一种空中飞行机器人精确巡航控制的方法与流程

本发明涉及空中飞行机器人，具体涉及一种空中飞行机器人精确巡航控制的方法。

背景技术：

1、空中飞行机器人精确巡航控制涉及对飞行机器人在空中持续飞行和执行特定任务的高度精确的控制。这种控制不仅包括航线规划，更关键的是实时监控和调整机器人的位置、速度和姿态，确保其沿预定航线稳定飞行。通过整合先进的导航技术、动态控制系统、传感器反馈以及精确的飞行动力学模型，精确巡航控制实现了对飞行机器人的细致调节和管理。

2、此外，精确巡航控制还包括对机器人的能量管理和航线优化，确保能量效率最大化并延长续航能力。这不仅涉及简单的动作执行，而是一个涉及多方面的系统工程，包括飞行机器人设计、控制策略的开发和任务规划等，都需要进行综合考虑和优化。

3、飞行控制器在精确巡航控制中扮演核心角色，主要负责处理来自各种传感器的数据，如惯性测量单元（imu）的加速度和角速度信息、gps提供的位置数据等。飞行控制器根据这些数据实时调整飞行状态，通过预设计的动态控制算法计算出精确的控制指令。这些指令随后被转化为电信号，通过执行机构如电子速度控制器调整机器人的姿态、方向和速度，从而实现沿预期航线的稳定飞行。

4、现有技术存在以下不足：

5、当前的飞行控制器在精确巡航控制中可能面临控制精度的隐患，如无智能化感知时，控制精度的下降可能导致机器人无法准确执行飞行指令或适应环境变化。这会增加机器人偏离航线、发生碰撞或坠毁的风险，可能危及人员和其他空中设施的安全。此外，控制精度的问题还可能导致飞行机器人无法保持空中稳定性，引发空中碰撞、事故或其他安全隐患，造成人员伤亡和财产损失。

6、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种空中飞行机器人精确巡航控制的方法，通过实时获取飞行控制器性能参数和配置参数信息，并根据这些信息生成相应的精度影响系数，可以实现对飞行控制器对空中飞行机器人的控制精度进行实时监控，当精度影响系数超过预先设定的精度影响系数参考阈值时，系统生成相应的影响信号并发出预警提示，提醒操作员可能存在的控制精度问题，这种实时监控和预警机制可以帮助及时发现并应对控制精度异常，有效降低空中飞行机器人失控风险，以解决上述背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种空中飞行机器人精确巡航控制的方法，包括以下步骤：

3、飞行控制器从各种传感器接收实时数据，利用接收到的传感器数据，对空中飞行机器人进行状态评估，根据目标航线和当前状态，使用预先设计的控制算法计算出控制指令；

4、飞行控制器将计算得到的控制指令转换为电信号，并通过电子速度控制器等执行机构将转换后的电信号输出到空中飞行机器人的各个执行器上，空中飞行机器人的各个执行器根据接收到的控制指令，调整空中飞行机器人的姿态、速度和高度；

5、实时监测空中飞行机器人的状态和环境变化，不断调整控制指令，以保持空中飞行机器人的稳定飞行；

6、对飞行控制器的控制精度建立实时监控机制，在固定时长窗口t内，基于飞行控制器的控制信息将飞行控制器的控制精度划分为高精度固定时长窗口和低精度固定时长窗口；

7、在低精度固定时长窗口下，将空中飞行机器人的实际航线与预定航线进行比对分析，计算实际航线与预定航线之间的余弦相似度，将计算得出的余弦相似度与预先设定的余弦相似度参考阈值进行比对分析，根据分析结果调控空中飞行机器人的状态。

8、优选的，在固定时长窗口t内，获取飞行控制器的性能参数信息和配置参数信息，其中，性能参数信息包括飞行控制器的姿态解算更新率，获取后，对姿态解算更新率处理后生成姿态解算更新率增益指数，配置参数信息包括运行参数调控信息，获取后，对运行参数调控信息处理后生成运行参数调控偏差指数。

9、优选的，姿态解算更新率增益指数获取的逻辑如下：

10、确定用于计算姿态解算更新率的固定时长窗口t；

11、在固定时长窗口t内，收集空中飞行机器人的角速度数据ω=[ω1，ω2，ω3]，[ω1，ω2，ω3]表示空中飞行机器人的角速度向量，表示空中飞行机器人绕各个轴的旋转速率；

12、使用收集到的角速度数据估计空中飞行机器人在固定时长窗口t内的姿态变化；

13、根据姿态变化量和当前的四元数 q，使用四元数微分方程计算四元数的时间导数，四元数微分方程的形式如下：，其中，是四元数的叉乘运算符；

14、使用计算得到的四元数微分，计算姿态解算更新率，姿态解算更新率通过四元数的欧几里得范数来计算，计算的表达式为：，其中，表示姿态解算更新率，、、、分别是四元数的实部和虚部，是实部，、、是虚部，实部是四元数的一部分，用于表示旋转的余弦值，在空中飞行机器人的姿态表示中，实部表示旋转角度的余弦值，虚部是四元数的另一部分，用于表示旋转轴在各个方向上的正弦值，在空中飞行机器人的姿态表示中，虚部表示旋转轴在x、y、z轴上的正弦值；

15、通过姿态解算更新率计算姿态解算更新率增益指数，计算的表达式为：，式中，表示姿态解算更新率增益指数。

16、优选的，运行参数调控偏差指数获取的逻辑如下：

17、在固定时长窗口t内，获取飞行控制器对空中飞行机器人进行控制时的实时控制加速度和对应时刻空中飞行机器人的实时实际加速度，并将实时控制加速度和实时实际加速度按照时间序列分别用和进行表示；

18、在固定时长窗口t内，获取飞行控制器对空中飞行机器人进行控制时的实时控制角速度和对应时刻空中飞行机器人的实时实际角速度，并将实时控制角速度和实时实际角速度按照时间序列分别用和进行表示；

19、通过飞行控制器对空中飞行机器人进行控制时获取的实时控制加速度、实时实际加速度、实时控制角速度以及实时实际角速度计算运行参数调控偏差指数，计算的表达式为：，式中，表示运行参数调控偏差指数，。

20、优选的，将飞行控制器对空中飞行机器人进行控制时在固定时长窗口t内生成的姿态解算更新率增益指数和运行参数调控偏差指数进行公式化分析，生成精度影响系数，通过精度影响系数对空中飞行机器人进行控制时的控制精度进行实时监控，依据的公式为：，式中，、分别为姿态解算更新率增益指数和运行参数调控偏差指数的预设比例系数，且、均大于0。

21、优选的，将飞行控制器对空中飞行机器人进行控制时在固定时长窗口t内生成的精度影响系数与预先设定的精度影响系数参考阈值进行比对分析，比对分析的结果如下：

22、若精度影响系数大于等于精度影响系数参考阈值，则将对应的固定时长口标记为高精度固定时长窗口，并且生成低影响信号，此时通过飞行控制器继续对空中飞行机器人进行控制；

23、若精度影响系数小于精度影响系数参考阈值，则将对应的固定时长口标记为低精度固定时长窗口，并且生成低影响信号，后续继续判断飞行控制器对空中飞行机器人的控制精度是否造成影响。

24、优选的，计算实际航线与预定航线之间的余弦相似度通过以下步骤获取：

25、在低精度固定时长窗口下，从记录或传感器数据中获取实际航线和预定航线的坐标点，这些坐标点表示为二维或三维空间中的点集，分别表示空中飞行机器人的实际路径和预定路径；

26、将每个坐标点转换为航线向量，航线向量是相邻航线点之间的向量，通过相邻航线点的坐标差来计算，对于实际航线和预定航线，分别计算相邻航线点之间的向量；

27、对于每个航线向量，计算其长度，即航线的线段长度，使用欧几里得距离公式计算，计算公式为：，式中，表示航线向量，和分别是向量的起点和终点坐标；

28、对于实际航线和预定航线的每一段航线向量，计算实际航线和预定航线之间的点积，使用向量点积公式计算，计算的表达式为：，其中，和分别表示实际航线和预定航线的航线向量，θ表示两个向量之间的夹角；

29、计算实际航线和预定航线之间的余弦相似度，计算的表达式为：，式中，表示实际航线和预定航线之间的余弦相似度，为实际航线向量和预定航线向量的点积，和分别为实际航线和预定航线向量的长度。

30、优选的，将计算得出的实际航线和预定航线之间的余弦相似度与预先设定的余弦相似度参考阈值进行比对分析，判断飞行控制器对空中飞行机器人的控制精度是否造成影响，具体的判断过程如下：

31、若实际航线和预定航线之间的余弦相似度小于余弦相似度参考阈值，则生成影响信号，并对影响信号发出预警提示；

32、若实际航线和预定航线之间的余弦相似度大于等于余弦相似度参考阈值，则生成高效信号，不对高效信号发出预警提示。

33、一种空中飞行机器人精确巡航控制的系统，包括传感器数据处理模块、控制指令转换和输出模块、实时监控与调整模块、控制精度实时监控模块以及航线偏差分析模块；

34、传感器数据处理模块，通过飞行控制器从各种传感器接收实时数据，利用接收到的传感器数据，对空中飞行机器人进行状态评估，根据目标航线和当前状态，使用预先设计的控制算法计算出控制指令；

35、控制指令转换和输出模块，通过飞行控制器将计算得到的控制指令转换为电信号，并通过电子速度控制器等执行机构将转换后的电信号输出到空中飞行机器人的各个执行器上，空中飞行机器人的各个执行器根据接收到的控制指令，调整空中飞行机器人的姿态、速度和高度，使其按照预定航线飞行；

36、实时监控与调整模块，实时监测空中飞行机器人的状态和环境变化，不断调整控制指令，以保持空中飞行机器人的稳定飞行；

37、控制精度实时监控模块，对飞行控制器的控制精度建立实时监控机制，在固定时长窗口t内，基于飞行控制器的控制信息将飞行控制器的控制精度划分为高精度固定时长窗口和低精度固定时长窗口；

38、航线偏差分析模块，在低精度固定时长窗口下，将空中飞行机器人的实际航线与预定航线进行比对分析，计算实际航线与预定航线之间的余弦相似度，将计算得出的余弦相似度与预先设定的余弦相似度参考阈值进行比对分析，判断飞行控制器对空中飞行机器人的控制精度是否造成影响。

39、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

40、本发明通过实时获取飞行控制器性能参数和配置参数信息，并根据这些信息生成相应的精度影响系数，可以实现对飞行控制器对空中飞行机器人的控制精度进行实时监控，当精度影响系数超过预先设定的精度影响系数参考阈值时，系统生成相应的影响信号并发出预警提示，提醒操作员可能存在的控制精度问题，这种实时监控和预警机制可以帮助及时发现并应对控制精度异常，有效降低空中飞行机器人失控风险；

41、本发明在低精度固定时长窗口下，通过比对实际航线与预定航线的余弦相似度，可以快速检测空中飞行机器人是否偏离了预定航线，当实际航线与预定航线之间的余弦相似度低于设定的余弦相似度参考阈值时，系统会生成影响信号并发出预警提示，提醒操作员实际航线可能存在较大偏差，需要及时进行修正和管理，这种航线偏差检测和修正机制可以帮助保证空中飞行机器人按照预定航线飞行，减少意外碰撞或坠毁的风险。