单机故障返航路径规划方法、系统、无人机及存储介质与流程

本发明属于无人机路径规划技术领域，尤其涉及一种单机故障返航路径规划方法、系统、无人机及存储介质。

背景技术：

目前，无人机编队作为一个复杂的综合性系统，运行状态存在诸多不确定因素，其机械机构、电力电子等系统均有可能会发生故障。故障无人机单机属于编队中的障碍及不稳定因素，极易导致事故的发生。无人机编队的故障单机动态返航是解决这一问题、提高编队应用安全性的关键技术。

现有技术虽然具备许多无人机路径规划的方法，但是现有技术并无针对故障无人机进行单独路径规划的技术，当无人机编队中一个无人机出现故障时，所有无人机必须全部返航，且故障无人机会出现单机失控乃至碰撞事故的发生，造成经济损失。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术并无针对故障无人机进行单独路径规划的技术；

(2)现有无人机编队执行飞行任务，无法针对故障无人机与非故障无人机进行分别路径规划，且当出现故障无人机时，其余无人机也无法继续执行任务；

(3)对于故障无人机的单机失控以及因此导致的碰撞事故，现有技术无法有效避免与解决。

解决以上问题及缺陷的难度为：

故障返航无人机的飞行性能和普通无人机的飞行性能不同，故路径规划方法也不同。故障发生的时间和位置随机性较大，需要较高的实时性。

解决以上问题及缺陷的意义为：

可以实现故障无人机的返航，减少损失，提升无人机编队应用安全性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单机故障返航路径规划方法、系统、无人机及存储介质。

本发明是这样实现的，一种无人机编队单机故障返航路径规划方法，所述无人机编队单机故障返航路径规划方法包括：

步骤一，对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模；

步骤二，确定故障无人机编号、故障时间及故障位置，确认返航点，进行返航无人机个体路径规划；

步骤三，进行非返航无人机避让路径规划；将无人机返航路径以及避让路径规划结果发送至无人机编队，按照规划结果执行任务。

进一步，步骤一中，所述对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模之前还需进行：

建立空间直角坐标系w；所述空间直角坐标系w的三个轴xw,yw,zw分别指向东，南和天空。

进一步，步骤一中，所述对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模包括：

基于建立的空间直角坐标系，建立无人机位置模型、无人机编队路径模型以及无人机返航与避让路径模型。

进一步，所述无人机位置模型如下：空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m；

无人机编队的初始队形位置表示为：

s＝[s1,s2,s3,...,sn]；

其中，n表示无人机数量；

无人机编队的终点队形位置表示为：

e＝[e1,e2,e3,...,en]；

无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为：

mt＝[mt1,mt2,mt3,...,mtn]；

其中，sn,en,mtn均为w中的位置点。

进一步，所述无人机编队路径模型如下：

无人机编队的所有路径表示为：

其中，p表示路径点个数。

进一步，所述无人机返航与避让路径模型如下：

返航路径b表示如下：

b＝[mti,b2,…,br-1,si]；

避让路径h表示如下：

其中，t表示开始规划动态返航路径的时刻，i表示故障无人机编号，r表示故障无人机返航路径长度，q表示避让路径长度。

进一步，步骤二中，所述确定故障无人机编号、故障时间及故障位置，确认返航点，进行返航无人机个体路径规划包括：

1)获取发生故障时刻t时的故障无人机位置mti及编队其他无人机的位置mt，确认返航点si；

2)基于圆弧引导法确认返航目标点esi；修改斥力内外层影响距离参数ρ1＝5m、ρ2＝10m；

3)修改最大移动步长l＝0.04m；计算斥力及引力，确定下一步路径点；

4)重复步骤2)至步骤3)，直到返航无人机到达返航位置bq＝si；退回到时刻t，计算剩余无人机编队在mt到e的路径h。

进一步，步骤三中，所述按照规划结果执行任务包括：

故障无人机按照返航路径规划结果进行返航，无人机编队剩余无人机按照避障路径规划结果进行故障无人机避让，并继续执行任务。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述无人机编队单机故障返航路径规划方法的无人机编队单机故障返航路径规划系统，所述无人机编队单机故障返航路径规划系统包括：

模型构建模块，用于对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模；

故障数据获取模块，用于确定故障无人机编号、故障时间及故障位置；

返航规划模块，用于确认返航点，并基于确定的故障无人机编号、故障时间及故障位置，进行返航无人机个体路径规划；

避让路径规划模块，用于基于故障无人机编号、故障时间及故障位置进行非返航无人机避让路径规划；

执行模块，用于将无人机返航路径以及避让路径规划结果发送至无人机编队，按照规划结果执行任务。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述无人机编队单机故障返航路径规划方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明能够在无人机编队执行飞行任务中，生成返航路径，引导故障返航无人机，避免故障无人机单机失控乃至碰撞事故的发生，减小经济损失，提升无人机编队应用的安全性与稳定性。

本发明能够实现故障无人机的安全返航，同时扩大其与其他无人机的安全间距，有效避免碰撞，提升安全性。本发明能够在返航无人机脱离编队后，剩余无人机继续恢复执行任务，完成既定目标。

对比的技术效果或者实验效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的无人机编队单机故障返航路径规划方法原理图。

图2是本发明实施例提供的无人机编队单机故障返航路径规划方法流程图。

图3是本发明实施例提供的避让及返航路径规划模型。

图4是本发明实施例提供的无人机编队单机故障返航路径规划系统结构示意图；

图中：1、模型构建模块；2、故障数据获取模块；3、返航规划模块；4、避让路径规划模块；5、执行模块。

图5是本发明实施例提供的无人机编队单机故障返航路径规划方法流程图。

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编队单机故障返航路径规划方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的无人机编队单机故障返航路径规划方法包括以下步骤：

s101，对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模；

s102，确定故障无人机编号、故障时间及故障位置，确认返航点，进行返航无人机个体路径规划；

s103，进行非返航无人机避让路径规划；将无人机返航路径以及避让路径规划结果发送至无人机编队，按照规划结果执行任务。

步骤s101中，本发明实施例提供的对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模之前还需进行：

建立空间直角坐标系w；所述空间直角坐标系w的三个轴xw,yw,zw分别指向东，南和天空。

步骤s101中，本发明实施例提供的对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模包括：

基于建立的空间直角坐标系，建立无人机位置模型、无人机编队路径模型以及无人机返航与避让路径模型。

本发明实施例提供的无人机位置模型如下：空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m；

无人机编队的初始队形位置表示为：

s＝[s1,s2,s3,...,sn]；

其中，n表示无人机数量；

无人机编队的终点队形位置表示为：

e＝[e1,e2,e3,...,en]；

无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为：

mt＝[mt1,mt2,mt3,...,mtn]；

其中，sn,en,mtn均为w中的位置点。

本发明实施例提供的无人机编队路径模型如下：

无人机编队的所有路径表示为：

其中，p表示路径点个数。

如图3所示，本发明实施例提供的无人机返航与避让路径模型如下：

返航路径b表示如下：

b＝[mti,b2,…,br-1,si]；

避让路径h表示如下：

其中，t表示开始规划动态返航路径的时刻，i表示故障无人机编号，r表示故障无人机返航路径长度，q表示避让路径长度。

步骤s102中，本发明实施例提供的确定故障无人机编号、故障时间及故障位置，确认返航点，进行返航无人机个体路径规划包括：

1)获取发生故障时刻t时的故障无人机位置mti及编队其他无人机的位置mt，确认返航点si；

2)基于圆弧引导法确认返航目标点esi；修改斥力内外层影响距离参数ρ1＝5m、ρ2＝10m；

3)修改最大移动步长l＝0.04m；计算斥力及引力，确定下一步路径点；

4)重复步骤2)至步骤3)，直到返航无人机到达返航位置bq＝si；退回到时刻t，计算剩余无人机编队在mt到e的路径h。

步骤s103中，本发明实施例提供的按照规划结果执行任务包括：

故障无人机按照返航路径规划结果进行返航，无人机编队剩余无人机按照避障路径规划结果进行故障无人机避让，并继续执行任务。

如图4所示，本发明实施例提供的无人机编队单机故障返航路径规划系统包括：

模型构建模块1，用于对无人机编队路径规划、返航路径规划进行建模；

故障数据获取模块2，用于确定故障无人机编号、故障时间及故障位置；

返航规划模块3，用于确认返航点，并基于确定的故障无人机编号、故障时间及故障位置，进行返航无人机个体路径规划；

避让路径规划模块4，用于基于故障无人机编号、故障时间及故障位置进行非返航无人机避让路径规划；

执行模块5，用于将无人机返航路径以及避让路径规划结果发送至无人机编队，按照规划结果执行任务。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1：

本发明公开了一种无人机编队单机故障返航路径规划方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：测定无人机编队系统发生故障；

步骤二：判定故障无人机编号、故障时间及故障位置；

步骤三：确认返航点；

步骤四：返航无人机个体路径规划

步骤五：非返航无人机避让路径规划。

步骤六：规划结果发送至无人机编队，系统执行飞行任务。

实施例2：

1.一种无人机编队单机故障返航路径规划方法，其包括以下具体步骤：

步骤1：对无人机编队路径规划、返航路径规划问题进行建模；

步骤2：测定故障无人机编号、故障时间及故障位置；

步骤3：确认返航点；

步骤4：规划返航路径。

步骤5：规划非返航无人机避让路径。

步骤6：规划结果发送至无人机编队，系统执行飞行任务。

2、一种无人机编队单机故障返航路径规划方法，其特征在于，无人机编队的路径规划模型的建立。建立空间直角坐标系w。w的三个轴xw,yw,zw分别指向东，南和天空。空间中的无人机位置表示为(x,y,z)，单位为m。

假设共有n架无人机，则无人机编队的初始队形位置表示为：

s＝[s1,s2,s3,...,sn]

无人机编队的终点队形位置表示为：

e＝[e1,e2,e3,...,en]

无人机编队在某一时刻t的队形位置表示为

mt＝[mt1,mt2,mt3,...,mtn]

其中，sn,en,mtn均为w中的位置点。

由此，无人机编队的目标为：队形从s变为e。

假设在整个队形变化中，共规划了p个路径点。则过程中的无人机编队的所有路径可表示为：

当出现部分无人机返航需求时，需要给返航无人机及编队规划返航及避让路径，假如在时刻t开始规划动态返航路径，故障无人机编号为i，故障无人机返航路径长度为r，避让路径长度为q，则返航路径可表示为b，避让路径可表示为h。

b＝[mti,b2,…,br-1,si]

3、一种无人机编队单机故障返航路径规划方法，其特征在于，路径规划算法具体流程为：

返航无人机故障时，可能是部分传感器或执行器发生微小故障，对无人机的飞行控制和路径跟随精度变低。此时应调整路径规划的参数，减小无人机的飞行加速度和最大速度并加大安全间距。

具体的实现方法如下：

(1)确认发生故障时刻t时的故障无人机位置mti及编队其他无人机的位置mt。

(2)确认返航点si，准备求解b

(3)基于圆弧引导法确认返航目标点esi

(4)修改斥力内外层影响距离参数ρ1＝5m、ρ2＝10m

(5)修改最大移动步长l＝0.04m

(6)计算斥力及引力，确定下一步路径点

(7)重复(3-6)，直到返航无人机到达返航位置bq＝si

(8)退回到时刻t，计算剩余无人机编队在mt到e的路径h。

整体流程如图1所示。

4、一种无人机编队单机故障返航路径规划方法，其特征在于，计算后的返航路径发送至无人机编队，系统可以自动执行返航功能，且剩余编队无人机可继续执行任务。

下面结合仿真实验对本发明的技术效果做进一步说明。

对编队中一架无人机注入故障，使其控制精度降低。此时加大该无人机与编队的间距，同时降低飞行速度，完成返航动作。仿真规划路径如图5所示。无人机编队与故障无人机之间的最小间距扩大，实现避让机动。同时故障无人机的飞行速度降低，返航至起降点。达到预期的设计目标。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。