一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法及系统与流程

本发明涉及无人机跟随控制，具体涉及一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法以及应用该方法的系统。

背景技术：

1、随着无人机技术的迅速发展，无人机的应用场景也越来越广，如系留无人机正在成为未来无人机领域的应用趋势。然而，现有技术下的系留车设备繁杂、制造成本高、可迁移性差，对无人机的任务执行与回收带来不便，其根本原因是无人机与系留车的同步行进难以实现。

2、现有系留无人机要实现跟随飞行一般采用两种方式gps定位和视觉定位，gps定位原理是地面端设有一个gps，无人机端也设有一个gps，通过计算两个gps坐标位置计算偏差值进行跟随移动。视觉定位利用摄像头锁定目标，程序判断锁定目标在屏幕位置的移动变化，进而输出给无人机运动方向指令。

3、然而，由于系留无人机的动力能源来自地面的供电系统，通过系留电缆线进行能源传输、通讯及数据传输。飞行控制器通过gps导航定位技术控制无人机移动，使无人机在所需位置悬停，进行长时间的持续工作，但是gps导航进行定位，极容易受到干扰，出现定位不准确的现象，对系留无人机的作业效果造成影响。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法及其系统，该方法和系统完全不依赖导航定位技术即可跟随系留车移动而移动，有效降低受干扰的机率，跟随精确度高，并且定位准确。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，该方法包括：

4、当检测到系留车移动时，通过内置九轴姿态传感器获取产生的第一加速度信号，将数据记录后并通过无线发射发送至无人机端；

5、当无人机端接收到所述第一加速度信号后，触发无人机做相应方向移动的条件；

6、采集无人机对应的第二加速度信号，分别对接收到的所述第一加速度信号和第二加速度信号进行pid计算，把获取到的所述第一加速度信号和第二加速度信号进行运算获取到速度误差值，根据该速度误差值控制无人机沿期望的飞行轨迹运动，进行系留车、无人机的速度同步；

7、建立微积分控制器模型，其包括位置控制器、速度控制器、姿态控制器、角速率控制器和升力补偿控制器，通过逐级产生控制信号，形成产生控制无人机的电压电流信号，将九轴姿态传感器所测量的飞行状态数据输入到微积分控制器模型，实现对无人机的飞行姿态控制；

8、执行校正机制，通过系留线到系留车的角速度变化信号，通过积分获取到系留线的倾斜角度判断无人机的偏移程度进行误差修正；其中，若速度不同步则会使系留线倾斜，继而带动姿态传感器产生角度信号，将该角度信号转化成驱动无人机移动信号，进而对无人机的偏移程度进行误差修正。

9、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，在进行速度同步之前，建立无人机集群运动控制模型，确定无人机集群中领导者与跟随者，获取无人机集群内的相应的领导者的状态信息，控制所述领导者沿期望的飞行轨迹运动，控制各个跟随者跟踪所述领导者的运动轨迹，同时控制各个跟随者在协同控制作用下调整各自无人机之间的相对位置关系，其中，该领导者为与系留车的系留线直接连接的无人机，其余跟随者不与系留车的系留线直接连接，仅为跟随于领导者的其余无人机。

10、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，在进行速度同步时，采集领导者对应的第二加速度信号，分别对接收到的所述第一加速度信号和第二加速度信号进行积分计算，把获取到的所述第一加速度信号和第二加速度信号进行运算获取到速度误差值，根据该速度误差值控制领导者沿期望的飞行轨迹运动，同时控制各个跟随者跟踪所述领导者的运动轨迹。

11、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，采集系留车与无人机当前的加速度信号和角速度，得到期望速度与实际速度；

12、将采集到的速度信号转换为数字脉冲信号，进入到pid同步算法控制，多次循环直至实际速度达到期望速度；

13、当无人机与系留车达到同步行进时，速度误差值为零，直接输出实际速度；

14、当无人机速度远落后于系留车速度时，算法调整至加速模式，进入反馈循环直至速度误差值为零；

15、当无人机速度远大于系留车速度时，算法调整至减速模式，进入反馈循环直至速度误差值为零，两者达到同步。

16、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，所述控制各个跟随者跟踪所述领导者的运动轨迹，包括：

17、建立n个跟随者间通信网络，领导者至少与一个跟随者直接通信，则该跟随者就为固定节点；其它跟随者从固定节点直接或者间接进行通信，由此建立领导者与跟随者间以及跟随者与跟随者之间的通信网络，该通信网络拓扑结构为包含一个根在固定节点的有向生成树。

18、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，选定无人机某飞行状态量为协同状态，按照领导者-跟随者模式的一致性算法设计分布式的一致性控制器。

19、计算控制器增益矩阵和增益系数下界，设计选取合适的参数，以满足算法稳定性要求；

20、领导者沿期望的飞行轨迹运动，向可通信的跟随者广播自身状态信息，跟随者之间通过通信网络获取邻近节点无人机的协同状态，跟随者根据协同状态与领导者状态分布式地计算生成一致性控制指令；

21、将生成的一致性控制指令传递至无人机下一控制环节，最终由控制中心执行，实现无人机状态一致性控制。

22、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，实时获取领导者与其他跟随者的飞行信息，以及跟随者根据通信网络拓扑结构获取相邻跟随者的飞行状态信息，并在基于一致性控制器的编队跟踪控制律的作用下计算出对应跟随者无人机的期望速度与期望角速率；

23、将得到的期望速度与期望角速率作为控制量，解算出对应跟随者无人机的直接控制量以控制跟随者。

24、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，在获取到速度误差值时，将该速度误差值经过相应比例和单位变换成输出值输出至无人机上的电机控制器继而驱动电机；其中，该输出值为一个带正负号范围-32768～32768的数值，数值范围取决于加速度计分辨率选择，而电机驱动器的驱动信号范围在1000-2000us范围，因此需要进行数值转换。

25、一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随系统，该系统应用于上述的利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法，该系统包括：

26、无人机系统以及系留车系统，所述无人机系统包括无人机集群中的一个领导者与多个跟随者，每一个无人机上均设有第一九轴姿态传感器、第一微控制器、无线通信接收端、电机控制器、电机，所述第一九轴姿态传感器与所述第一微控制器连接，所述第一微控制器与所述无线通信接收端连接，所述第一微控制器向所述电机控制器发送电机驱动信号，所述电机控制器用于驱动电机，所述系留车系统包括系留车，所述系留车上包括第二九轴姿态传感器、第二微控制器、无线通信发射端，所述第二九轴姿态传感器与所述第二微控制器连接，所述第二微控制器与所述无线通信发射端连接。

27、根据本发明提供的一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随系统，所述九轴姿态传感器包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器。

28、由此可见，相较于现有技术，本发明提供一种利用速度同步与姿态实现系留无人机跟随方法及系统具有以下有益效果：

29、1、本发明无需gps，不怕gps信号受到干扰，比如室内环境；本发明无需摄像头，可以减少摄像设备成本。

30、2、本发明可以实现无人机跟随地面系留车同步飞行，使得无人机速度能够稳定变化，响应效率提高，使无人机的速度实现稳定、快速变换，实现同步速度的要求。

31、3、本发明由对多个跟随无人机跟踪主无人机运动，并根据主无人机的构型自动调整其在编队中的位置，可以实现无人机集群跟随地面系留车同步飞行。

32、4、本发明通过多个系留无人机组成集群，相互之间通过数据链进行实时通讯，通过系留无人机集群的分工合作、协同作战，可以大幅提高无人机空中作业的效率；

33、5、由于姿态传感器属于无人机自身基本元器件，所以无需增加额外负载，重量更轻，体积更小，续航时间更长(没有额外的用电器比如gps,摄像头)。

34、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。