1.本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种基于自动分组规划的无人机编队星空降落方法、控制系统、计算机可读存储介质及应用。
背景技术：2.目前，星空降落指无人机编队从最后一个表演画面不维持原有队形，各自飞行至起降区上空，各无人机到达起降区上空的时间随机。到达起降区上空后随即垂直降落，形成如同星空瀑布般的效果。为了实际飞行的安全考虑，方阵中位置相邻的无人机不应同时降落；且由于无人机在起降区上空集中降落导致空间中无人机密度过大，增大了路径计算的难度，也增加了炸机的风险。
3.为保证飞行安全和飞行效果美观，设计一种克服上述问题的星空降落路径规划方法是本领域亟待解决的技术问题。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)现有技术中，不能根据无人机编队的空间位置对无人机进行自动分组，不能使方阵中相邻无人机不处于同一组别。而且控制效果差。
6.(2)现有技术中，不能够保证无人机全程维持安全距离，而且不能保证在方阵中位置相邻的无人机不会同时降落。
7.(3)现有技术中，不能实现一键生成无人机编队星空降落路径，不能避免降落过程中可能产生的拥堵以及相邻位置的无人机同时降落，而且路径生成的效率低，路径的可用性和安全性差。
8.(4)现有技术中，不能够结合灯效实现无人机星空降落效果，使得视觉效果差。
9.解决以上问题及缺陷的难度为：若大量无人机同时出发，无人机集群容易在降落区上空造成拥堵，难以维持安全距离，且产生的视觉效果很差。而且现有技术中，设计难点在于解决为保证安全性而产生的时、空间上的限制和实现星空降落效果要求的随机性之间的矛盾。现有的星空降落方法大多不能支持大批量无人机同时出发。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：本发明创造性的于设计了一种分组规划和目标分配的方式，能够满足批量无人机同时出发，且不会在降落区上空产生拥堵，大大提高了降落所需的时间，同时保证了安全性和美观性。
技术实现要素：11.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种基于自动分组规划的无人机编队星空降落方法、控制系统、计算机可读存储介质及应用。
12.所述技术方案如下：
13.一种基于自动分组规划的无人机编队星空降落方法，包括：
14.基于路径规划算法及优化指派算法，并结合分组算法根据无人机编队的空间位置对无人机进行自动分组，使方阵中相邻无人机不处于同一组别；
15.基于获得的组别，生成虚拟目标位置，分批计算无人机编队星空降落路径，使无人机全程维持安全距离，且在方阵中位置相邻的无人机不同时降落。
16.在本发明一实施例中，基于自动分组规划的无人机编队星空降落方法具体包括：
17.步骤一，读取无人机编队的表演画面、地面放画面、最后一幅表演画面及用户设置的安全高度；
18.步骤二，自动分析地面无人机编队空间位置并分组；
19.步骤三，基于分组自动生成各组无人机的虚拟目标位置；
20.步骤四，根据表演画面和虚拟目标位置求解指派映射；
21.步骤五，根据指派后的结果采用路径规划算法apf分组计算路径；
22.步骤六，若检测到无人机到达虚拟目标位置，进行垂直降落。
23.在本发明一实施例中，所述步骤二具体包括：读取无人机编队地面摆放位置，根据无人机位置信息自动计算无人机间距并对方阵进行网格化分割，根据各无人机在各网格中的相对位置对无人机进行分组，实现地面摆放相邻的无人机不处于同一分组中。
24.在本发明一实施例中，根据地面无人机摆放位置计算无人机最小间距并分组；首先遍历所有无人机检测最小间距d
min
，并取一对间距为最小间距的无人机判断方阵方向是否正对于坐标系；若无人机摆放具有偏移角度，需进行坐标系旋转，进而实现对所有无人机依据空间位置分组；使具有相同编号的无人机归属同一组，且同组无人机不相邻。
25.在本发明一实施例中，所述步骤三中各组无人机的虚拟目标高度不同，水平坐标与地面摆放画面保持一致，设置位于最底层分组的无人机高度作为安全高度，并高于表演区存在的障碍物高度；
26.对于编队中的每架无人机uav
i
(x
i
,y
i
,z
i
)，经过分组后各无人机产生各自的组号group_number，同组无人机的虚拟目标高度保持一致；虚拟目标位置的选取方法依据公式：
[0027][0028]
在本发明一实施例中，所述步骤四具体包括：基于模拟退火优化指派算法，以总飞行距离最短为原则，根据最后一幅表演画面和虚拟目标画面计算指派映射，获取最后一幅表演画面到虚拟目标的路径，使所有无人机从最后一幅表演画面位置运动到虚拟目标位置的总距离之和最短。
[0029]
在本发明一实施例中，获取最后一幅表演画面到虚拟目标的路径，所有无人机从最后一幅表演画面位置运动到虚拟目标位置的总距离之和最短包括：
[0030]
最小间距的计算，通过遍历全过程所有无人机相对于其它无人机的间距，并求取最小值；间距的计算公式为：
[0031][0032]
速度的计算，采用相邻时刻的无人机位置的变化进行计算；其中对于垂直方向上的速度，最大值为最大上升速度，最小值为最大下降速度，计算公式为：
[0033][0034]
v
最大上升
＝max(v
垂直
)
[0035]
v
最大下降
＝min(v
垂直
)
[0036]
最大水平速度和最大合速度的计算，需遍历所有飞机在全过程的水平速度和合速度，并求取最大值；其中水平速度和合速度的计算公式为：
[0037][0038][0039]
在本发明一实施例中，所述步骤五具体包括：
[0040]
在路径计算时采用错峰分组计算路径；使虚拟目标位置处于最下层的第一组最先出发并保持最大速度，其它组依据组号依次出发并维持速度递减趋势；
[0041]
因为如果所有无人机一同出发，那么难免造成拥堵情况发生。因此按上述所述的方法，将每组的飞机错开1秒左右出发，且先出发的飞机速度最大，这样保证了到达降落区域时不会产生拥堵，而且视觉效果也很好。
[0042]
所述步骤六中，各无人机一旦到达虚拟目标位置随即开始降落，并遵循无人机的运动学规律；在从表演画面向虚拟目标位置过渡时，无人机先匀加速、再匀速、匀减速运动；最后到达近地缓降高度后低速度匀速缓降。
[0043]
本发明的另一目的在于提供一种基于自动分组规划的无人机编队星空降落控制系统，包括存储器和控制器；
[0044]
所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述控制器执行时，使得所述控制器执行如下步骤：
[0045]
步骤一，读取无人机编队的表演画面、地面放画面、最后一幅表演画面及用户设置的安全高度；
[0046]
步骤二，自动分析地面无人机编队空间位置并分组；
[0047]
步骤三，基于分组自动生成各组无人机的虚拟目标位置；
[0048]
步骤四，根据表演画面和虚拟目标位置求解指派映射；
[0049]
步骤五，根据指派后的结果采用路径规划算法apf分组计算路径；
[0050]
步骤六，若检测到无人机到达虚拟目标位置，进行垂直降落。
[0051]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于自动分组规划的无人机编队星空降落方法。
[0052]
本发明的另一目的在于提供一种所述基于自动分组规划的无人机编队星空降落方法在无人机编队大型汇演上的应用。
[0053]
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：
[0054]
本发明应用背景为无人机编队灯光表演。该背景使用若干架次的无人机编队，在空中组成特定队形和图案，并利用其搭载的灯光显示设备显示特定灯效，从而达到一定的观赏和艺术效果。
[0055]
再者，本发明提出的无人机编队的星空降落实现方法，基于路径规划算法及优化指派算法，并采用分组算法根据无人机编队的空间位置对无人机进行自动分组，保证方阵中相邻无人机不处于同一组别。
[0056]
本发明的自动分组就是基于位置去分组，保证的是同组的无人机不会相邻。本发明以此方法进行相关实验，将飞机分为2组，4组，9组。分组成功率为100％。
[0057]
本发明最终实现了无人机编队星空降落路径的生成，并能够保证无人机全程维持安全距离，且在方阵中位置相邻的无人机不会同时降落。
[0058]
通过本发明的实验表明：使用本发明的方法，当无人机地面摆放为1.5m时，测得全过程最小间距为1.5m(即地面间距)；当无人机地面摆放间距为2m时，测得全过程最小间距保持在平均1.7m左右。在实际应用中可以根据调整有关参数可以改变这个间距设定。
[0059]
相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：
[0060]
本发明的方法适用于无人机编队表演的星空降落路径生成，对无人机编队进行分组分配目标、规划路径问题。相较于传统的规则起降，具有一键生成、视觉效果好、同时能够保证安全性等特点。有效提升路径计算的效率及无人机表演结束时收队的视觉艺术效果。
[0061]
本发明能够实现为无人机自动分组并各自分配目标计算路径，并以此为基础实现了一键生成无人机编队星空降落路径，避免了降落过程中可能产生的拥堵以及相邻位置的无人机同时降落的情况，提高了路径生成的效率并保证了路径的可用性和安全性。
[0062]
本发明能够基于分组规划的方式，相较于其它方法，能够实现大批量无人机同时从最后一幅表演画面出发准备降落，产生连续不断的画面效果，且能够满足无人机编队的安全需求。
[0063]
本发明能够结合灯效实现无人机星空降落效果，提升视觉效果。
[0064]
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
[0065]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0066]
图1是本发明实施例提供的无人机编队的星空降落路径生成方法流程图。
[0067]
图2是本发明实施例提供的以四组为例的分组图。
[0068]
图3是本发明实施例提供的在从表演画面向虚拟目标位置过渡时，使无人机先匀加速、再匀速最后匀减速运动；垂直降落阶段效果图(采用本发明方法生成的路径中截取的三帧图)。
[0069]
其中：图3(a)第一帧，即系统输入的最后一帧表演画面)。图3(b)是采用本方法生成的星空降落路径中截取的其中一帧；；图3(c)是最后一帧，即地面摆放。
具体实施方式
[0070]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0071]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0072]
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0073]
如图1所示，本发明提供一种无人机编队的星空降落路径生成方法，该方法包括以下步骤：
[0074]
步骤一：对系统输入无人机编队的地面摆放画面及最后一幅表演画面及安全高度；
[0075]
步骤二：读取无人机编队地面摆放位置，根据无人机位置信息自动计算无人机间距并对方阵进行网格化分割，根据各无人机在各网格中的相对位置对无人机进行分组，实现地面摆放相邻的无人机不处于同一分组中；
[0076]
步骤三：基于步骤二的分组设置各组无人机在起降区上空的虚拟目标画面，其中各组无人机的虚拟目标高度不同，水平坐标与地面摆放画面保持一致，其中设置位于最底层分组的无人机高度作为安全高度，应高于表演区存在的障碍物高度；
[0077]
步骤四：基于模拟退火优化指派算法，以总飞行距离最短为原则，根据最后一幅表演画面和虚拟目标画面计算指派映射，经过指派可以实现最后一幅表演画面的无人机到虚拟目标的距离之和最短。
[0078]
步骤五：基于apf算法，根据指派后的表演画面及虚拟目标画面计算路径。其中可以设置每组无人机的启动时间以及最大飞行速度来实现各无人机以不同密度陆续到达虚拟目标的效果；
[0079]
步骤六：各无人机一旦到达虚拟目标位置随即开始降落，为保证安全，距地一定高度时飞机开始匀减速降落。
[0080]
在本发明一优选实施例中，所述步骤二，可以根据地面无人机摆放位置计算无人机最小间距并分组。首先遍历所有无人机检测最小间距d
min
，并取一对间距为最小间距的无人机判断方阵方向是否正对于坐标系。其中若无人机摆放具有偏移角度，需首先进行坐标系旋转。进而可以对所有无人机依据空间位置分组。其中以四组为例的分组效果如图2所示，具有相同编号的无人机归属同一组，能够保证同组无人机不相邻。
[0081]
在本发明一优选实施例中，所述步骤三，可以基于分组对各组无人机分配虚拟目标位置。对于编队中的每架无人机uav
i
(x
i
,y
i
,z
i
)，经过分组后各无人机产生各自的组号group_number，同组无人机的虚拟目标高度保持一致。虚拟目标位置的选取方法依据公式：
[0082][0083]
在本发明一优选实施例中，所述步骤四，可以基于结合优化指派的人工势场路径规划方法规划最后一幅表演画面到虚拟目标的路径，使所有无人机从表演画面位置运动到虚拟目标位置的总距离之和最短。使用该方法可以提高路径计算的效率且获得更优路径计算结果。
[0084]
在本发明一优选实施例中，所述步骤五，在路径计算时采用错峰分组计算路径的方式。使虚拟目标位置处于最下层的组即第一组最先出发并保持最大速度，其它组依据组号依次出发并维持速度递减趋势。该方法配合优化指派，进一步减小了无人机在虚拟目标位置附近拥堵的可能性，并且能够产生如同烟花瀑布般的效果，全面保证了路径结果的可用性和美观性。
[0085]
在本发明一优选实施例中，所述步骤六，在保证计算效果美观的同时，全过程遵循无人机的运动学规律。在从表演画面向虚拟目标位置过渡时，使无人机先匀加速、再匀速最后匀减速运动；垂直降落阶段，由于无人机垂直方向响应较快，使无人机先匀速、再匀减速最后到达近地缓降高度后以较低速度匀速缓降。
[0086]
本发明基于地面摆放自动分组并以此生成虚拟目标位置，分批计算路径。上述方案，解决了现有的方案难以实现大规模无人机同时出发，本发明可以满足大规模无人机同时启动，降低了无人机编队降落所需的时间且提升了视觉效果。
[0087]
在本发明一优选实施例中，还可以直接输入最后一幅表演画面以及地面摆放画面的位置参数，通过本发明的方法将自动计算并生成一系列路径点。各无人机读取本方法生成的路径点可实现集群表演效果。
[0088]
下面结合具体应用例对本发明的技术效果作进一步描述。
[0089]
应用例
[0090]
在本发明中，如步骤六所述，最终实现的效果如图3所示，图3(a
‑
c)是采用本方法生成的路径中截取的三帧。其中图3(a)是第一帧，即系统输入的最后一帧表演画面。图3(c)是最后一帧，即地面摆放。图3(b)是采用本方法生成的星空降落路径中截取的其中一帧。图中的白点为表演无人机。
[0091]
由本发明的方法得到的星空降落路径的结果分析的详细参数如表1。
[0092]
表1
[0093][0094]
表1是采用本发明方法由输入为图3(a)显示的最后一幅表演画面以及图3(c)显示的地面摆放画面计算得到的星空降落路径的分析结果，其中无人机数量为500架。对于这组输入数据，所有无人机经过2分10秒完成降落。其中，表1的参数的设定值是根据无人机表演的实际安全指标设定的。计算结果是根据本方法计算得到的路径计算分析得来。其中，最小间距的计算是通过遍历全过程所有无人机相对于其它无人机的间距，并求取最小值。间距的计算公式为：
[0095][0096]
本方法的速度的计算采用相邻时刻的无人机位置的变化来计算。其中对于垂直方向上的速度，其最大值即为最大上升速度，最小值即为最大下降速度，计算公式为：
[0097][0098]
v
最大上升
＝max(v
垂直
)
[0099]
v
最大下降
＝min(v
垂直
)
[0100]
本方法的最大水平速度和最大合速度的计算需要遍历所有飞机在全过程的水平速度和合速度，并求取最大值。其中水平速度和合速度的计算公式为：
[0101][0102][0103]
根据表1结果显示，用本方法计算得到的星空降落路径在间距保持、速度保持上均符合实际飞行要求。此外，还采用了其它多组不同输入画面对本方法的性能进行测试，均能够满足设定标准。在实际使用中，采用本方法生成星空降落路径后，通过上述公式对生成的路径进行分析，若能够满足设定标准，则可以将该路径舞步下发给无人机，完成无人机表演的星空降落效果。
[0104]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
[0105]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。