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

背景技術：

1、傳統(tǒng)系留無人機控制技術中，普遍存在控制模式單一、人機協(xié)同性不足、環(huán)境適應性差等問題，具體表現為以下方面：

2、一、控制模式與操作協(xié)同性局限

3、現有技術多依賴遙控器實現無人機與絞盤收放線的獨立控制，需人工同步調整飛行器姿態(tài)與系留線張力，操作復雜度高且易因響應延遲引發(fā)安全風險。例如，傳統(tǒng)系統(tǒng)缺乏雙模式聯(lián)動機制，在常規(guī)遙控場景與近距離精細跟隨場景中無法靈活切換，導致特定作業(yè)（如應急手動干預、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（如溫度每升高10℃，部分材料彈性模量下降2%-5%），傳統(tǒng)固定參數模型在不同溫度環(huán)境（-20℃至60℃）下易導致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、光照與擺動干擾：水平位置檢測依賴單一傳感器（如視覺或機械角度傳感器），易受環(huán)境干擾：

7、視覺傳感器在強光過曝或低光噪點場景下，系留線像素坐標提取偏差增大；

8、機械位移傳感器因系留線高頻擺動（0.5-5hz）和彈性形變，導致夾角差數據非線性失真，傳統(tǒng)線性擬合模型難以補償此類誤差。

9、三、傳感器數據處理缺陷

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端，因系留線長度變化導致重量改變而引發(fā)的電位器中位值漂移問題。

11、四、控制耦合與動態(tài)響應滯后

12、傳統(tǒng)系統(tǒng)未考慮系留線展開長度與無人機速度的動態(tài)耦合效應，xy軸水平控制與z軸垂直控制存在交叉干擾；缺乏前饋預測機制，位置響應滯后于風擾變化，導致軌跡偏移；且未設計基于擺動頻率的多模態(tài)保護邏輯，共振場景下（如擺動頻率超過3hz）易引發(fā)姿態(tài)失穩(wěn)或線纜纏繞風險。

13、上述問題導致傳統(tǒng)系留無人機在復雜工況下適應性差、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)同精度的動態(tài)控制方案。

技術實現思路

1、為了克服現有技術的不足，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)系留無人機控制中存在的控制模式單一、人機協(xié)同性不足、環(huán)境干擾適應性差及控制精度有限的技術問題。

2、為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

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

4、通過系留地面設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模型利用實時采集的系留線環(huán)境溫度數據生成動態(tài)彈性模量，并結合位移電信號生成表征拉拽的z軸pwm信號；

6、通過無人機上的xy搖桿與系留線的夾角差，基于夾角差-坐標映射模型和動態(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以控制收放線速度，另一路傳輸至無人機，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為第一聯(lián)動組，將三維控制信號與絞盤手動信號設為第二聯(lián)動組；

9、通過第一、第二遙控繼電器導通第一聯(lián)動組、斷開第二聯(lián)動組時，無人機進入第一控制模式；導通第二聯(lián)動組，斷開第一聯(lián)動組時，無人機進入第二控制模式。

10、優(yōu)選的，進入第一控制模式時，無人機接收遙控信號，同時絞盤電調接收絞盤電位器信號，進行無人機xyz三軸方向遙控控制，以及在z軸pwm信號中疊加張力波動抑制因子進行絞盤電機自動正反轉收放線；

11、進入第二控制模式時，無人機接收三維控制信號，同時絞盤電調接收絞盤手動信號，當絞盤手動收線時，通過pwm信號發(fā)生器輸出表征下降的z軸pwm信號，當絞盤手動放線時，通過pwm信號發(fā)生器輸出表征上升的z軸pwm信號，并結合xy軸pwm信號，生成新的三維控制信號，基于非線性解耦進行無人機xyz三軸的線控跟隨。

12、優(yōu)選的，生成xy軸pwm信號時，包括：

13、通過無人機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；

14、通過xy搖桿的機械位移傳感器獲取搖桿偏轉角度的模擬信號，轉換為夾角差數據；

15、基于環(huán)境光照強度、擺動頻率分別修正像素坐標、夾角差數據，并輸入基于bp神經網絡構建的夾角差-坐標映射模型，輸出預測xy坐標；

16、通過卡爾曼濾波算法對預測xy坐標進行實時誤差補償，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根據實時誤差動態(tài)調整。

18、優(yōu)選的，基于環(huán)境光照強度修正像素坐標時，包括：

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

20、對處理后的環(huán)境光照強度樣本計算樣本方差，當方差小于等于設定值時，直接取均值作為當前光照強度，當方差大于設定值時，啟動中值濾波處理，剔除異常值后取均值作為當前光照強度；

21、根據當前光照強度查詢預設的區(qū)間補償系數，并結合當前光照強度與標準參考光照強度的對數運算結果對像素坐標進行非線性映射修正。

22、優(yōu)選的，基于擺動頻率修正夾角差數據時，包括：

23、獲取系留線在不同張力下的固有頻率曲線，建立擺動頻率-剛度映射模型；

24、實時采集系留線當前擺動頻率，通過擺動頻率-剛度映射模型計算當前等效剛度系數，并與標準剛度系數比對，生成剛度修正系數λ；

25、將夾角差數據乘以剛度修正系數λ，同時引入擺動相位補償項進行修正；

26、采用變步長lms自適應濾波器對修正后的夾角差數據進行降噪處理，步長因子μ根據擺動頻率動態(tài)調整。

27、優(yōu)選的，輸出預測xy坐標時，包括：

28、通過輸入層對修正后的像素坐標賦予基于區(qū)間補償系數的動態(tài)權重，對修正后的夾角差數據賦予基于剛度修正系數λ的動態(tài)權重，且權重分配比例通過梯度下降算法實時優(yōu)化；

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

30、其中，還包括：基于高斯噪聲、隨機縮放以及生成對抗網絡的對抗性訓練樣本集構建步驟，以及基于坐標誤差計算、貝葉斯優(yōu)化算法更新以及學習率動態(tài)調整的模型在線迭代優(yōu)化步驟。

31、優(yōu)選的，進行實時誤差補償時，包括：

32、當無人機gps實測xy坐標與濾波輸出xy坐標的均方根誤差連續(xù)多個采樣周期大于設定值時，啟動卡爾曼增益k的自適應優(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等級，并賦予對應k值的調整系數；當誤差等級從低、中誤差躍遷至高誤差時，觸發(fā)強跟蹤因子t對卡爾曼濾波的狀態(tài)協(xié)方差矩陣p進行加權修正。

34、優(yōu)選的，疊加張力波動抑制因子時，包括：

35、采集系留線張力的高頻波動分量，通過小波變換分解為3層頻帶；

36、對各頻帶分量進行自適應閾值降噪，保留表征線纜彈性振動的有效頻段；

37、將降噪后的波動分量轉換為反向補償pwm信號，并與z軸pwm信號進行線性疊加；

38、其中，反向補償pwm信號的幅值與張力波動的均方根值呈正相關，相位滯后設定為90°以實現主動減振。

39、優(yōu)選的，進行無人機xyz三軸的線控跟隨時，包括：

40、通過系留線展開長度與無人機實時速度的耦合系數矩陣，對xy軸pwm信號與z軸pwm信號進行非線性解耦處理，其中耦合系數矩陣基于系留線彈性系數模型動態(tài)更新；

41、引入無人機動力學逆模型，根據當前三維控制信號預測無人機位置偏差，并生成前饋補償量疊加至控制信號中，補償量幅值與系留線張力波動的一階導數呈正相關；

42、當系留線擺動頻率超過設定值時，降低xy軸控制權重并啟動姿態(tài)角限幅保護，同時z軸控制切換為恒張力優(yōu)先模式，并通過pid參數自整定算法控制張力波動。

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

44、系留地面設備：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，另一路傳輸至無人機；

45、無人機：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)動觸點；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所接收的控制信號；遙控器用于發(fā)出無人機的遙控信號以及通過控制遙控繼電器的導通或斷開，使無人機進入第一或第二控制模式。

47、相比現有技術，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+自動收放線）與第二控制模式（線控跟隨+手動干預）的動態(tài)切換，兼顧自動化作業(yè)與高精度手動控制需求。例如，第二控制模式可通過拉拽系留線實現無人機全方位跟隨，收線降落階段達成全同步降落，大幅降低操作難度。

50、（2）環(huán)境與機械特性自適應修正，提高控制精度

51、溫度動態(tài)補償：基于環(huán)境溫度實時修正系留線彈性模量，解決傳統(tǒng)固定參數模型在不同溫度下的張力檢測誤差過大的問題。

52、光照與擺動干擾抑制：通過雙目視覺與機械位移傳感器數據融合，結合光照區(qū)間化增強算法（低光對數增強、高光動態(tài)壓縮）及擺動頻率-剛度映射模型，降低水平位置檢測誤差。

53、（3）多源數據融合與動態(tài)建模，增強系統(tǒng)魯棒性

54、采用bp神經網絡構建夾角差-坐標非線性映射模型，結合卡爾曼濾波動態(tài)調整狀態(tài)協(xié)方差矩陣，實現預測坐標的實時誤差補償；引入變步長lms自適應濾波與小波變換主動減振技術，有效抑制系留線高頻振動，確保復雜環(huán)境下的信號穩(wěn)定性。

55、（4）非線性解耦與前饋控制，優(yōu)化動態(tài)響應

56、通過系留線展開長度與無人機速度的耦合系數矩陣實現xyz三軸非線性解耦，引入動力學逆模型預測位置偏差并生成前饋補償量，使軌跡跟蹤滯后時間縮短；設計擺動頻率觸發(fā)的多模態(tài)保護邏輯（如>3hz時啟動恒張力優(yōu)先模式），避免共振引發(fā)的姿態(tài)失穩(wěn)風險。

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

58、下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。