故障条件下无人机集群的飞行控制方法和系统

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种故障条件下无人机集群的飞行控制方法和系统。


背景技术：

2.随着军事理论的不断深入和现代科技的飞速发展，无人机在军事领域和民用领域均展现出了其重要价值，引起了各国科研人员的广泛关注，尤其在民用领域，如交通监控、地质勘探、农业植保、高空作业等，无人机的市场需求持续扩大。由于飞行任务的多样性以及环境的不确定性，通常以无人机集群的形式执行飞行任务。
3.目前，无人机集群的控制方式，存在功能单一、控制效果差的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种故障条件下无人机集群的飞行控制方法和系统，以解决无人机集群的控制方式存在控制功能单一、控制效果差的问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种故障条件下无人机集群的飞行控制方法，应用于无人机集群和地面平台终端，无人机集群包括多个无人机，无人机和地面平台终端均安装有预设远程桌面程序，该方法包括：
6.地面平台终端周期性监测各个无人机的运行状态；
7.当监测到目标无人机时，地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；其中，目标无人机的运行状态为故障状态；
8.若是，则地面平台终端通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机；
9.目标无人机执行与控制信息相对应的飞行动作。
10.在一种可能的实现方式中，地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道，包括：
11.地面平台终端获取目标无人机的剩余电量和返航距离；
12.如果剩余电量大于返航距离对应的用电量，则地面平台终端不通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；
13.如果剩余电量小于或者等于返航距离对应的用电量，则地面平台终端通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。
14.在一种可能的实现方式中，地面平台终端通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机，包括：
15.地面平台终端通过远程连接通道，将虚拟摇杆控制信息发送至目标无人机；
16.或者，地面平台终端通过远程连接通道，将可执行文件发送至目标无人机；
17.或者，地面平台终端通过远程连接通道，将算法修改信息发送至目标无人机。
18.在一种可能的实现方式中，在地面平台终端通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道之前，方法还包括：
19.目标无人机切换至预设返航模式，并执行预设返航模式对应的飞行动作。
20.在一种可能的实现方式中，执行预设返航模式对应的飞行动作，包括：
21.目标无人机按照当前位置与起飞位置对应的飞行路线进行飞行。
22.在一种可能的实现方式中，目标无人机按照当前位置与起飞位置对应的飞行路线进行飞行，包括：
23.目标无人机采集飞行环境信息；
24.目标无人机根据飞行环境信息进行避障飞行。
25.第二方面，本发明实施例提供了一种故障条件下无人机集群的飞行控制系统，包括无人机集群和地面平台终端，无人机集群包括多个无人机，无人机和地面平台终端均安装有预设远程桌面程序，其中：
26.地面平台终端用于：
27.周期性监测各个无人机的运行状态；当监测到目标无人机时，判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；其中，目标无人机的运行状态为故障状态；若是，则通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机；
28.目标无人机用于：
29.执行与控制信息相对应的飞行动作。
30.在一种可能的实现方式中，地面平台终端还用于：
31.获取目标无人机的剩余电量和返航距离；
32.如果剩余电量大于返航距离对应的用电量，则不通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；
33.如果剩余电量小于或者等于返航距离对应的用电量，则通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。
34.在一种可能的实现方式中，地面平台终端还用于：
35.通过远程连接通道，将虚拟摇杆控制信息发送至目标无人机；
36.或者，通过远程连接通道，将可执行文件发送至目标无人机；
37.或者，通过远程连接通道，将算法修改信息发送至目标无人机。
38.在一种可能的实现方式中，目标无人机还用于：
39.切换至预设返航模式，并执行预设返航模式对应的飞行动作。
40.在一种可能的实现方式中，目标无人机还用于：
41.按照当前位置与起飞位置对应的飞行路线进行飞行。
42.在一种可能的实现方式中，目标无人机还用于：
43.采集飞行环境信息；
44.根据飞行环境信息进行避障飞行。
45.本发明实施例提供一种故障条件下无人机集群的飞行控制方法和系统，其中，地面平台终端周期性监测各个无人机的运行状态，当监测到目标无人机时，地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。若是，则地面平台终端通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机。之后，目标无人机执行与控制信息相对应的飞行动作。如此，在故障条件下，实现了在无人机集群飞行的过程中远程的人为干预，可以进行航迹变更、任务分配，甚至改变板载计算机的算法，可以极大地丰富旋翼无人机的功
能，提高了安全性和执行任务的可靠度，减少不必要的损失，为无人机集群自主飞行和故障机提供了丰富的操作可能性，从而丰富了无人机集群的功能，提高了控制效果，尤其对于故障机的控制，解决了故障机失联的问题，降低了故障机遗失率。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1是本发明实施例提供的一种故障条件下无人机集群的飞行控制方法的步骤流程图；
48.图2是本发明实施例提供的一种无人机的系统结构示意图；
49.图3是本发明实施例提供的一种无人机的示意图。
具体实施方式
50.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
51.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
52.随着各国军事理论的不断深入和现代科技的飞速发展，无人机的作用日益被人们发掘出来，在军事领域和民用领域都展现出了其特有的价值，引起了各国科研人员的广泛关注。但由于任务的多样性和环境的不确定性，单架无人机的执行能力已经不足以满足任务需求，相对单机而言，无人机集群有更强的适应能力，更高的执行效率。
53.传统旋翼无人机主流的操控方式主要是通过遥控器进行操控，或者通过接有数传电台的地面平台终端进行操控，但是这些方法受硬件的性能、信号的传输距离限制，只能执行近距离的任务，对远距离任务望而却步，遥控器的信号穿透能力弱，受大型建筑物影响较大，极大的影响了旋翼无人机执行任务的质量。
54.现阶段，无人机的智能程度尚未达到理想的状态，一方面，局域网有一定的位置局限性，另一方面，大多数的集群控制方案为：所有成员机的数据和控制指令全部受于地面平台终端，这在一定程度上增加了地面平台终端的负载，容错能力比较低。
55.此外，无人机集群结构复杂，且出勤的无人机与日俱增，故障率也大大增加，故而针对故障机的处理就显得尤为重要。
56.综上，目前无人机集群的控制方式，存在功能单一、控制效果差的问题，尤其对于故障机的控制，其效果更差，普遍存在故障机失联的问题，导致故障机遗失率较高。
57.为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种故障条件下无人机集群的飞行控制方法和系统。下面首先对本发明实施例所提供的故障条件下无人机集群的飞行控制方法进行介绍。
58.发明人经过研究发现，如果在无人机集群飞行的过程中能够进行远程的人为干预，进行航迹变更、任务分配，甚至改变板载计算机的算法，可以极大地丰富旋翼无人机的功能，提高了安全性和执行任务的可靠度，减少不必要的损失。
59.如图1所示，本发明实施例提供的故障条件下无人机集群的飞行控制方法，可以应用于无人机集群和地面平台终端，该无人机集群包括多个无人机，其中，无人机和地面平台终端均安装有预设远程桌面程序，该方法可以包括以下步骤：
60.步骤s110、地面平台终端周期性监测各个无人机的运行状态。
61.在一些实施例中，无人机集群中的各个无人机，可以是预装有板载计算机的无人机。运行状态可以分为正常状态和故障状态，其中，故障状态可以是无人机与无人机集群内部通信中断、通信质量低于预设阈值或者无人机的飞行轨迹与预设飞行轨迹的偏离度大于预设允许偏离度。
62.步骤s120、当监测到目标无人机时，地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。
63.在一些实施例中，目标无人机是指运行状态为故障状态的任意一个无人机。
64.可选的，上述地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道的处理，具体可以如下：
65.地面平台终端获取目标无人机的剩余电量和返航距离；
66.如果剩余电量大于返航距离对应的用电量，则地面平台终端不通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；
67.如果剩余电量小于或者等于返航距离对应的用电量，则地面平台终端通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。
68.步骤s130、若是，则地面平台终端通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机。
69.在一些实施例中，当地面平台终端判断需要与目标无人机建立远程连接通道时，地面平台终端可以提示操控者对目标无人机进行远程控制，例如通过虚拟摇杆手动控制目标无人机的飞行、修改目标无人机的板载计算机算法、或者将地面端算法的可执行文件传输至目标无人机。如此，地面平台终端可以接收到操控者的上述控制信息，然后通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机。
70.例如，地面平台终端可以通过远程连接通道，将虚拟摇杆控制信息发送至目标无人机。或者，地面平台终端通过远程连接通道，将可执行文件发送至目标无人机。或者，地面平台终端通过远程连接通道，将算法修改信息发送至目标无人机。
71.步骤s140、目标无人机执行与控制信息相对应的飞行动作。
72.可选的，在地面平台终端通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道之前，目标无人机还可以进行如下处理：目标无人机切换至预设返航模式，并执行预设返航模式对应的飞行动作。
73.如此，目标无人机可以及时调整飞行路线，避免遗失。
74.可选的，上述执行预设返航模式对应的飞行动作的具体处理，可以如下：目标无人机按照当前位置与起飞位置对应的飞行路线进行飞行。
75.具体的，目标无人机可以采集飞行环境信息，例如通过摄像机或者激光雷达采集
周围的环境信息，例如树木、建筑等障碍物。之后，目标无人机可以根据飞行环境信息进行避障飞行。
76.为了更好地理解本发明实施例提供的故障条件下无人机集群的飞行控制方法，下面进行具体介绍。
77.地面平台终端不用于向无人机发送数据与控制指令，只负责远程进入到无人机的板载计算机的桌面系统，以及向故障机传输已有控制算法，至于数据处理、控制指令、飞行状态监控、远程编程等，均可在无人机集群内任意一架无人机上进行。
78.首先，若某一无人机与无人机集群内部通信中断、通信质量低于预设阈值或者无人机的飞行轨迹与预设飞行轨迹的偏离度大于预设允许偏离度，则可以判定该无人机为故障机，这时，该故障机默认切换到记忆返航模式，由故障点返航到起飞点，返航过程利用信息采集模块进行单机的自主避障飞行，有效躲避障碍物。
79.之后，通过地面平台终端获取的飞行状态监控信息，判断故障机剩余电量是否具备返航条件。若故障机剩余电量足够返航，则无需远程人为干预；若故障机剩余电量不足以支持返航，地面平台终端通过远程桌面进入到该故障机的板载计算机，然后依据操控者意愿、故障机当前状况及周围环境做出相应的远程操控动作，包括通过地面平台终端远程切换飞行模式、利用虚拟摇杆手动控制飞行、修改板载计算机算法、传输地面端算法并运行，即如下各方案：
80.方案s1：在地面平台终端通过远程桌面环境进入到该故障机板载计算机中，在运行的地面平台终端上对故障机飞行模式进行切换，切换到手动模式后，视频流相机向板载计算机发送实时周围环境，依据故障机周围环境操控者通过地面平台终端的虚拟摇杆进行远程手动控制飞行、降落等；
81.方案s2：通过远程桌面操控的文件传输功能将地面端算法文件传输到板载计算机的ros工作空间下对应的功能包中，切换故障机的模式，保证终止原有任务程序后故障机的安全，并对工作空间进行编译，运行新的功能节点，该机按照新的算法执行任务；
82.方案s3：通过远程离线编程，修改嵌入在故障机板载计算机的智能算法，依据s1将故障机平稳降落在一个安全的区域，断开板载计算机和飞行控制系统的mavros连接，通过板载计算机上的编辑器对故障机上的算法进行更改、编译，重新建立二者的mavros连接，运行修改后的程序，故障机按新规划的任务飞行。
83.如图2所示，提供了一种无人机的系统结构图，其中：
84.地面平台终端需要接入互联网，并与无人机集群内各无人机的板载计算机安装同款远程桌面操控软件，如此，可以具备桌面显示、文件传输等功能，更是具有跨平台、跨网络的特性。此外，无人机具备pixhawk飞控板、gps定位模块等基础硬件，可执行简单飞行任务。无人机的通信模块，用于集群内无人机成员之间组网通信，进行数据交换、位置共享等。无人机的信息采集模块包括视频流相机、激光雷达，主要用于对周围环境采集，实现无人机定位和避障功能。无人机的网络模块，用于将sim卡数据流量以wifi的形式为板载计算机提供网络环境。板载计算机为搭载linux桌面系统的高性能开发板，除安装有远程桌面操控软件外，还可以安装编程软件，与地面平台终端进行交互的地面站软件，如mission planner、qgroundcontrol等，如此，可以利用地面平台终端显示多无人机当前飞行状态和通信功能。
85.如图3所示，提供了一种能够实现上述飞行控制方法的无人机，该无人机包括传统
无人机整机1、gps模块2、板载计算机3、激光雷达4、飞行控制模块pixhawk5、网络模块mifi6、组网电台7和相机8。
86.在本发明实施例中，地面平台终端周期性监测各个无人机的运行状态，当监测到目标无人机时，地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。若是，则地面平台终端通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机。之后，目标无人机执行与控制信息相对应的飞行动作。如此，在故障条件下，实现了在无人机集群飞行的过程中远程的人为干预，可以进行航迹变更、任务分配，甚至改变板载计算机的算法，可以极大地丰富旋翼无人机的功能，提高了安全性和执行任务的可靠度，减少不必要的损失，为无人机集群自主飞行和故障机提供了丰富的操作可能性，从而丰富了无人机集群的功能，提高了控制效果，尤其对于故障机的控制，解决了故障机失联的问题，降低了故障机遗失率。
87.此外，在多无人机控制领域还具有重要的现实意义。首先，针对故障机，提出了一种自主避障记忆返航功能，增加了回收率。其次，提出了一种远程桌面控制方案，将控制决策任务分配到各个无人机板载计算机，地面平台终端在编队成员机之间切换轻松流畅，减轻了地面控制站的压力，远程控制桌面的多开功能更是为同时管理多个无人机提供了便利。最后，提出了三种控制方案，涉及到远程模式切换、手动控制、文件传输、离线编程等。
88.另外，本发明具备实现简单的优势，而且操控距离远，具备可视化功能，可以为集群自主飞行和故障机提供了丰富的操作可能性。同时，对后期的无人机农业植保、交通监控、地址勘探、远距离或高空作业等研究也具有可观的现实意义。
89.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
90.本发明实施例还提供了一种故障条件下无人机集群的飞行控制系统，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
91.提供了一种故障条件下无人机集群的飞行控制系统，包括无人机集群和地面平台终端，包括多个无人机，无人机和地面平台终端均安装有预设远程桌面程序，其中：
92.地面平台终端用于：
93.周期性监测各个无人机的运行状态；当监测到目标无人机时，判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；其中，目标无人机的运行状态为故障状态；若是，则通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机；
94.目标无人机用于：
95.执行与控制信息相对应的飞行动作。
96.在一种可能的实现方式中，地面平台终端还用于：
97.获取目标无人机的剩余电量和返航距离；
98.如果剩余电量大于返航距离对应的用电量，则不通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道；
99.如果剩余电量小于或者等于返航距离对应的用电量，则通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。
100.在一种可能的实现方式中，地面平台终端还用于：
101.通过远程连接通道，将虚拟摇杆控制信息发送至目标无人机；
102.或者，通过远程连接通道，将可执行文件发送至目标无人机；
103.或者，通过远程连接通道，将算法修改信息发送至目标无人机。
104.在一种可能的实现方式中，目标无人机还用于：
105.切换至预设返航模式，并执行预设返航模式对应的飞行动作。
106.在一种可能的实现方式中，目标无人机还用于：
107.按照当前位置与起飞位置对应的飞行路线进行飞行。
108.在一种可能的实现方式中，目标无人机还用于：
109.采集飞行环境信息；
110.根据飞行环境信息进行避障飞行。
111.在本发明实施例中，地面平台终端周期性监测各个无人机的运行状态，当监测到目标无人机时，地面平台终端判断是否通过预设远程桌面程序与目标无人机建立远程连接通道。若是，则地面平台终端通过远程连接通道将控制信息发送至目标无人机。之后，目标无人机执行与控制信息相对应的飞行动作。如此，在故障条件下，实现了在无人机集群飞行的过程中远程的人为干预，可以进行航迹变更、任务分配，甚至改变板载计算机的算法，可以极大地丰富旋翼无人机的功能，提高了安全性和执行任务的可靠度，减少不必要的损失，为无人机集群自主飞行和故障机提供了丰富的操作可能性，从而丰富了无人机集群的功能，提高了控制效果，尤其对于故障机的控制，解决了故障机失联的问题，降低了故障机遗失率。
112.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
113.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。