本發(fā)明涉及系留無人機(jī)控制，具體涉及一種基于拉拽系留線的雙模式動(dòng)態(tài)協(xié)同控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)系留無人機(jī)控制技術(shù)中，普遍存在控制模式單一、人機(jī)協(xié)同性不足、環(huán)境適應(yīng)性差等問題，具體表現(xiàn)為以下方面：

2、一、控制模式與操作協(xié)同性局限

3、現(xiàn)有技術(shù)多依賴遙控器實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與絞盤收放線的獨(dú)立控制，需人工同步調(diào)整飛行器姿態(tài)與系留線張力，操作復(fù)雜度高且易因響應(yīng)延遲引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。例如，傳統(tǒng)系統(tǒng)缺乏雙模式聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在常規(guī)遙控場景與近距離精細(xì)跟隨場景中無法靈活切換，導(dǎo)致特定作業(yè)（如應(yīng)急手動(dòng)干預(yù)、高精度軌跡跟蹤）中控制精度與操作便捷性不足。

4、二、環(huán)境與機(jī)械特性干擾問題

5、溫度敏感性：系留線材料彈性模量隨溫度變化顯著波動(dòng)（如溫度每升高10℃，部分材料彈性模量下降2%-5%），傳統(tǒng)固定參數(shù)模型在不同溫度環(huán)境（-20℃至60℃）下易導(dǎo)致z軸控制信號偏差超過15%，引發(fā)張力失控或升降精度下降。

6、光照與擺動(dòng)干擾：水平位置檢測依賴單一傳感器（如視覺或機(jī)械角度傳感器），易受環(huán)境干擾：

7、視覺傳感器在強(qiáng)光過曝或低光噪點(diǎn)場景下，系留線像素坐標(biāo)提取偏差增大；

8、機(jī)械位移傳感器因系留線高頻擺動(dòng)（0.5-5hz）和彈性形變，導(dǎo)致夾角差數(shù)據(jù)非線性失真，傳統(tǒng)線性擬合模型難以補(bǔ)償此類誤差。

9、三、傳感器數(shù)據(jù)處理缺陷

10、信號噪聲與漂移：傳統(tǒng)張力檢測采用單一電位器采集位移信號，易受機(jī)械間隙、接觸電阻變化影響，信噪比低；搖臂滑輪組安裝于無人機(jī)端，因系留線長度變化導(dǎo)致重量改變而引發(fā)的電位器中位值漂移問題。

11、四、控制耦合與動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后

12、傳統(tǒng)系統(tǒng)未考慮系留線展開長度與無人機(jī)速度的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)，xy軸水平控制與z軸垂直控制存在交叉干擾；缺乏前饋預(yù)測機(jī)制，位置響應(yīng)滯后于風(fēng)擾變化，導(dǎo)致軌跡偏移；且未設(shè)計(jì)基于擺動(dòng)頻率的多模態(tài)保護(hù)邏輯，共振場景下（如擺動(dòng)頻率超過3hz）易引發(fā)姿態(tài)失穩(wěn)或線纜纏繞風(fēng)險(xiǎn)。

13、上述問題導(dǎo)致傳統(tǒng)系留無人機(jī)在復(fù)雜工況下適應(yīng)性差、操作門檻高，難以滿足高精度作業(yè)需求，因此亟需一種兼顧控制靈活性、環(huán)境魯棒性與協(xié)同精度的動(dòng)態(tài)控制方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于拉拽系留線的雙模式動(dòng)態(tài)協(xié)同控制方法及系統(tǒng)，用于解決傳統(tǒng)系留無人機(jī)控制中存在的控制模式單一、人機(jī)協(xié)同性不足、環(huán)境干擾適應(yīng)性差及控制精度有限的技術(shù)問題。

2、為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于拉拽系留線的雙模式動(dòng)態(tài)協(xié)同控制方法，包括以下步驟：

4、通過系留地面設(shè)備上搖臂滑輪組配置的雙電位器采集位移電信號；

5、通過pwm信號發(fā)生器基于系留線彈性系數(shù)模型利用實(shí)時(shí)采集的系留線環(huán)境溫度數(shù)據(jù)生成動(dòng)態(tài)彈性模量，并結(jié)合位移電信號生成表征拉拽的z軸pwm信號；

6、通過無人機(jī)上的xy搖桿與系留線的夾角差，基于夾角差-坐標(biāo)映射模型和動(dòng)態(tài)濾波生成表征水平位置的xy軸pwm信號；

7、將z軸pwm信號分為兩路，一路傳輸至絞盤電調(diào)以控制收放線速度，另一路傳輸至無人機(jī)，并與xy軸pwm信號合并為三維控制信號；

8、將遙控信號與絞盤電位器信號設(shè)為第一聯(lián)動(dòng)組，將三維控制信號與絞盤手動(dòng)信號設(shè)為第二聯(lián)動(dòng)組；

9、通過第一、第二遙控繼電器導(dǎo)通第一聯(lián)動(dòng)組、斷開第二聯(lián)動(dòng)組時(shí)，無人機(jī)進(jìn)入第一控制模式；導(dǎo)通第二聯(lián)動(dòng)組，斷開第一聯(lián)動(dòng)組時(shí)，無人機(jī)進(jìn)入第二控制模式。

10、優(yōu)選的，進(jìn)入第一控制模式時(shí)，無人機(jī)接收遙控信號，同時(shí)絞盤電調(diào)接收絞盤電位器信號，進(jìn)行無人機(jī)xyz三軸方向遙控控制，以及在z軸pwm信號中疊加張力波動(dòng)抑制因子進(jìn)行絞盤電機(jī)自動(dòng)正反轉(zhuǎn)收放線；

11、進(jìn)入第二控制模式時(shí)，無人機(jī)接收三維控制信號，同時(shí)絞盤電調(diào)接收絞盤手動(dòng)信號，當(dāng)絞盤手動(dòng)收線時(shí)，通過pwm信號發(fā)生器輸出表征下降的z軸pwm信號，當(dāng)絞盤手動(dòng)放線時(shí)，通過pwm信號發(fā)生器輸出表征上升的z軸pwm信號，并結(jié)合xy軸pwm信號，生成新的三維控制信號，基于非線性解耦進(jìn)行無人機(jī)xyz三軸的線控跟隨。

12、優(yōu)選的，生成xy軸pwm信號時(shí)，包括：

13、通過無人機(jī)搭載的雙目視覺傳感器采集系留線在水平面上的投影圖像，并從投影圖像提取系留線的像素坐標(biāo)；

14、通過xy搖桿的機(jī)械位移傳感器獲取搖桿偏轉(zhuǎn)角度的模擬信號，轉(zhuǎn)換為夾角差數(shù)據(jù)；

15、基于環(huán)境光照強(qiáng)度、擺動(dòng)頻率分別修正像素坐標(biāo)、夾角差數(shù)據(jù)，并輸入基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的夾角差-坐標(biāo)映射模型，輸出預(yù)測xy坐標(biāo)；

16、通過卡爾曼濾波算法對預(yù)測xy坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償，生成xy軸pwm信號；

17、其中，濾波過程的狀態(tài)協(xié)方差矩陣p根據(jù)實(shí)時(shí)誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整。

18、優(yōu)選的，基于環(huán)境光照強(qiáng)度修正像素坐標(biāo)時(shí)，包括：

19、連續(xù)采集多個(gè)環(huán)境光照強(qiáng)度樣本，基于強(qiáng)度劃分為低光、中光、高光三個(gè)區(qū)間，并對低光區(qū)間采用對數(shù)增強(qiáng)算法提升像素對比度，對高光區(qū)間采用動(dòng)態(tài)范圍壓縮抑制過曝區(qū)域，得到處理后的環(huán)境光照強(qiáng)度樣本；

20、對處理后的環(huán)境光照強(qiáng)度樣本計(jì)算樣本方差，當(dāng)方差小于等于設(shè)定值時(shí)，直接取均值作為當(dāng)前光照強(qiáng)度，當(dāng)方差大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)中值濾波處理，剔除異常值后取均值作為當(dāng)前光照強(qiáng)度；

21、根據(jù)當(dāng)前光照強(qiáng)度查詢預(yù)設(shè)的區(qū)間補(bǔ)償系數(shù)，并結(jié)合當(dāng)前光照強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)參考光照強(qiáng)度的對數(shù)運(yùn)算結(jié)果對像素坐標(biāo)進(jìn)行非線性映射修正。

22、優(yōu)選的，基于擺動(dòng)頻率修正夾角差數(shù)據(jù)時(shí)，包括：

23、獲取系留線在不同張力下的固有頻率曲線，建立擺動(dòng)頻率-剛度映射模型；

24、實(shí)時(shí)采集系留線當(dāng)前擺動(dòng)頻率，通過擺動(dòng)頻率-剛度映射模型計(jì)算當(dāng)前等效剛度系數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)剛度系數(shù)比對，生成剛度修正系數(shù)λ；

25、將夾角差數(shù)據(jù)乘以剛度修正系數(shù)λ，同時(shí)引入擺動(dòng)相位補(bǔ)償項(xiàng)進(jìn)行修正；

26、采用變步長lms自適應(yīng)濾波器對修正后的夾角差數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，步長因子μ根據(jù)擺動(dòng)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整。

27、優(yōu)選的，輸出預(yù)測xy坐標(biāo)時(shí)，包括：

28、通過輸入層對修正后的像素坐標(biāo)賦予基于區(qū)間補(bǔ)償系數(shù)的動(dòng)態(tài)權(quán)重，對修正后的夾角差數(shù)據(jù)賦予基于剛度修正系數(shù)λ的動(dòng)態(tài)權(quán)重，且權(quán)重分配比例通過梯度下降算法實(shí)時(shí)優(yōu)化；

29、通過輸入層至第一隱藏層采用leaky?relu激活函數(shù)處理像素坐標(biāo)特征，第二隱藏層至輸出層采用elu激活函數(shù)處理夾角差特征，并在輸出層增設(shè)batch?normalization層以抑制梯度彌散；

30、其中，還包括：基于高斯噪聲、隨機(jī)縮放以及生成對抗網(wǎng)絡(luò)的對抗性訓(xùn)練樣本集構(gòu)建步驟，以及基于坐標(biāo)誤差計(jì)算、貝葉斯優(yōu)化算法更新以及學(xué)習(xí)率動(dòng)態(tài)調(diào)整的模型在線迭代優(yōu)化步驟。

31、優(yōu)選的，進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償時(shí)，包括：

32、當(dāng)無人機(jī)gps實(shí)測xy坐標(biāo)與濾波輸出xy坐標(biāo)的均方根誤差連續(xù)多個(gè)采樣周期大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)卡爾曼增益k的自適應(yīng)優(yōu)化：

33、通過模糊邏輯控制器將均方根誤差劃分為低誤差、中誤差以及高誤差三個(gè)等級，并賦予對應(yīng)k值的調(diào)整系數(shù)；當(dāng)誤差等級從低、中誤差躍遷至高誤差時(shí)，觸發(fā)強(qiáng)跟蹤因子t對卡爾曼濾波的狀態(tài)協(xié)方差矩陣p進(jìn)行加權(quán)修正。

34、優(yōu)選的，疊加張力波動(dòng)抑制因子時(shí)，包括：

35、采集系留線張力的高頻波動(dòng)分量，通過小波變換分解為3層頻帶；

36、對各頻帶分量進(jìn)行自適應(yīng)閾值降噪，保留表征線纜彈性振動(dòng)的有效頻段；

37、將降噪后的波動(dòng)分量轉(zhuǎn)換為反向補(bǔ)償pwm信號，并與z軸pwm信號進(jìn)行線性疊加；

38、其中，反向補(bǔ)償pwm信號的幅值與張力波動(dòng)的均方根值呈正相關(guān)，相位滯后設(shè)定為90°以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振。

39、優(yōu)選的，進(jìn)行無人機(jī)xyz三軸的線控跟隨時(shí)，包括：

40、通過系留線展開長度與無人機(jī)實(shí)時(shí)速度的耦合系數(shù)矩陣，對xy軸pwm信號與z軸pwm信號進(jìn)行非線性解耦處理，其中耦合系數(shù)矩陣基于系留線彈性系數(shù)模型動(dòng)態(tài)更新；

41、引入無人機(jī)動(dòng)力學(xué)逆模型，根據(jù)當(dāng)前三維控制信號預(yù)測無人機(jī)位置偏差，并生成前饋補(bǔ)償量疊加至控制信號中，補(bǔ)償量幅值與系留線張力波動(dòng)的一階導(dǎo)數(shù)呈正相關(guān)；

42、當(dāng)系留線擺動(dòng)頻率超過設(shè)定值時(shí)，降低xy軸控制權(quán)重并啟動(dòng)姿態(tài)角限幅保護(hù)，同時(shí)z軸控制切換為恒張力優(yōu)先模式，并通過pid參數(shù)自整定算法控制張力波動(dòng)。

43、一種基于拉拽系留線的雙模式動(dòng)態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行上述的方法，包括：

44、系留地面設(shè)備：包括搖臂滑輪組、系留線、系留箱絞盤以及pwm信號發(fā)生器；其中，搖臂滑輪組配置有雙電位器，用于采集位移電信號；pwm信號發(fā)生器用于根據(jù)位移電信號生成z軸pwm信號，并分為兩路，一路傳輸至絞盤電調(diào)，另一路傳輸至無人機(jī)；

45、無人機(jī)：包括飛控系統(tǒng)、xy搖桿以及信號合并模塊；xy搖桿用于根據(jù)其與系留線的夾角差，生成xy軸pwm信號；信號合并模塊用于接收系留地面設(shè)備發(fā)送的z軸pwm信號，并與xy軸pwm信號合并為三維控制信號；

46、切換執(zhí)行單元：包括第一、第二遙控繼電器以及遙控器；第一、第二遙控繼電器均配置兩組聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)；第一遙控繼電器用于控制飛控系統(tǒng)所接收的控制信號，第二遙控繼電器用于控制絞盤電調(diào)所接收的控制信號；遙控器用于發(fā)出無人機(jī)的遙控信號以及通過控制遙控繼電器的導(dǎo)通或斷開，使無人機(jī)進(jìn)入第一或第二控制模式。

47、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

48、（1）雙模式協(xié)同控制，提升操作靈活性

49、通過第一控制模式（常規(guī)遙控+自動(dòng)收放線）與第二控制模式（線控跟隨+手動(dòng)干預(yù)）的動(dòng)態(tài)切換，兼顧自動(dòng)化作業(yè)與高精度手動(dòng)控制需求。例如，第二控制模式可通過拉拽系留線實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全方位跟隨，收線降落階段達(dá)成全同步降落，大幅降低操作難度。

50、（2）環(huán)境與機(jī)械特性自適應(yīng)修正，提高控制精度

51、溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償：基于環(huán)境溫度實(shí)時(shí)修正系留線彈性模量，解決傳統(tǒng)固定參數(shù)模型在不同溫度下的張力檢測誤差過大的問題。

52、光照與擺動(dòng)干擾抑制：通過雙目視覺與機(jī)械位移傳感器數(shù)據(jù)融合，結(jié)合光照區(qū)間化增強(qiáng)算法（低光對數(shù)增強(qiáng)、高光動(dòng)態(tài)壓縮）及擺動(dòng)頻率-剛度映射模型，降低水平位置檢測誤差。

53、（3）多源數(shù)據(jù)融合與動(dòng)態(tài)建模，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性

54、采用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建夾角差-坐標(biāo)非線性映射模型，結(jié)合卡爾曼濾波動(dòng)態(tài)調(diào)整狀態(tài)協(xié)方差矩陣，實(shí)現(xiàn)預(yù)測坐標(biāo)的實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償；引入變步長lms自適應(yīng)濾波與小波變換主動(dòng)減振技術(shù)，有效抑制系留線高頻振動(dòng)，確保復(fù)雜環(huán)境下的信號穩(wěn)定性。

55、（4）非線性解耦與前饋控制，優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)

56、通過系留線展開長度與無人機(jī)速度的耦合系數(shù)矩陣實(shí)現(xiàn)xyz三軸非線性解耦，引入動(dòng)力學(xué)逆模型預(yù)測位置偏差并生成前饋補(bǔ)償量，使軌跡跟蹤滯后時(shí)間縮短；設(shè)計(jì)擺動(dòng)頻率觸發(fā)的多模態(tài)保護(hù)邏輯（如>3hz時(shí)啟動(dòng)恒張力優(yōu)先模式），避免共振引發(fā)的姿態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

57、綜上，本發(fā)明通過控制模式創(chuàng)新、環(huán)境自適應(yīng)算法及動(dòng)態(tài)協(xié)同機(jī)制，顯著提升了系留無人機(jī)的操作便捷性、控制精度與環(huán)境適應(yīng)性，可廣泛應(yīng)用于各種高精度作業(yè)場景。

58、下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。