通信链路短时间中断具有一定的鲁棒性，进一步增强存在通信链路不稳定条件下固定翼无人机编队飞行安全性；
(2)有效解决中/大规模固定翼无人机编队飞行过程中通信链路不稳定导致的飞行安全问题；
(3)有效解决小/微型固定翼无人机编队飞行过程中通信链路不稳定导致的飞行安全问题。
附图说明
图1是本发明实施例的***示意图；
图2是本发明实施例的无人机编队控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
步骤1：***示意图如图1所示，***共包含K架无人机。采用单机自主控制与地面集中式编队控制相结合的控制方法，即每架无人机存在两种飞行控制模式：单机控制模式与编队控制模式。在单机控制模式下，每架无人机按照某预定单机航线独立飞行，无人机的制导指令由该架无人机的机载飞控计算机根据单机航线产生；在编队控制模式下，由地面多机控制中心站依据编队航线计算每架无人机的制导指令，同时向编队中每架无人机发送相应的制导指令，无人机的控制权在地面多机控制中心站。
步骤2：对编队中每架无人机设置两个时间门限。例如编队中第 k架无人机，设置两个时间门限，分别为Tk1和Tk2，Tk1＜Tk2，通过比较通信链路中断时间与时间门限的大小，选择相应的处理方法，如步骤 3。地面多机控制中心站向编队中每架无人机发送制导指令的周期相同，均为Tc，Mk和Nk为整数，且Mk＜Nk，Tk1＝MkTc，Tk2＝NkTc。假设第k架无人机与地面之间的上行(由地面到机载端)通信链路中断时间为Tku，下行(机载端到地面)通信链路中断时间为Tkd，整个通信链路的中断时间定义为Tk＝max{Tku,Tkd}，函数max{x,y}表示取x和y 中的较大值。
步骤3：在每架无人机中预先设置四条单机自主控制模式下的航线(简称为单机航线)：默认航线、应急航线、降落航线、默认编队航线，预先存储在每架无人机的机载飞控计算机。四条单机航线均需设置盘旋点、着陆点。
(1)默认航线：无人机编队起飞时各架无人机的航线。
(2)应急航线：以无人机k为例，当其与地面通信设备之间处于长时间通信链路中断状态，即中断时间Tk＞Tk2时，无人机k在单机控制模式下需要跟踪的航线。不同无人机的应急航线需不同，通过高度分层与设置盘旋时间，避免多架无人机进入应急航线时发生碰撞。
(3)降落航线：某无人机正常降落时的返航航线。
(4)默认编队航线：以无人机k为例，当其与地面通信设备之间处于短时间通信链路中断状态，即中断时间Tk1≤Tk≤Tk2时，无人机k在单机控制模式下需要跟踪的航线。
步骤4、将无人机编队飞行整个过程分为七个阶段：起飞前准备、单机起飞到编队集结、编队集结中、编队初始航向对齐、编队巡航、编队降落集结、单机降落。固定翼无人机编队控制方法详细描述如图 2所示。
(1)起飞前准备
主要包括单机四条航线的编辑和绑定；编队起飞集结点、编队降落集结点配置；编队航线的配置；编队队形设置；每架无人机飞行前检查。
(2)单机起飞到编队集结：
单架无人机起飞之后会跟踪默认航线，在到达起飞盘旋点范围时，会给出盘旋等待标志位。当编队中的所有无人机给出盘旋等待标志位时，多机控制中心站同时接管所有无人机控制权限。
下行通信链路中断时间统计由多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成。对于编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间为Tk。若Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；若Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
(3)编队集结中
多机控制中心站控制编队中的无人机在编队起飞集结点分层盘旋，当所有无人机达到编队起飞集结点区域时，进入编队初始航向对齐阶段。
下行通信链路中断时间统计由多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成。对于编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间为Tk。若Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；若Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
若起飞成功的无人机数量少于编队设定无人机数量，则多机控制中心站持续控制其余正常起飞无人机在编队起飞集结点盘旋。若使正常起飞的无人机进行编队，则地面站操作人员手动脱离没有起飞成功的无人机。若终止本次编队飞行任务，则地面站操作人员手动将各架无人机切换到降落航线。
(4)编队初始航向对齐
多机控制中心站控制编队中的无人机的航向与编队航线的航向一致时，切出该架无人机，使其跟踪编队航线。
下行通信链路中断时间统计由多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成。对于编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间为Tk。若Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；若Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
(5)编队巡航
包括队形调整、队形保持、转弯处理、队形变换、编队切点、单机脱离编队等任务。
下行通信链路中断时间统计由多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成。对于编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间为Tk。若Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；若Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
(6)编队降落集结
当编队中的任意一架无人机距离编队降落集结点小于2倍盘旋半径(由地面站设置)时，编队进入编队降落集结阶段。多机控制中心站控制编队中的无人机在编队降落集结点处分层盘旋。
若执行单机脱离编队操作时，地面站先脱离该架无人机，然后手动切单机航点，使其跟踪指定航线及目标点。
若降落完成的无人机没有给出降落完成标志位，则在降落集结点处盘旋的无人机会持续盘旋，此时需要地面站手动切点使无人机跟踪降落航线。
下行通信链路中断时间统计由多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成。对于编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间为Tk。若Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；若Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
(7)单机降落
编队降落集结点处盘旋高度最低的无人机首先降落。当正在降落的无人机给出降落完成标志位后(单机将一直发送该标志)，当前编队降落集结点处盘旋高度最低的无人机接着降落。
当一架无人机已降落，但没有及时回收，需要地面站人工对正在降落的无人机进行控制。
主要特征如下：
1)步骤1中采用单机自主控制与地面集中式编队控制相结合的控制方法；
2)步骤2中地面多机控制中心站以相同的周期向编队中每架无人机发送制导指令，根据该周期，预先对每架无人机设置相应的两个时间门限；
3)步骤3中在每架无人机中预先设置四条单机航线，存储在每架无人机的机载飞控计算机。每架次无人机的四条单机航线均需设置盘旋点、着陆点。
4)步骤2和步骤4中分别统计上行和下行通信链路中断时间，下行通信链路中断时间统计由地面端的多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成。
5)步骤2和步骤4中将通信链路中断时间定义为上行通信链路中断时间和下行通信链路中断时间的较大者。编队中每架无人机独立进行判断，对于无人机k，其通信链路中断时间为Tk。若Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；若Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
6)步骤4中将无人机编队飞行整个过程分为七个阶段：起飞前准备、单机起飞到编队集结、编队集结中、编队初始航向对齐、编队巡航、编队降落集结、单机降落。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，包括多架无人机，每架无人机包含单机控制模式和编队控制模式两种飞行控制模式；
单机控制模式：每架无人机按照预先设置的单机航线独立飞行，无人机的制导指令由该架无人机的机载飞控计算机根据单机航线产生；
编队控制模式：多架无人机均由地面多机控制中心站控制，地面多机控制中心站依据编队航线计算每架无人机的制导指令，然后向编队中的每架无人机发送相应的制导指令；
无人机编队中每架无人机设置两个时间门限，第k架无人机的时间门限分别为Tk1和Tk2，Tk1＜Tk2；地面多机控制中心站向每架无人机发送制导指令的周期为Tc，Mk和Nk为整数，且Mk＜Nk，Tk1＝MkTc，Tk2＝NkTc；令第k架无人机与地面之间的上行通信链路中断时间为Tku，下行通信链路中断时间为Tkd，整个通信链路的中断时间为Tk＝max{Tku,Tkd}；函数max{x,y}表示取x和y中的较大值；
无人机编队中每架无人机中预先在机载飞控计算机中存储四条单机控制模式下的航线：包括默认航线、应急航线、降落航线和默认编队航线；其中，
默认航线：无人机编队起飞时各架无人机的航线；
应急航线：第k架无人机与地面多机控制中心站通信链路中断时间Tk＞Tk2时，无人机k在单机控制模式下，通过高度分层和设置盘旋时间进行控制；
降落航线：无人机正常降落时的返航航线；
默认编队航线：无人机k与地面多机控制中心站通信链路中断时间Tk1≤Tk≤Tk2时，无人机k在单机控制模式下进行控制。
2.根据权利要求1所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，将无人机编队飞行过程分为 七个阶段：起飞前准备、单机起飞到编队集结、编队集结中、编队初始航向对齐、编队巡航、编队降落集结和单机降落。
3.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，起飞前准备：包括四条单机控制模式下的航线的编辑和绑定，编队起飞集结点和编队降落集结点配置，编队航线的配置，编队队形设置，每架无人机飞行前检查。
4.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，单机起飞到编队集结：无人机跟踪默认航线，到达起飞盘旋点范围时给出盘旋等待标志位，当编队中所有无人机均给出盘旋等待标志位，地面多机控制中心站接管所有无人机控制权限；地面多机控制中心统计下行通信链路中断时间和上行通信链路中断时间，在第k架无人机的通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；当通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
5.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，编队集结中：多机编队中的无人机在编队起飞集结点分层盘旋，当所有无人机达到编队起飞集结点区域时，进入编队初始航向对齐阶段；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；编队中的第k架无人机，其通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；其通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航；
在起飞成功的无人机数量少于编队设定无人机数量，则地面多机控制中心站持续控制其余正常起飞无人机在编队起飞集结点盘旋。
6.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，编队初始航向对齐：地面多机控制中心站控制编队中的无人机的航向与编队航线的航向一致时，切出该架无人机，使其跟踪编队航线；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
7.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，编队巡航：包括队形调整、队形保持、转弯处理、队形变换、编队切点和单机脱离编队任务；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
8.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，编队降落集结：当编队中的任意一架无人机距离编队降落集结点小于2倍盘旋半径时，编队进入编队降落集结阶段；地面多机控制中心站控制编队中的无人机在编队降落集结点处分层盘旋；
在执行单机脱离编队操作时，地面多机控制中心站先脱离该架无人机，然后手动切单机航点，使其跟踪指定航线及目标点；
在降落完成的无人机没有给出降落完成标志位，则在降落集结点处盘旋的无人机会持续盘旋，地面多机控制中心站手动切点使无人机跟踪降落航线；
下行通信链路中断时间统计由地面多机控制中心站完成，上行通信链路中断时间统计由机载飞控计算机完成；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk1≤Tk≤Tk2，该架无人机去追默认编队航线；编队中的第k架无人机通信链路中断时间Tk满足Tk＞Tk2，该架无人机按照应急航线返航。
9.根据权利要求2所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法，其特征在于，单机降落：编队降落集结点处盘旋高度最低的无人机首先降落；当正在降落的无人机给出降落完成标志位后，当前编队降落集结点处盘旋高度最低的无人机接着降落；
当一架无人机已降落，但没有及时回收，需要地面站人工对正在降落的无人机进行控制。
10.一种对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制***，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的对通信链路具有鲁棒性的固定翼无人机编队控制方法。
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