基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置与方法论文和设计-王睿

全文摘要

本发明涉及一种基于位置信息的固定翼无人机自动编队飞行装置与方法，编队控制的目标是把每架僚机控制到目标站位，且具有和长机一样的对地速度大小和方向。首先，组建一种星形的一对多通信网络，把长机的位置信息通过下行链路发送到地面控制站(GCS)，GCS再把长机位置信息发送给各个僚机；其次，僚机根据预定的编队站位和长机位置信息，实时解算出目标位置坐标；再次，僚机根据自己的实际位置和目标位置信息，计算并分解得到纵向和横航向导航信息；然后，调用编队飞行控制算法，得到僚机的目标姿态、速度和高度；最后，调用僚机的自动驾驶仪的姿态、速度和位置控制模块，把僚机控制到目标位置。

主设计要求

1.一种基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置，其特征在于包括一架长机、多架僚机和地面控制站GCS，长机的位置信息通过下行链路发送到地面控制站GCS，GCS再把长机位置信息发送给各个僚机；长机和僚机上都装备相同的自动驾驶仪，所述的自动驾驶仪包含全球定位系统GNSS、惯性测量单元IMU、空速传感器、气压高度计、处理器和供电系统；处理器为自动驾驶仪的核心，用于处理全球定位系统GNSS、惯性测量单元IMU、空速传感器、气压高度计的测量信息，解算飞行控制律，并给舵机和电机发出控制信号；惯性测量单元IMU用于测量无人机的角度、角速度、加速度信息，通过SPI接口与处理器连接；全球定位系统GNSS用于测量无人机的全球定位坐标，通过UART接口与处理器连接；空速传感器用于测量无人机相对前方空气的速度，通过I2C总线与处理器相连；气压高度计用于测量无人机所处位置的气压大小，通过I2C总线与处理器相连；供电系统供电。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置，其特征在于所述的惯性测量单元IMU的静态滚转角和俯仰角测量误差不大于0.5度，空速误差在飞行包线范围内不大于1m\/s。

3.根据权利要求1所述的一种基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置，其特征在于所述的全球定位系统GNSS的定位误差e_{GNSS<\/sub>要求的计算公式为：}

设计说明书

技术领域

本发明涉及无人机编队飞行控制技术领域，尤其涉及一种低成本的基于位置信息的固定翼无人机自动编队飞行方法与装置。

背景技术

随着航空技术、自动控制技术、通信技术的不断发展，无人机在军事和民用领域得到了越来越广泛的应用。在实际使用中存在的一个矛盾是，从存储、运输、起降等易用性角度考虑，希望无人机平台越轻越小越好；从执行任务的角度考虑，希望能携带的载荷越多越重越好，这就意味着无人机平台需要尽可能大。解决该矛盾的方式之一是把载荷分散安装到多架小型无人机上，多机间采用协同工作的形式组合，从而既有小型无人机的灵活方便的优势，又有大型无人机的载荷能力强的优势。但是，采用这种方法随之而来的问题是需要多架协同工作的无人机能够自动组成编队飞行。采用合理的编队飞行阵列，还可以充分利用前机的涡流，提高后机的空气动力学效率，从而提高无人机群的航程和航时。

在固定翼无人机编队飞行领域，文献(袁利平,陈宗基.一种基于局部相对状态信息的固定翼无人机分散化编队飞行控制方法[C].第三十届中国控制会议,中国,烟台,2011.)以编队运动方向为参照，利用基于相对位置的编队图描述给定的编队几何构型。按照编队图的要求，给出一种基于信息一致性的分散化编队飞行控制策略。其控制策略由两部分组成，一部分是利用无人机之间的相对速度和相对航向信息进行速度和航向同步，另一部分是利用无人机之间的相对位置信息进行编队形成和队形保持。但是，该方法需要得到无人机间的相对速度和航向信息，而且要求无人机具有航向控制能力，即需要无人机具有较强的势态感知和控制能力，在低成本无人机上的实用性不强。

文献(张民,黄坤,夏卫政,陈欣.一种固定翼无人机编队制导装置及协同跟踪制导方法[P].中华人民共和国发明专利,CN 107422748A,2017.12 01.)的发明提出了一种固定翼无人机编队制导装置及协同跟踪制导方法，属于无人机飞行控制技术领域。该发明在设计一种用于无人机编队制导的嵌入式计算机装置的基础上，进行协同跟踪地面目标制导方法设计，首先，设计了Leader无人机自动跟踪地面目标的制导方法并进行了稳定性分析；其次，设计了Follower无人机自动跟踪Leader无人机的跟踪制导方法和用于编队相位控制的协同制导方法，并进行了稳定性分析；最后，分别针对静止目标、匀速直线运动目标和变速运动目标的跟踪问题进行了仿真验证。该发明能够实现对各类地面目标的自动协同跟踪，并且在同等条件下跟踪性能明显优于采用经典李雅普诺夫向量法的制导方法。但是，该方法同要需要使用无人机的航向角信息，使用的跟踪算法是基于角速度和加速度的制导律，与本发明所提出的基于位置信息的编队控制方法截然不同。

文献(张学军,聂尊礼.基于人工势场法的无人机编队控制方法及装置[P].中华人民共和国发明专利,CN 108459612 A,2018.08.28.)的发明涉及一种基于人工势场法的无人机编队控制方法及装置，通过将编队坐标系转换到全局NED坐标系，确定编队中每个无人机在全局NED坐标系中的理想位置；根据无人机的预定目标位置，无人机的理想位置，确定无人机所受到的预定目标位置对其施加的引力；根据无人机的速度矢量、与无人机相对应的障碍物的速度矢量，确定无人机所受到的障碍物对其施加的斥力；根据无人机受到的引力与无人机受到的所有障碍物对其施加的斥力，确定无人机所受到的合力；根据无人机受到的合力，无人机及其周围僚机的飞行状态信息，确定无人机的运动趋势，以使控制器根据无人机的运动模型对无人机编队进行飞行控制。但是，该发明属于多旋翼无人机领域，所提出的方法难以适用于具有正速度限制的非完整运动学约束特征的固定翼无人机，所提出的装置仅有基本功能描述，没有涉及实体。

文献(黄建华,张健.一种大型固定翼无人机编队方法[P].中华人民共和国发明专利,CN 109002056 A,2018.12.14.)的发明涉及编队飞行技术领域，公开了一种大型固定翼无人机编队方法。包括以下过程：步骤1：选取飞行航路在起始点的起始圆和目标点的结束圆的半径，并选择起始圆和结束圆的方向；步骤2：建立编队集结的代价矩阵，并采用矩阵的迭代优化算法实现目标点分配；步骤3：选取所有飞行器统一的到达时间，计算每一个飞行器的控制速度。该发明设计的无人机编队方法包括航路规划算法、集结算法、编队保持自动控制驾驶仪组成，该方法通过少量的计算及飞机本身的控制，有效地实现多架无人机从随机分布的位置按最优的线路同时到达要求的编队位置，之后保持队形飞行。该方法对无人机如何进入编队作了较多说明，但是对于具体的队形保持与控制方法及其实现装置未作描述。

文献(张民,黄坤,郑晨明,林云.一种基于测距信号的固定翼无人机编队跟踪制导方法[P].中华人民共和国发明专利,CN 108227736 A,2018.06.29.)的发明提出一种基于测距信号固定翼无人机编队跟踪制导方法，该方法首先设计了单架无人机自动跟踪地面目标的制导模型，其次，分别设计了用于单邻居编队的相位和速度控制协同制导模型和用于双邻居编队的相位和速度控制协同制导模型；最后，针对地面静止目标的跟踪需求选择相应的制导模型作为各无人机的制导策略。区别于其它的制导方法，本发明能够仅使用距离传感器即实现对地面静止目标的自动协同跟踪。该发明高度依赖于机载测距雷达及其输出信号，同样难以适用于小型低成本无人机。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置与方法。

技术方案

一种基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置，其特征在于包括一架长机、多架僚机和地面控制站GCS，长机的位置信息通过下行链路发送到地面控制站GCS，GCS再把长机位置信息发送给各个僚机；长机和僚机上都装备相同的自动驾驶仪，所述的自动驾驶仪包含全球定位系统GNSS、惯性测量单元IMU、空速传感器、气压高度计、处理器和供电系统；处理器为自动驾驶仪的核心，用于处理全球定位系统GNSS、惯性测量单元IMU、空速传感器、气压高度计的测量信息，解算飞行控制律，并给舵机和电机发出控制信号；惯性测量单元IMU用于测量无人机的角度、角速度、加速度信息，通过SPI接口与处理器连接；全球定位系统GNSS用于测量无人机的全球定位坐标，通过UART接口与处理器连接；空速传感器用于测量无人机相对前方空气的速度，通过I2C总线与处理器相连；气压高度计用于测量无人机所处位置的气压大小，通过I2C总线与处理器相连；供电系统供电。

所述的惯性测量单元IMU的静态滚转角和俯仰角测量误差不大于0.5度，空速误差在飞行包线范围内不大于1m\/s。

所述的全球定位系统GNSS的定位误差e_{GNSS<\/sub>要求的计算公式为：}

其中，R_{ini<\/sub>为编队中的任意两架相邻无人机间的最小预设站位距离，f_{GNSS<\/sub>为长机的位置更新频率，b_{j<\/sub>,l_{j<\/sub>分别为编号为j的无人机的半展长和半机长，b_{i<\/sub>,l_{i<\/sub>分别为编号为i的无人机的半展长和半机长，V_{max<\/sub>-V_{min<\/sub>为两架无人机的速度差。}}}}}}}}

一种基于位置信息的固定翼无人机编队飞行方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：长机把其全球位置信息连同世界统一时间打包成一条消息后，通过数据链发送到GCS，GCS通过电文中的系统ID和消息ID识别出该消息；所述的全球位置信息包括纬度、经度和高度；

步骤2：当GCS检测到某僚机已经进入编队飞行模式之后，把长机位置消息打包发送给该僚机；

步骤3：僚机第一次接收到长机位置消息时，先保持原飞行状态进行等待，第二次接收到长机位置消息后，利用时间差分法计算出长机的航向角：

其中，R_{e<\/sub>＝6371004m，为地球的平均半径；设计图}

基于位置信息的固定翼无人机编队飞行装置与方法论文和设计

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