一种小型固定翼无人机双机协同区域侦察方法与流程

1.本发明涉及无人机任务控制技术领域，尤其是一种无人机协同区域侦察方法。


背景技术：

2.小型固定翼无人机因其巡航速度快、使用成本低，被广泛应用于空中侦察、监视等任务。对于较大面积区域，两架小型固定翼无人机无人机组成编队执行区域侦察，能够大幅度提高侦察效率。传统上，在编队起飞前，进行侦察规划，将侦察计划加载到每架飞机，起飞后执行。然而，对于编队飞行过程中临时指派的侦察区域，无法根据飞机当前态势在线实时生成侦察计划，只能依靠操作员手动调整计划，加重了操作负担，且计划非最优，侦察效率低。有人考虑将人工智能算法引入到在线多机协同区域侦察设计中，但运算复杂、实时性差，耗时几秒甚至几十秒，无法满足工程化要求。由于小型固定翼无人机的计算资源受限，目前尚无适合在小型固定翼无人机上运行，且满足实时要求的工程化双机协同区域侦察方法。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小型固定翼无人机双机协同区域侦察方法。本发明针对最为常见的凸多边形侦察区域，提出了基于时间同步的侦察区域划分策略；为保证侦察规划的快速性、可靠性，由双机编队中的主机执行统一规划，生成双机编队的完整航路，并完成任务点的分配；每架飞机独立自动执行各自的侦察航路，并实时反馈执行状态。相较于传统的无人机双机编队区域侦察问题，本发明能够在实时动态环境下使用，计算速度快，自动化程度高，能显著提高无人机执行区域侦察任务的自主性。
4.本发明基于时间同步原则，考虑飞机侦察效能，划分侦察区域，然后集中式实时生成双机侦察计划，并分发给每架飞机执行、监控计划执行进度，以实现区域侦察任务的在线规划与执行的自动化。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案采用如下步骤：
6.步骤1：基于双机编队时间协同要求，考虑每架飞机的侦察效能，将侦察区域分割为两部分；具体步骤如下：
7.小型固定翼无人机双机编队包括长机m和僚机w，在空中飞行时，无人机操作员对一凸多边形形状的侦察区域p实施编队协同侦察；该凸多边形区域顶点有n个，其中n≥3，凸多边形区域经纬度坐标按逆时针排列分别为(λ1,φ1),(λ2,φ2),
…
,(λn,φn)，凸多边形区域的面积为a
p
，无人机操作员将侦察区域p数据传送到长机m，设长机m当前经度为λm，纬度为φm，高度为hm，速度为vm，可用最小转弯半径为rm；僚机w当前经度为λw，纬度为φw，高度为hw，速度为vw，可用最小转弯半径为rw；长机m的侦察效能，即单位时间内能够侦察的区域面积为am，僚机w的侦察效能，即单位时间内能够侦察的区域面积为aw；根据gjb 6304-2008《2000中国大地测量系统》6.7.2中的高斯投影方法，将长机位置、僚机位置、凸多边形区域顶点位置转换到高斯投影平面直角坐标系中，长机位置、僚机位置、凸多边形区域顶点位置
对应的坐标分别为(xm,ym)、(xw,yw)、(xi,yi)，其中1≤i≤n；
8.编队协同执行任务需要在时间上协调一致，因此双机编队执行协同区域侦察时要做到两架飞机花费时间相同，根据每架飞机的侦察效能，将侦察区域p分割为面积分别为a1、a2的两部分，且满足：
[0009][0010]
长机携带的侦察传感器沿侦察方向视场角为αm，垂直于侦察方向视场角为βm，则长机侦察效能表示为：
[0011][0012]
僚机携带的侦察传感器沿侦察方向视场角为αw，垂直于侦察方向视场角为βw，则僚机侦察效能表示为：
[0013][0014]
由公式(1)可得面积分割比例为：
[0015][0016]
在侦察区域所有顶点中选择与长机位置最近的顶点s(x
vs
,y
vs
)作为侦察区域分割起点，其中1≤vs≤n为侦察区域分割起点的序号；
[0017]
从序号为j＝(vs 2)的任务区域顶点开始，其中若j大于n，则对n取余；小于1，则取n，若满足公式(5)：
[0018][0019]
其中a
vs_j
为由序号为vs、vs 1、
…
、j的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
j_vs
为由序号为j、j 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积；按公式(5)继续按逆时针顺序检查下一个任务区域顶点，直到找到序号为k的侦察区域的一个顶点，使得：
[0020][0021]
其中a
vs_k
为由序号为vs、vs 1、
…
、k的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
k_vs
为由序号为k、k 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
vs_k-1
为由序号为vs、vs 1、
…
、k-1的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
k-1_vs
为由序号为k-1、k、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积；
[0022]
由公式(6)可知，在序号为k、k-1的两个任务区域顶点组成的边上，必然存在一点h，称之为分割点，a
vs_h
即是由序号为vs、vs 1、
…
、k-1的侦察区域顶点和点h围成的多边形p
vs_h
的面积，a
h_vs
是由点h和序号为k、k 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形p
h_vs
的面积；
采用二分搜索法寻找点h，得到点h的坐标；
[0023]
步骤2：完成侦察区域分割后，由长机计算双机的侦察计划，具体步骤为：
[0024]
长机待侦察区域为多边形p
vs_h
，僚机待侦察区域为多边形p
h_vs
，要求的侦察旁向重叠率为δ；
[0025]
以长机侦察计划计算为例，以扫雪式航线实现对区域覆盖，扫雪式往返方向平行于直线l，l由顶点vs与点h连线确定；
[0026]
扫雪式航段之间的距离为：
[0027]
δd1＝2hmtan(βm/2)(1-δ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0028]
设d
vs_h
为多边形p
vs_h
所有顶点中到直线l的最大距离，则扫雪式航段个数为：
[0029][0030]
根据平面几何，计算出每个扫雪式航段所在直线l1...lu与多边形p
vs_h
各条边分别有两个交点，设交点分别为考虑到飞机转弯对侦察效果的影响，将交点向外延伸距离ρ作为侦察计划l1的航路点，ρ取δd1到2δd1之间，设延伸后的航路点为之间，设延伸后的航路点为将航路点将航路点按飞行顺序排列，即形成侦察计划l1；
[0031]
同理，计算僚机侦察计划l2；
[0032]
侦察计划l1、l2计算完成后，根据gjb 6304-2008《2000中国大地测量系统》6.7.2中的高斯投影方法，将航路点转换为经纬度形式供飞行控制系统按照经纬度进行飞行；
[0033]
步骤3：每架飞机自动执行各自的侦察计划，并实时计算侦察计划执行进度；按以下步骤计算：
[0034]
长机将侦察计划l2通过无线数据链路发送给僚机，双机编队自动根据侦察计划执行区域侦察任务，在任务执行过程中，每架飞机实时计算计划执行进度，并反馈给操作员；
[0035]
以长机为例，侦察计划l1的总长度为：
[0036][0037]
其中ω
v,v 1
为第v个航点和第v 1航点之间的距离；
[0038][0039]
在每个航电周期，按以下步骤计算计划执行进度：
[0040]
a)从飞机的飞行控制系统获取到点t(x
l1_t
,y
l1_t
)，其中t为到点在侦察计划l1中的航点序号，计算当前飞机位置(x
mc
,y
mc
)与到点t的距离：
[0041][0042]
b)计算剩余侦察计划的长度：
[0043][0044]
c)计划执行进度按照下式计算
[0045][0046]
当η1≥100％时，侦察计划l1执行完成。
[0047]
同理，计算僚机侦察计划l2的执行进度η2，当η2≥100％时，侦察计划l2执行完成；
[0048]
侦察计划l1执行完成且侦察计划l2执行完成，此次双机协同区域侦察任务完成。
[0049]
采用二分搜索法寻找点h的步骤为：
[0050]
设序号为k的任务区域顶点坐标为(xk,yk)，序号为k-1的任务区域顶点坐标为(x
k-1
,y
k-1
)，点h(xh,yh)迭代初始值坐标设置为：
[0051][0052]
设二分搜索区间迭代初始左端点c0坐标为迭代初始右端点e0设置为按下式设置：
[0053][0054]
设为分割点第q次迭代中的值，为二分搜索区间左端点第q次迭代的值，为二分搜索区间右端点第q次迭代的值，为分割点第q 1次迭代中的值，为二分搜索区间左端点第q 1次迭代的值，为二分搜索区间右端点第q 1次迭代的值；即是由序号为vs、vs 1、
…
、vs-1的侦察区域顶点和点hq围成的多边形的面积，即是由点hq和序号为k、k 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积；
[0055]
迭代步骤如下：
[0056]
a)当时，迭代结束，分割点h即为hq，否则进入步骤(b)继续
向下迭代；
[0057]
b)如果令
[0058][0059]
如果令
[0060][0061]
所述侦察旁向重叠率为δ取值范围为0≤δ＜1。
[0062]
本发明的有益效果在于为双机编队在线区域侦察任务的规划与执行提供了完整的技术方案，综合考虑时间协同、侦察效率、计算能力、防撞等因素，区域侦察规划实时性好、可靠性高，侦察计划可自动执行，具有较强的工程实现价值和较高的智能化水平。使用某小型固定翼无人机对该发明提出的方法进行了两个架次的试飞验证。试飞结果表明，该方法计算效率高、实时性好，小型固定翼无人机能够在100ms内完成侦察区域分割和侦察计划计算，耗时比现有方法减少了90％以上；两架小型固定翼无人机按照侦察计划执行区域侦察任务，并同时完成。
附图说明
[0063]
图1为本发明双机协同区域侦察流程图。
[0064]
图2为本发明侦察区域分割示意图。
[0065]
图3为本发明侦察计划计算示意图。
[0066]
图4为实施例1侦察区域分割以及侦察计划计算示意图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0068]
按以下步骤计算。
[0069]
(一)侦察区域分割
[0070]
小型固定翼无人机双机编队包括长机m和僚机w，在空中飞行时，无人机操作员对一凸多边形形状的侦察区域p实施编队协同侦察；该凸多边形区域顶点有n个，其中n≥3，凸多边形区域经纬度坐标按逆时针排列分别为(λ1,φ1),(λ2,φ2),
…
,(λn,φn)，凸多边形区域的面积为a
p
，无人机操作员将侦察区域p数据传送到长机m，设长机m当前经度为λm，纬度为φm，高度为hm，速度为vm，可用最小转弯半径为rm；僚机w当前经度为λw，纬度为φw，高度为hw，速度为vw，可用最小转弯半径为rw；长机m的侦察效能，即单位时间内能够侦察的区域面积为am，僚机w的侦察效能，即单位时间内能够侦察的区域面积为aw；根据gjb 6304-2008《2000中国大地测量系统》6.7.2中的高斯投影方法，将长机位置、僚机位置、凸多边形区域顶点位置转换到高斯投影平面直角坐标系中，长机位置、僚机位置、凸多边形区域顶点位置对应的坐标分别为(xm,ym)、(xw,yw)、(xi,yi)，其中1≤i≤n；
[0071]
编队协同执行任务需要在时间上协调一致，因此双机编队执行协同区域侦察时要做到两架飞机花费时间相同，根据每架飞机的侦察效能，将侦察区域p分割为面积分别为a1、a2的两部分，且满足
[0072][0073]
以使用最为广泛的垂直侦察为例计算每架飞机的侦察效能，长机携带的侦察传感器沿侦察方向视场角为αm，垂直于侦察方向视场角为βm，则长机侦察效能表示为：
[0074][0075]
僚机携带的侦察传感器沿侦察方向视场角为αw，垂直于侦察方向视场角为βw，则僚机侦察效能表示为：
[0076][0077]
由公式(1)可得面积分割比例为：
[0078][0079]
为尽快能执行区域侦察，在侦察区域所有顶点中选择与长机位置最近的顶点s(x
vs
,y
vs
)作为侦察区域分割起点，其中1≤vs≤n为侦察区域分割起点的序号；
[0080]
从序号为j＝(vs 2)的任务区域顶点开始，其中若j大于n，则对n取余；小于1，则取n，若满足公式(5)：
[0081][0082]
其中a
vs_j
为由序号为vs、vs 1、
…
、j的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
j_vs
为由序号为j、j 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积；按公式(5)继续按逆时针顺序检查下一个任务区域顶点，直到找到序号为k的侦察区域的一个顶点，使得：
[0083][0084]
其中a
vs_k
为由序号为vs、vs 1、
…
、k的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
k_vs
为由序号为k、k 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
vs_k-1
为由序号为vs、vs 1、
…
、k-1的侦察区域顶点围成的多边形的面积，a
k-1_vs
为由序号为k-1、k、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积；
[0085]
由公式(6)可知，在序号为k、k-1的两个任务区域顶点组成的边上，必然存在一点h，称之为分割点，如图2所示，其中vs、vs 1、k-1和k为侦察区域的顶点序号，取值范围为1-n，a
vs_h
即是由序号为vs、vs 1、
…
、k-1的侦察区域顶点和点h围成的多边形p
vs_h
的面积，a
h_vs
是由点h和序号为k、k 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形p
h_vs
的面积；
[0086]
采用二分搜索法寻找点h的步骤为：
[0087]
设序号为k的任务区域顶点坐标为(xk,yk)，序号为k-1的任务区域顶点坐标为(x
k-1
,y
k-1
)，点h(xh,yh)迭代初始值坐标设置为：
[0088][0089]
设二分搜索区间迭代初始左端点c0坐标为迭代初始右端点e0设置为按下式设置：
[0090][0091]
设为分割点第q次迭代中的值，为二分搜索区间左端点第q次迭代的值，为二分搜索区间右端点第q次迭代的值，为分割点第q 1次迭代中的值，为二分搜索区间左端点第q 1次迭代的值，为二分搜索区间右端点第q 1次迭代的值；即是由序号为vs、vs 1、
…
、vs-1的侦察区域顶点和点hq围成的多边形的面积，即是由点hq和序号为k、k 1、
…
、vs的侦察区域顶点围成的多边形的面积；
[0092]
迭代步骤如下：
[0093]
a)当时，迭代结束，分割点h即为hq，否则进入步骤(b)继续向下迭代；
[0094]
b)如果令
[0095][0096]
如果令
[0097][0098]
(二)侦察计划计算
[0099]
完成侦察区域分割后，由长机计算双机的侦察计划，具体步骤为：
[0100]
长机待侦察区域为多边形p
vs_h
，僚机待侦察区域为多边形p
h_vs
，设要求的侦察旁向重叠率为δ，0≤δ＜1；
[0101]
以长机侦察计划计算为例，以扫雪式航线实现对区域覆盖，扫雪式往返方向平行于直线l，l由顶点vs与点h连线确定；
[0102]
扫雪式航段之间的距离为：
[0103]
δd1＝2hmtan(βm/2)(1-δ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0104]
设d
vs_h
为多边形p
vs_h
所有顶点中到直线l的最大距离，则扫雪式航段个数为：
[0105][0106]
根据平面几何，计算出每个扫雪式航段所在直线l1...lu与多边形p
vs_h
各条边分别有两个交点，设交点分别为
考虑到飞机转弯对侦察效果的影响，将交点向外延伸距离ρ作为侦察计划l1的航路点，ρ取δd1到2δd1之间，如图2所示，设延伸后的航路点为之间，如图2所示，设延伸后的航路点为将航路点将航路点按飞行顺序排列，即形成侦察计划l1；
[0107]
同理，计算僚机侦察计划l2。
[0108]
侦察计划l1、l2计算完成后，根据gjb 6304-2008《2000中国大地测量系统》6.7.2中的高斯投影方法，将航路点转换为经纬度形式供飞行控制系统按照经纬度进行飞行；
[0109]
(三)侦察计划执行
[0110]
长机将侦察计划l2通过无线数据链路发送给僚机，双机编队自动根据侦察计划执行区域侦察任务，在任务执行过程中，每架飞机实时计算计划执行进度，并反馈给操作员；
[0111]
以长机为例，侦察计划l1的总长度为：
[0112][0113]
其中ω
v,v 1
为第v个航点和第v 1航点之间的距离；
[0114][0115]
在每个航电周期，按以下步骤计算计划执行进度：
[0116]
a)从飞机的飞行控制系统获取到点t(x
l1_t
,y
l1_t
)，其中t为到点在侦察计划l1中的航点序号，计算当前飞机位置(x
mc
,y
mc
)与到点t的距离：
[0117][0118]
b)计算剩余侦察计划的长度：
[0119][0120]
c)计划执行进度按照下式计算
[0121][0122]
当η1≥100％时，侦察计划l1执行完成。
[0123]
同理，计算僚机侦察计划l2的执行进度η2，当η2≥100％时，侦察计划l2执行完成。
[0124]
侦察计划l1执行完成且侦察计划l2执行完成，此次双机协同区域侦察任务完成。
[0125]
实施例1：
[0126]
该凸多边形侦察区域顶点有5个，其经纬度坐标按逆时针排列分别为顶点1(113.2498334
°
，34.9309586
°
)、顶点2(113.2575528
°
，34.9393197
°
)、顶点3(113.2518904
°
，34.9496531
°
)、顶点4(113.2290595
°
，34.9455045
°
)、顶点5(113.2315517
°
，34.9274423
°
)。长机m当前经度为113.25
°
，纬度为34.93
°
，高度为180米，速
度为35米/秒；僚机w当前经度为113.249
°
，纬度为34.929
°
，高度为160米，速度为32米/秒。长机和僚机携带相同的传感器，垂直于侦察方向视场角51
°
，沿侦察方向视场角30
°
，所要求的航向重叠率为0.3。
[0127]
根据公式(2)、(3)、(4)，可得面积分割比例λ＝1.3843，进而求得分割点坐标经纬度为(113.2308013
°
，34.9458211
°
)，如图4所示。
[0128]
长机侦察计划l1航点如表1所示，如图4所示。
[0129]
表1长机侦察计划l1航点
[0130][0131][0132]
长机侦察计划l2航点如表2所示，如图4所示。
[0133]
表2长机侦察计划l2航点
[0134]
航点序号经度(度)纬度(度)高度(米)速度(m/s)1113.248686134.9300751160322113.228394234.9459209160323113.228944734.9419327160324113.245029734.9293720160325113.241373334.9286689160326113.229495034.9379445160327113.230045334.9339563160328113.237717034.9279656160329113.234060834.92726221603210113.230595634.929968116032
[0135]
在执行任务的某一时刻，长机经纬度坐标为(113.25
°
，34.945
°
)，到点号为8，则侦察计划l1执行进度为75.56％。
[0136]
在执行任务的某一时刻，僚机经纬度坐标为(113.235
°
，34.93673
°
)，到点号为4，则侦察计划l2执行进度为41.94％。