本技术涉及无人机，尤其是涉及一种无人机飞行控制方法、装置及系统。
背景技术：
1、在无人机行业高速发展的背景下，无人机硬件已经相对成熟，而区别无人机实际性能优劣的最重要属性，就是与自主控制飞行的计算核心相适配的软件程序。无人机在空中执行任务时，需要配套软件程序驱动无人机完成飞行任务，并兼顾无人机的安全和效率。在无人机控制方面，基于传统控制的策略经过了多年研究，已经形成了一些常用可靠的算法，但传统方法更新迭代较慢、灵活性差。
2、在人工智能新兴思路的浪潮下，运行时保证技术(rta，runtime assurance)，是一种面向各行业复杂系统的新兴技术，初步解决了一些系统行为难预测，难解释和不安全的问题，在未来具有很大的发展空间。对于无人机领域来说，飞行安全和效率是极为重要的，传统的无人机自动驾驶功能具有行业设计保证，在安全方面具有一定的保障，但在未来试图实现更加完全自主的自动驾驶功能时，传统的基于规则的自动驾驶算法将达到极限，无法适应更智能化的自动驾驶场景。
技术实现思路
1、本技术的目的在于提供一种无人机飞行控制方法、装置及系统，通过交互运行时保证系统中的四个模块，依次基于无人机实时反馈的状态信息，确定无人机当前所处位置的安全程度，进而进行功能控制策略的切换，实现对无人机的循环交互控制过程，提供更好的系统安全性保证，能够有效缓解无人机在飞行环境中运行发生预期功能安全问题导致的严重运行风险。
2、第一方面，本技术提供一种无人机飞行控制方法，方法应用于交互运行时保证系统，交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；方法包括：循环执行以下四模块交互的无人机飞行控制步骤，直到到达任务计划模块确定的目标位置：通过任务计划模块中的rta系统，实时获取无人机的第一当前位置姿态信息；根据第一当前位置姿态信息和预设的运行设计域，判断无人机当前所处的目标安全域位置；其中，运行设计域包括：多个不规则环嵌套形成的不同安全程度的安全域；根据目标安全域位置的安全程度，确定第一目标功能控制策略；按照第一目标功能控制策略，生成无人机的飞行任务计划信息，并发送至飞行管理模块；目标功能控制策略包括：复杂功能控制策略或备用功能控制策略；将飞行管理模块作为当前级模块，执行以下信息生成传输步骤：通过当前级模块中的rta系统，实时获取无人机的第二当前位置姿态信息；根据第二当前位置姿态信息和上一级模块输出信息，确定第二目标功能控制策略；按照第二目标功能控制策略，生成目标信息输出至下一级模块；将下一级模块重新作为当前级模块，继续执行信息生成传输步骤，直到内环控制模块完成信息生成传输步骤，使无人机按照生成的飞行控制指令进行飞行。
3、进一步地，上述运行设计域包括：在状态空间s中划分的安全程度依次增大的第一安全域、第二安全域和第三安全域，第一安全域被定义为sdsafe,第二安全域和第三安全域的交界处为转换开关条件边界；其中，第三安全域为不规则圆形区域；第三安全域表示对于该区域任何一个点，rta系统可以将任何命令从复杂功能控制策略传递到无人机至少指定秒的时间内，不退出第二安全域；第二安全域为第三安全域周围的不规则环状区域；第二安全域表示对于该区域任意一点，rta转换开关可以激活备用功能控制系统，以维持对无人机的控制，并在预设时间内将无人机驱动到状态空间的期望区域中；其中，期望区域和预设时间与回归系统的设计有关；回归系统被设计为在预设时间内将无人机驱动到期望区域内；第一安全域为第二安全域周围的不规则环状区域，表示状态空间中任一点位于sdsafe内。
4、进一步地，上述rta系统中包括选择器；根据目标安全域位置的安全程度，确定目标功能控制策略的步骤，包括：如果目标安全域位置处于第三安全域，则将复杂功能控制策略确定为目标功能控制策略；如果目标安全域位置处于第二安全域或第一安全域，则将备用功能控制策略确定为目标功能控制策略；如果目标安全域位置处于第三安全域和第二安全域的交界处，则将与当前功能控制策略不同的功能控制策略，确定为目标功能控制策略，通过选择器进行功能控制策略的切换；其中，复杂功能控制策略为高性能算法控制策略；备用功能控制策略为传统民航功能控制策略。
5、进一步地，上述根据第二当前位置姿态信息和上一级模块输出信息，确定第二目标功能控制策略的步骤，包括：根据第二当前位置姿态信息和上一级模块输出信息，分别确定两种功能控制策略下的无人机飞行安全性；将无人机飞行安全性较高的功能控制策略，确定为第二目标功能控制策略；如果两种功能控制策略对应的无人机飞行安全性相同，则将使无人机飞行性能更高的功能控制策略，确定为第二目标功能控制策略。
6、进一步地，上述任务计划模块生成的飞行任务计划信息包括：目标位置以及期望到达时间；飞行管理模块生成的目标信息包括：航路点位置以及任务段到航路点的期望空速；引导定律模块生成的目标信息包括：当前航路点到下一航路点对应的航向指令；内环控制模块生成的目标信息包括：无人机的飞行控制指令。
7、进一步地，上述内环控制模块向无人机发送的飞行控制指令为推力指令，以使无人机基于三自由度uas模型的运动控制方程对推力指令进行运算，得到无人机控制参数；无人机控制参数包括：与当地空气质量相关的空速、航迹角和航向角状态；基于对影响飞行器路径的定常风进行建模得到的模型对无人机参数进行优化，得到相对于惯性参考系的空速、航迹角和航向角状态；通过相对于惯性参考系的空速、航迹角和航向角状态控制无人机飞行。
8、进一步地，上述rta系统包括监视器；每个rta系统中的监视器在一个具有交互的、嵌套的反馈级别的模块中执行的主要检查包括以下中的多项：安全检查、输出检查、性能检查、输入检查、环境检查和系统硬件健康检查；内环控制模块和引导定律模块，均配置有安全关键类型的rta监视器；飞行管理模块和任务计划模块，均配置有性能/任务关键类型的rta监视器。
9、第二方面，本技术还提供一种无人机飞行控制装置，装置应用于交互运行时保证系统，交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；装置包括：交互循环控制模块，用于循环执行以下四模块交互的无人机飞行控制步骤，直到到达任务计划模块确定的目标位置：通过任务计划模块中的rta系统，实时获取无人机的第一当前位置姿态信息；根据第一当前位置姿态信息和预设的运行设计域，判断无人机当前所处的目标安全域位置；其中，运行设计域包括：多个不规则环嵌套形成的不同安全程度的安全域；根据目标安全域位置的安全程度，确定第一目标功能控制策略；按照第一目标功能控制策略，生成无人机的飞行任务计划信息，并发送至飞行管理模块；目标功能控制策略包括：复杂功能控制策略或备用功能控制策略；将飞行管理模块作为当前级模块，执行以下信息生成传输步骤：通过当前级模块中的rta系统，实时获取无人机的第二当前位置姿态信息；根据第二当前位置姿态信息和上一级模块输出信息，确定第二目标功能控制策略；按照第二目标功能控制策略，生成目标信息输出至下一级模块；将下一级模块重新作为当前级模块，继续执行信息生成传输步骤，直到内环控制模块完成信息生成传输步骤，使无人机按照生成的飞行控制指令进行飞行。
10、第三方面，本技术还提供一种无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统包括交互运行时保证系统，交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；rta系统包括：监视器、选择器、备用功能控制策略和复杂功能控制策略；交互运行时保证系统用于执行如第一方面所述的方法。
11、第四方面，本技术还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述第一方面所述的方法。
12、本技术提供的无人机飞行控制方法、装置及系统中，方法应用于交互运行时保证系统，交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；方法包括：循环执行以下四模块交互的无人机飞行控制步骤，直到到达任务计划模块确定的目标位置：通过任务计划模块中的rta系统，实时获取无人机的第一当前位置姿态信息；根据第一当前位置姿态信息和预设的运行设计域，判断无人机当前所处的目标安全域位置；其中，运行设计域包括：多个不规则环嵌套形成的不同安全程度的安全域；根据目标安全域位置的安全程度，确定第一目标功能控制策略；按照第一目标功能控制策略，生成无人机的飞行任务计划信息，并发送至飞行管理模块；目标功能控制策略包括：复杂功能控制策略或备用功能控制策略；将飞行管理模块作为当前级模块，执行以下信息生成传输步骤：通过当前级模块中的rta系统，实时获取无人机的第二当前位置姿态信息；根据第二当前位置姿态信息和上一级模块输出信息，确定第二目标功能控制策略；按照第二目标功能控制策略，生成目标信息输出至下一级模块；将下一级模块重新作为当前级模块，继续执行信息生成传输步骤，直到内环控制模块完成信息生成传输步骤，使无人机按照生成的飞行控制指令进行飞行。本技术通过交互运行时保证系统中的四个模块，依次基于无人机实时反馈的状态信息，确定无人机当前所处位置的安全程度，进而进行功能控制策略的切换，实现对无人机的循环交互控制过程，提供更好的系统安全性保证，能够有效缓解无人机在飞行环境中运行发生预期功能安全问题导致的严重运行风险。
1.一种无人机飞行控制方法，其特征在于，所述方法应用于交互运行时保证系统，所述交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行设计域包括：在状态空间s中划分的安全程度依次增大的第一安全域、第二安全域和第三安全域，所述第一安全域被定义为sdsafe,所述第二安全域和所述第三安全域的交界处为转换开关条件边界；
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述rta系统中包括选择器；根据目标安全域位置的安全程度，确定目标功能控制策略的步骤，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第二当前位置姿态信息和上一级模块输出信息，确定第二目标功能控制策略的步骤，包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述任务计划模块生成的飞行任务计划信息包括：目标位置以及期望到达时间；所述飞行管理模块生成的目标信息包括：航路点位置以及任务段到航路点的期望空速；所述引导定律模块生成的目标信息包括：当前航路点到下一航路点对应的航向指令；所述内环控制模块生成的目标信息包括：无人机的飞行控制指令。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内环控制模块向无人机发送的飞行控制指令为推力指令，以使无人机基于三自由度uas模型的运动控制方程对所述推力指令进行运算，得到无人机控制参数；所述无人机控制参数包括：与当地空气质量相关的空速、航迹角和航向角状态；基于对影响飞行器路径的定常风进行建模得到的模型对所述无人机参数进行优化，得到相对于惯性参考系的空速、航迹角和航向角状态；通过相对于惯性参考系的空速、航迹角和航向角状态控制无人机飞行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述rta系统包括监视器；每个rta系统中的监视器在一个具有交互的、嵌套的反馈级别的模块中执行的主要检查包括以下中的多项：安全检查、输出检查、性能检查、输入检查、环境检查和系统硬件健康检查；所述内环控制模块和所述引导定律模块，均配置有安全关键类型的rta监视器；所述飞行管理模块和所述任务计划模块，均配置有性能/任务关键类型的rta监视器。
8.一种无人机飞行控制装置，其特征在于，所述装置应用于交互运行时保证系统，所述交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；所述装置包括：
9.一种无人机飞行控制系统，其特征在于，所述无人机飞行控制系统包括交互运行时保证系统，所述交互运行时保证系统包括：从上级到下级依次连接的任务计划模块、飞行管理模块、引导定律模块和内环控制模块；每个模块均与无人机通信连接；每个模块中均配置有rta系统；所述rta系统包括：监视器、选择器、备用功能控制策略和复杂功能控制策略；所述交互运行时保证系统用于执行如权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现权利要求1至7任一项所述的方法。
