一种无人机集群飞行路径的跟随控制系统、方法、无人机与流程

本发明属于无人机集群控制技术领域，尤其涉及一种无人机集群飞行路径的跟随控制系统、方法、无人机。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：在无人机集群表演飞行中，目前常用的控制策略是基于规划层规划后给出的控制量作为控制层的前馈，为了满足集群飞行的复杂性，要求前端规划上尽可能的进行高频率的采样，而如果在离线全局规划飞行上，会因此提前生成了大量的飞行航点数据，而简单的基于这些航点信息直接作为控制前馈，往往因为精度问题影响了飞行效果，无法满足高精度要求得集群飞行表演需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：集群飞行表演采用的离线全局规划策略中，规划层产生的大量航点信息作为控制前馈满足不了高精度控制飞行的需求。

解决上述技术问题的难度：目前在解决该问题的策略上，主要通过要求在前期规划中考虑力学规律，该策略虽能满足需求，但是随着多架次长时间飞行的规划上，将产生冗余的大量航点信息，在规划上将产生一定的负担，同时并不能解决精度误差问题。

解决上述技术问题的意义：目前多架次长时间的飞行需要高精度的控制，控制的细微偏差将导致多架次飞行的失败，实现上述技术问题将能够对目前集群表演产生非常积极的意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机集群飞行路径的跟随控制系统、方法、无人机。

本发明是这样实现的，一种无人机集群飞行路径的跟随控制方法，所述无人机集群飞行路径的跟随控制方法包括以下步骤：

第一步，导入数据点，获取航点信息，并将航点整理关于时间-位置的序列，分别进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束；

第二步，利用拟合曲线求得曲率及曲率变化率，并写入优化后的航点曲率及曲率变化率写入航点信息；

第三步，将曲率及曲率变化率导入航线控制逻辑。

进一步，所述第一步导入数据点，获取航点信息，并将航点整理关于时间-位置的序列，分别进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束具体包括将航点整理关于时间-位置的序列，即t-xyz序列形式，得到t-xyz后，分别对t-x,t-y,t-z进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束。

进一步，为了得到x、y和z三个方向的全段拟合曲线信息，可先通过得到各分段拟合曲线后进行整理得到，在得到分段拟合曲线后，查询其x、y和z分段拟合曲线的系数如下：

{coef(x)，coef(y),coef(z)}

其中coef(x)代表x轴方向拟合曲线系数，coef(y)代表y轴方向拟合曲线系数，coef(z)代表z轴方向拟合曲线系数。

x、y和z分段拟合曲线各阶数如下：

[nx,ny,nz]^t；

其中nx代表x轴方向拟合曲线阶数，ny代表y轴方向拟合曲线阶数，nz代表z轴方向拟合曲线阶数。

通过对x、y和z中各分段的拟合曲线进行整理得到全段拟合曲线信息，进行整理成如下形式：

其中posi_x代表x轴方向全段拟合曲线，posi_y代表y轴方向全段拟合曲线posi_z代表z轴方向全段拟合曲线，posi_index代表拟合曲线分段序列数。

进一步，所述第二步具体包括：利用拟合曲线求得个点的曲率ρ及曲率变化率并写入优化后的航点曲率及曲率变化率写入航点信息。

进一步，所述第三步具体包括：设计航线规划控制逻辑，将曲率ρ及曲率变化率导入航线控制逻辑，利用曲线拟合消除所有突变的变量。

进一步，所述无人机集群飞行路径的跟随控制方法还包括：将无人机整体控制段分为五段，分别是拟合准备段，飞机准备开始增加速度飞向目标位置；拟合对接段，飞机开始飞向目标位置；拟合重合段，飞机飞行目标位置的过程中；拟合分离段，飞机接近目标位置需要开始减速；拟合到目标位置段，飞机已经到达目标位置后开始悬停。

进一步，所述无人机集群飞行路径的跟随控制方法还包括：在控制策略上，在拟合准备段将拟合曲线曲率变化率作为前馈引入控制，驱动飞机预先提速，在拟合对接段再引入拟合曲线曲率做二次前馈，将飞机快速提速到期望速度，在拟合分离段将拟合曲线曲率变化率作为前馈引入控制，驱动飞机提前减速，在拟合到目标位置段，再引入拟合曲线曲率的负值做前馈，使飞机快速停下，进入悬停段。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述无人机集群飞行路径的跟随控制方法的无人机集群飞行路径的跟随控制系统，所述无人机集群飞行路径的跟随控制系统包括：

时间-位置序列处理模块，用于导入数据点，获取航点信息，并将航点整理关于时间-位置的序列，分别进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束；

曲率及曲率变化率处理模块，用于利用拟合曲线求得曲率及曲率变化率，并写入优化后的航点曲率及曲率变化率写入航点信息；

曲率及曲率变化率导入模块，用于将曲率及曲率变化率导入航线控制逻辑。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述无人机集群飞行路径的跟随控制方法的无人机。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述无人机集群飞行路径的跟随控制方法的信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过曲线拟合的方式将所有航点拟合出一条带有曲率约束、残差约束的光滑曲线，并将拟合出来的曲线曲率，馈入控制系统，从而能够有效解决无人机轨迹平稳飞行问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无人机集群飞行路径的跟随控制系统的结构示意图；

图中：1、时间-位置序列处理模块；2、曲率及曲率变化率处理模块；3、曲率及曲率变化率导入模块。

图2是本发明实施例提供的无人机集群飞行路径的跟随控制方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的无人机集群飞行路径的跟随控制方法的实现流程图。

图4是本发明实施例提供的t-x拟合曲线及拟合残差示意图。

图5是本发明实施例提供的.t-y拟合曲线及拟合残差示意图。

图6是本发明实施例提供的t-z拟合曲线及拟合残差示意图。

图7是本发明实施例提供的轨迹控制分段图。

图8是本发明实施例提供的具体控制逻辑图。

图9是本发明实施例提供的原始航点信息生成的仿真图。

图10是本发明实施例提供的实现的千架次无人机集群表演中截取的单帧效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机集群飞行路径的跟随控制系统、方法、无人机，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的无人机集群飞行路径的跟随控制系统包括：

时间-位置序列处理模块1，用于导入数据点，获取航点信息，并将航点整理关于时间-位置的序列，分别进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束。

曲率及曲率变化率处理模块2，用于利用拟合曲线求得曲率及曲率变化率，并写入优化后的航点曲率及曲率变化率写入航点信息。

曲率及曲率变化率导入模块3，用于将曲率及曲率变化率导入航线控制逻辑。

如图2所示，本发明实施例提供的无人机集群飞行路径的跟随控制方法包括以下步骤：

s201：导入数据点，获取航点信息，并将航点整理关于时间-位置的序列，分别进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束；

s202：利用拟合曲线求得曲率及曲率变化率，并写入优化后的航点曲率及曲率变化率写入航点信息；

s203：将曲率及曲率变化率导入航线控制逻辑。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，本发明实施例提供的无人机集群飞行路径的跟随控制方法包括：由于在集群飞行航点比较密集，为了防止在飞机中处理运算周期过大，可以预先进行航点数据处理。首先导入数据点，获取航点信息，并将航点整理关于时间-位置的序列，即t-xyz序列形式，以便下一步拟合。得到t-xyz后，分别对t-x,t-y,t-z进行平滑曲线拟合，设置好残差约束及曲率约束，可得到如图4-图6。得到分段拟合曲线后，查询其系数及阶数如下：；

{coef(x)，coef(y),coef(z)}；

[nx,ny,nz]^t；

其中coef(x)代表x轴方向拟合曲线系数，coef(y)代表y轴方向拟合曲线系数，coef(z)代表z轴方向拟合曲线系数，nx代表x轴方向拟合曲线阶数，ny代表y轴方向拟合曲线阶数，nz代表z轴方向拟合曲线阶数。

并将其整理成如下形式：

其中posi_x代表x轴方向全段拟合曲线，posi_y代表y轴方向全段拟合曲线posi_z代表z轴方向全段拟合曲线，posi_index代表拟合曲线分段序列数。

然后利用拟合曲线求得个点的曲率ρ及曲率变化率并将其写入优化后的航点曲率及曲率变化率写入航点信息。

然后设计航线规划控制逻辑，将曲率ρ及曲率变化率导入航线控制逻辑，优化由于速度延时带来的舞步时间损失。下面本发明将整个控制问题分解成为如图7所示的片段，其中虚线为拟合曲线，实线为航线设定轨迹，从牛顿力学角度考虑，虽然加速度是可以突变的，但是对于无人机来说，提供动力的螺旋桨转速变化是需要时间的，所以对于无人机来说，加速度也是渐变的。利用曲线拟合来消除所有突变的变量能够有效提升无人机航线控制。

考虑无人机航线飞行过冲结合飞行轨迹拟合，将无人机整体控制段分为五段，分别是拟合准备段，如图7中ab段，飞机准备开始增加速度飞向目标位置；拟合对接段，如图7中bc段，飞机开始飞向目标位置；拟合重合段，飞机飞行目标位置的过程中；拟合分离段，如图7中de段，飞机接近目标位置需要开始减速；拟合到目标位置段，如图7中ef段，飞机已经到达目标位置后开始悬停。

在整体控制中本发明想要飞机在ab段开始慢慢提速，然后在bc段快速提速到期望速度，在de段开始提前减速，在ef段快速进入悬停段。在控制策略上，可以在ab将拟合曲线曲率变化率作为前馈引入控制，驱动飞机预先提速，在bc段再引入拟合曲线曲率做二次前馈，将飞机快速提速到期望速度，在de段将拟合曲线曲率变化率作为前馈引入控制，驱动飞机提前减速，在ef段，再引入拟合曲线曲率的负值做前馈，使飞机快速停下，进入悬停段。具体控制逻辑如图8所示。

利用本发明提供的方法可实现多架次高精度要求的集群表演控制飞行，附图9为原始航点信息生成的仿真图，附图10为通过该技术实现的千架次无人机集群表演中截取的单帧效果图，从图中可以看出，实际飞行与前端规划的航点基本一致，并未出现图形的变形等情况发生，进一步验证了该方法的有效性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。