一种高密度固定翼集系统的制作方法
1.本发明涉及固定翼集技术领域，特别地是一种高密度固定翼集系统。
背景技术：
2.固定翼集与旋翼机不同，具有速度快，航程远等特点。在军事等方面有较高的实用价值。
3.在专利“cn104880961b-一种多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统”公开中，提出了分布式协同方法，但该方法仅考虑了仿真实验环境，没有考虑在实际环境中由于通信距离限制导致的通信带宽降低的情况。
4.在专利“cn112383872a-一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法”公开中，专利提出了，基于无人机距离变化改变无人机广播发送频率的方法。该方法可以有效解决随着无人机集数量的增加，导致分布式数据信息呈指数型增长的问题。但该专利仅考虑了通信的问题，没有对使用该通信方式导致的控制率变化问题。
5.在专利“cn113624237a-一种基于dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法”公开中，专利提出了基于dubins的路径规划方法。该方法在数量较少的集编队情况下，在集节点较多时，固定翼仅用dubins的路径规划方法，对导致大量的轨迹重叠，导致飞机碰撞的风险。
6.目前，大规模分布式集主要存在以下几个问题：
7.1、通信问题，通信距离与通信带宽的矛盾，通常通信距离长对应通信带宽低。进而限制通信节点数量。该问题会引入新的问题：
8.a)异网之间的同步机制：采用ntp的时钟同步技术，依据无人机编号，实现基于表决器的指令同步方法。
9.b)异网之间的切换：采用实时计算无人机间距，同时通过维护路由形式，实现无人机间的通信。
10.2、轨迹规划，分布式轨迹规划会随着节点数增多导致安全问题。
11.a)采用改进型的dubins进行变盘旋半径的二维平面规划。
12.b)采用人工势场法实现在高度维的避障算法。
技术实现要素：
13.本发明的目的在于提供一种高密度固定翼集系统，为固定翼集的编队和应用提供了研究平台，提高了无人机编队数量，实现无人机之间的精确引导和无人机的航线规划；通过防撞策略提高了平台的安全性。
14.本发明通过以下技术方案实现的：
15.一种高密度固定翼集系统，包括机载端和地面端；其中，所述地面端包括地面站；所述机载端包括：
16.飞控，
17.rtk系统，用于高精度定位；
18.机载板卡，用于实现分布式路径规划和通信切换功能；
19.远距离低带宽通信模块，用于完成无人机概略引导，rtk的rtcm数据传输，与所述地面站数据交互；
20.近距离高带宽通信模块，用于完成无人机精确引导。
21.需要说明的是，rtk(real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而rtk是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是gps应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新的测量原理和方法，极大地提高了作业效率。
22.飞控又称飞行控制器，是用于在起飞、巡航、降落等阶段辅助或全自主对飞行器的其他系统及元器件起到协同控制的元件。在飞行器飞行过程中，飞控感知飞行器的飞行高度、速度、角度及位置信息，按照预先设定好的飞行计划或临时接收的飞行指令，控制飞行器的不同系统做出相应的动作，对于固定翼机是调整舵面等，对于多旋翼机是调整各个动力的输出功率等，从而达到改变飞行姿态的目的。
23.进一步的，所述机载端还包括分布式软件和px4飞控软件；所述分布式软件用于完成无人机编队上层控制；所述px4飞控软件用于完成基础飞行功能；
24.进一步的，所述分布式软件包括通信层、基础控制层和任务控制层；所述通信层主要完成多条链路的通信功能；所述基础控制层主要完成多个方面的基础控制；所述任务控制层根据当前无人机各节点间距离实现数据来源的切换功能、获得所述飞控数据以及接收所述地面站发送的指令消息，并转发至所述基础控制层。
25.进一步的，所述通信层包括飞控通信模块和数据控制转发模块；所述飞控通信模块采用mavlink协议；通过所述数据控制转发模块给出的各节点位置距离，对数据进行控制转发；即当距离较远时，采用lc模块进行概略引导，在距离较近时获得sc模块的信号后，进行精近引导；同时通过lc模块将地面站指令传输至所述基础控制层。
26.进一步的，所述基础控制包括节点数据，即其他无人机的数据；本机数据，本地无人机的数据，通过数据控制转发获得，任务控制的必要数据；指令获取，获得地面站控制指令，并转发至任务层；所述基础控制层主要完成起飞、降落、悬停和安全保护控制逻辑，并调用应用层的目标位置结果，发送至基础控制模块；同时，可以实现基于位置、航向-空速、姿态-油门的控制模式。
27.进一步的，所述任务控制层中，模块完成数据源的切换，由当无人机距离小于d1时开始无人机机间握手，当握手成功后，无人机开始进行精进引导；当无人机远离后大于d2时采用lc模块的数据进行概略引导；其中d2《d1。
28.进一步的，所述任务控制层中，获得飞控数据，并根据zylink进行打包，通过sc模块广播，同时获得精简协议通过lc模块转发。
29.进一步的，无人机规划阶段采用dubins与人工势场法相结合的方法，实现无人机的航线规划。
30.进一步的，同步采用ntp模式实现，无人机起飞前，使用sc通信网络进行ntp同步方式；根据地面端的rtk作为时钟源，通过ntp模块以及机载板卡实现授时服务基础。
31.进一步的，所述d1为100m。
32.本发明的有益效果：
33.本发明采用概略-精确引导两个阶段。概略引导通过较低的数据更新频率，采用航点控制方法，引导无人机安装编队规划进行渐进。当无人机机间距离小于d1距离时，无人机进入精确引导阶段。在精确引导阶段，通信采用大带宽高更新频率，采用航向-高度-油门的控制方式，实现无人机之间的精确引导。在无人机规划阶段采用dubins与人工势场法相结合的方法，实现无人机的航线规划。
附图说明
34.图1为本发明实施例机载端的结构框架示意图；
35.图2为本发明实施例地面端的结构框架示意图；
36.图3为本发明实施例机载端的软件架构示意图；
37.图4为本发明实施例分布式架构示意图；
38.图5为本发明实施例数据控制转发架构示意图。
具体实施方式
39.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.如图1、2所示，本发明公开一种高密度固定翼集系统，包括机载端和地面端；其中，所述地面端包括地面站；所述机载端包括：
41.飞控，
42.rtk系统，用于高精度定位；
43.机载板卡，用于实现分布式路径规划和通信切换功能；
44.远距离低带宽通信模块，用于完成无人机概略引导，rtk的rtcm数据传输，与所述地面站数据交互；
45.近距离高带宽通信模块，用于完成无人机精确引导。
46.参照图3，具体的，本实施例方案中，所述机载端还包括分布式软件和px4飞控软件；所述分布式软件用于完成无人机编队上层控制；所述px4飞控软件用于完成基础飞行功能；
47.参照图4，具体的，本实施例方案中，所述分布式软件包括通信层、基础控制层和任务控制层；所述通信层主要完成多条链路的通信功能；所述基础控制层主要完成多个方面的基础控制；所述任务控制层根据当前无人机各节点间距离实现数据来源的切换功能、获得所述飞控数据以及接收所述地面站发送的指令消息，并转发至所述基础控制层。
48.具体的，本实施例方案中，所述通信层包括飞控通信模块和数据控制转发模块；所述飞控通信模块采用mavlink协议；通过所述数据控制转发模块给出的各节点位置距离，对
数据进行控制转发；即当距离较远时，采用lc模块进行概略引导，在距离较近时获得sc模块的信号后，进行精近引导；同时通过lc模块将地面站指令传输至所述基础控制层。
49.参照图5，具体的，本实施例方案中，所述基础控制包括节点数据，即其他无人机的数据；本机数据，本地无人机的数据，通过数据控制转发获得，任务控制的必要数据；指令获取，获得地面站控制指令，并转发至任务层；所述基础控制层主要完成起飞、降落、悬停和安全保护控制逻辑，并调用应用层的目标位置结果，发送至基础控制模块；同时，可以实现基于位置、航向-空速、姿态-油门的控制模式。
50.具体的，本实施例方案中，所述任务控制层中，模块完成数据源的切换，由当无人机距离小于d1时开始无人机机间握手，当握手成功后，无人机开始进行精进引导；当无人机远离后大于d2时采用lc模块的数据进行概略引导；其中d2《d1。
51.具体的，本实施例方案中，所述任务控制层中，获得飞控数据，并根据zylink进行打包，通过sc模块广播，同时获得精简协议通过lc模块转发。
52.具体的，本实施例方案中，无人机规划阶段采用dubins与人工势场法相结合的方法，实现无人机的航线规划。
53.具体的，本实施例方案中，同步采用ntp模式实现，无人机起飞前，使用sc通信网络进行ntp同步方式；根据地面端的rtk作为时钟源，通过ntp模块以及机载板卡实现授时服务基础。
54.具体的，本实施例方案中，所述d1为100m。
55.具体的，基础控制方面：
56.集合/解散
57.由于无人机编队是由无序的起飞阶段和有序的编队阶段组成。通常作战区域以及客户需求重点关注有序的编队阶段的高层级任务。但从无序的起飞段到有序的编队需要根据无人机的特性进行路径规划，以实现两个阶段的平滑过渡。本系统采用dubins的路径规划方案。
58.安全策略
59.由于固定翼相较于旋翼机有较高的飞行要求。飞机应在飞行包线内才能安全飞行。因此，固定翼增加了安全保障，以确保在任务端，由于错误指令导致“炸机”的发生。同时采用人工势场法实现无人机防撞。
60.同步机制
61.由于采用双通信网络机制进行数据传输，因此会产生同步问题。通常，指令下达会由于长距离通信模块，导致延迟，由于异构网络导致指令延迟甚至丢失。
62.时钟同步
63.同步采用ntp模式实现。但由于lc模块通信距离长，通常会有较高的延迟，因此，采用起飞前，使用sc通信网络进行ntp同步方式。根据地面端的rtk作为时钟源，通过ntp模块以及地面端处理板卡实现授时服务基础。
64.指令同步
65.分布式无人机编队是一种集行为。因此，地面站指令是对集整体的行为控制，不对集内部做行为约束，而各节点的行为由集内部进行约束。
66.根据以上基本思路，为保证集内及时响应地面站下达的指令，即指令同步。当节
点数较多时，由于链路间的干扰可能出现指令接收不正常的情况。
67.具体的，系统任务场景：
68.准备阶段：
69.1、检查飞机状态后，上电。
70.2、地面站与各飞机进行时间同步。
71.3、检查个状态(rtk、通信)。
72.飞行阶段：
73.1、手动开关解锁，点击起飞，操作员抛出飞机。
74.2、飞机爬升至最低高度。
75.3、进入待机位置，等待所有飞机进入待机位置。
76.4、等待指令下达。
77.5、接收到任务指令后，执行按任务起始点位置集合。(队形为虚拟分组长机)。
78.6、到达指定位置后进入任务。
79.7、等待任务终止触发。
80.8、执行解散，返回待机位置。
81.9、等待降落指令。
82.10、执行分组着陆。
83.与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
84.本发明采用概略-精确引导两个阶段。概略引导通过较低的数据更新频率，采用航点控制方法，引导无人机安装编队规划进行渐进。当无人机机间距离小于d1距离时，无人机进入精确引导阶段。在精确引导阶段，通信采用大带宽高更新频率，采用航向-高度-油门的控制方式，实现无人机之间的精确引导。在无人机规划阶段采用dubins与人工势场法相结合的方法，实现无人机的航线规划。
85.以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
