一种基于未来时刻幂等门控的无人机集群定时动作同步执行方法与流程

本发明涉及无人机集群协同控制，具体为一种基于未来时刻幂等门控的无人机集群定时动作同步执行方法。

背景技术：

1、无人机集群表演、无人机集群巡检和无人机集群协同作业中，地面站需要向多架无人机统一下发暂停、继续、变速、前进、倒退、紧急返航、开灯、关灯等集群动作命令，并要求各架无人机对同一动作保持一致的执行时刻。常规方案通常由地面站经无线链路广播或逐架发送动作命令，无人机收到命令后立即调用动作执行逻辑。

2、上述收到即执行的方式会使各架无人机的实际触发时刻受地面站扇出顺序、空口传播时延、链路丢包、重传抖动等因素影响。在集群规模较大时，首架无人机与末架无人机收到命令的时刻可能存在肉眼可见的差异，从而导致动作执行参差。为了提高接收成功率，工程中通常会对同一命令进行多次补发，但收到即执行的方式下，多次补发又可能导致同一动作被重复执行。若通过命令序列号和已执行表去重，则需要额外协议字段以及飞控侧状态表维护，增加协议复杂度和飞控资源开销。

3、现有对时技术虽然可以使设备具有统一时基，但其本身并不能解决同一授时报文被密集补发后只执行一次的问题；以地面站本机墙钟计算目标时刻时，还可能因地面站墙钟与无人机全球卫星导航系统时钟之间存在偏差，使无人机将本应执行的授时报文误判为过期并整批丢弃。因此，需要一种能够在无线链路存在丢包和时延抖动的情况下兼顾集群动作同步执行、密集补发可靠性和单次执行约束的技术方案。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于未来时刻幂等门控的无人机集群定时动作同步执行方法，应用于包括地面站和若干架无人机的无人机集群，各架无人机均装载有飞控固件并配置全球卫星导航系统接收机。地面站以与飞控固件全球卫星导航系统星钟同源的当前时间为时基，确定位于当前时刻之后的未来gps绝对时刻，并下发携带动作码、动作掩码以及该未来gps绝对时刻的授时报文；无人机飞控固件在报文入队侧设置未来时刻门，仅当本机当前绝对秒数严格小于目标绝对秒数时暂存待执行项，对迟到授时报文直接丢弃；飞控固件再通过固定频率调度任务轮询到点触发统一动作执行体，并在执行后清除待执行标志。

2、根据上述技术方案，地面站确定未来gps绝对时刻时采用同源时钟模块。所述同源时钟模块在首次收到无人机回传的全球卫星导航系统时间事件时，以单调时钟为锚点锁定偏移量；首次同步完成后，由单调时钟自走给出当前时间，并在接收到新的全球卫星导航系统时间事件时进行单调递增防倒退校验。只有当前误差超过重锁阈值时，同源时钟模块才根据新的差值重锁偏移量。由此，使地面站下发的未来gps绝对时刻与无人机飞控固件所采用的全球卫星导航系统时基保持同源。

3、根据上述技术方案，未来时刻门读取本机全球卫星导航系统定位速度时间数据导出的当前时、当前分和当前秒，并将其换算为当前绝对秒数；同时从授时报文中读取目标时、目标分和目标秒，并将其换算为目标绝对秒数。当前绝对秒数严格小于目标绝对秒数时，说明该报文仍处于未来执行窗口内，飞控固件将动作码、动作参数和目标时刻暂存为待执行项；当前绝对秒数不小于目标绝对秒数时，说明该报文已经迟到，飞控固件直接丢弃该报文。

4、根据上述技术方案，所述固定频率调度任务以30hz运行，每个周期读取本机全球卫星导航系统定位速度时间数据导出的当前绝对秒数，并与待执行项中的目标绝对秒数比较。当当前绝对秒数大于等于目标绝对秒数且待执行标志为真时，飞控固件按照动作码分派至统一动作执行体执行相应集群动作，执行后将待执行标志清除并将动作码清零。由于30hz调度任务的轮询周期约为33毫秒，各架无人机的动作触发误差被限制在同一秒边沿之后的一个轮询周期内。

5、根据上述技术方案，授时报文为自定义mavlink v2消息，消息号为78，校验附加值为43，载荷按格式打包并依次包括16位无符号整数形式的动作参数、8位无符号整数形式的动作码、8位无符号整数形式的动作掩码、8位无符号整数形式的时、8位无符号整数形式的分以及8位无符号整数形式的秒，载荷长度为7字节。发送方对载荷按x25算法计算循环冗余校验，并在校验计算中叠加校验附加值43；接收方以相同算法和相同校验附加值进行校验，校验通过后再进入未来时刻门处理。所述授时报文不含命令序列号或唯一命令标识字段。

6、根据上述技术方案，统一动作执行体被暂停、继续、变速、前进、倒退、紧急返航、开灯、关灯共八类集群动作共用。动作码1对应暂停，动作码2对应继续，动作码3对应变速，动作码4对应前进，动作码5对应倒退，动作码6对应紧急返航，动作码7对应开灯，动作码8对应关灯。当动作码表示变速时，动作参数为变速档位，统一动作执行体根据变速档位映射任务速度并进行计时补偿；暂停、继续和倒退动作也在统一动作执行体内进行相应计时补偿，使即时命令路径与定时授时报文路径具有一致执行行为。

7、根据上述技术方案，地面站在未来gps绝对时刻之前的窗口内对同一授时报文进行双链路密集补发。wifi/udp链路每次发送授时报文；当数传电台广播链路已连接时，地面站叠加使用数传电台广播链路发送同一授时报文。对于动作掩码为180的定时动作授时报文，地面站在未来gps绝对时刻之前的窗口内每200毫秒补发一次，补发次数为窗口毫秒数除以200且不少于3次；对于动作掩码为166的定时起飞授时报文或紧急返航授时报文，地面站在给定窗口时长内均匀补发设定次数，当设定次数大于1时，补发间隔按照补发间隔=窗口时长×1000÷(设定次数-1)确定，当设定次数等于1时补发间隔为0。

8、根据上述技术方案，地面站维护原子代次计数器。每次发起补发时，地面站对原子代次计数器执行原子自增以取得本次补发的代次值；补发循环在每一轮发送前校验当前全局代次是否仍等于本次补发的代次值。当地面站接收到新指令或下发取消报文时，再次对原子代次计数器执行原子自增，使旧补发线程在后续校验中停止补发。取消报文为动作掩码为166且动作码为0的报文。

9、根据上述技术方案，在取消整场、重置或新场起飞时，飞控固件调用清除步骤，将待执行标志置假并将所暂存的动作码清零。地面站在下发授时报文时获取全场在线无人机标识列表，并通过wifi/udp链路覆盖全场；紧急返航动作叠加数传电台广播链路发送。飞控固件在自稳模式下根据最近一次地面站心跳可见时间判断链路状态，心跳超时后置心跳失效标志并进入保护状态。变速动作在本机速度不超过0.5米每秒的低速联锁条件下生效。

10、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明将无人机集群动作从收到即执行改为未来gps绝对时刻到点执行，使各架无人机的实际动作触发时刻由同源时基下的未来目标时刻决定，不受地面站扇出顺序、空口传播时延和补发到达早晚影响；通过未来时刻门将未来gps绝对时刻同时作为触发点、补发去重键和入队判据，使密集补发与单次执行并存，不需要在授时报文中设置命令序列号，也不需要在飞控侧维护已执行命令表；通过地面站同源时钟消除地面站墙钟偏差造成的成片过期误判；通过统一动作执行体使即时路径和定时路径下的暂停、继续、变速、前进、倒退、紧急返航、开灯和关灯动作保持一致的执行逻辑和计时补偿；通过双链路密集补发和原子代次打断提高授时报文到达可靠性并防止旧补发线程在取消后继续发送，从而提升大规模无人机集群动作同步性、可靠性和安全性。