TWI748849B - 無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置 - Google Patents

Abstract

一種無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，係設置在數個無人機上，該些無人機包括一領航無人機與至少一跟隨無人機，而每一無人機各自包括一煙管、一無線通訊機構、一無人機（Unmanned aerial vehicle, UAV）與煙向控制機構、以及一認知規劃決策機構所構成。藉此，本發明所提無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置係將各項影響拉煙效果的因素，包含：風速、風向、航向角、航速、煙垂墜速度與方向等進行人工智慧演算，可幫助無人機改善控制、導航與路徑規劃等功能，獲得各項因素的飛行參數，從而使拉煙效果達到最佳。

Description

無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置

本發明係有關於一種無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，尤指涉 及一種在空中飛行拉煙表演時，利用對無人機編隊飛行即時修正飛行姿態，特別係指可在飛行的過程當中適時修正拉煙方向，使飛行表演能夠在兼顧多變的編隊展演時，亦能同步修正拉煙方向及有效降低成本者。

每當重大慶典時飛機編隊飛行時，每架飛機都裝有拉煙器，煙霧 拉過天空猶如在天上畫下彩色的線條萬分壯觀，然而要出動飛機所費不貲，由於近年無人機技術發展日益成熟，但相較飛機而言，無人機飛行速度慢，無法像飛機（如：偵測機）一飛就可以在天空拉出一道道漂亮長尾的煙霧，無人機因航速慢，當噴煙的速度不夠快時，使得無人機在進行飛行表演時煙噴離拉煙筒後就歪斜了，無法在拉煙演示後留下筆直的煙霧，降低展演的美感。

由此可見，上述現有的方式，顯然仍存在不便與缺陷，而有待加 以進一步改進之必要。因此，在空中飛行拉煙表演時，如何能夠兼顧多變的編隊展演、修正拉煙方向及節省成本等問題，則成為了業界需要解決的問題。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提 供一種將各項影響拉煙效果的因素，包含：風速、風向、航向角、航速、煙垂 墜速度與方向等進行人工智慧演算，可幫助無人機改善控制、導航與路徑規劃等功能，獲得各項因素的飛行參數，從而使拉煙效果達到最佳之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置。

為達以上之目的，本發明係一種無人機編隊飛行拉煙特技控制裝 置，係設置在數個無人機上，該些無人機包括一領航無人機與至少一跟隨無人機，而每一無人機各自包括：一煙管，用以將煙霧噴出配合機體飛行姿態提供一拉煙效果；一無線通訊機構，用以星狀（mesh）無線通訊形式與其它無人機溝通連結並傳送資訊；一無人機（Unmanned aerial vehicle, UAV）與煙向控制機構，連接該無線通訊機構，用以接收一煙向修正飛行編隊訊號以在飛行過程中即時進行機體飛行姿態修正該煙管之拉煙方向，並通過該無線通訊機構傳送該煙向修正飛行編隊訊號給其它無人機使用；以及一認知規劃決策機構，具有人工智慧程式，用以提供該煙向修正飛行編隊訊號給該UAV與煙向控制機構；其中，每一無人機中的該認知規劃決策機構包括連接該無線通訊機構之一任務姿態認知模組、連接該任務姿態認知模組之一協同策略規劃模組、及連接該UAV與煙向控制機構、該無線通訊機構、與該協同策略規劃模組之一飛行行為決策模組，該任務姿態認知模組透過該無線通訊機構接收其它無人機之歐拉角及其位置訊號，根據每一無人機之座標位置及其煙管之座標位置，計算在該些無人機中該領航無人機與該至少一跟隨無人機之間的相對座標位置，產生該領航無人機與該至少一跟隨無人機之編隊資訊，並利用該協同策略規劃模組在該無人機飛行時提供該無人機的即時姿態資料，通過計算歐拉角取得該無人機在每個時間點的位置與定向，同時透過該無線通訊機構接收其它無人機之歐拉角以得到每一無人機飛行姿態，再由該飛行行為決策模組根據風力與所得之歐拉角進行計算以產生該煙向修正飛行編隊訊號並傳送給該UAV與煙向控制機構，該UAV與煙向控制機構根據該煙向修正飛行編隊訊號指示控制機體飛行姿態，藉以修正該煙管之拉煙方向。

於本發明上述實施例中，該任務姿態認知模組係連接一風向風速 計，接收該風向風速計即時測量飛行過程中的一風向角與風速資料。

於本發明上述實施例中，該任務姿態認知模組係連接一編隊資料 庫，其記錄有數筆不同隊伍的編隊參數，提供該任務姿態認知模組選擇所需隊伍的編隊參數進行運算以產生該編隊資訊。

於本發明上述實施例中，該任務姿態認知模組具有一座標系統單 元及一編隊系統單元，該座標系統單元用以判斷出無人機之座標位置及其煙管之座標位置，該編隊系統單元根據欲編排的隊伍形式計算出在該些無人機中該領航無人機與該至少一跟隨無人機之間的相對座標位置，產生該領航無人機與該至少一跟隨無人機之編隊資訊。

於本發明上述實施例中，該協同策略規劃模組所得之歐拉角係使 用Φ、θ與ψ的3個獨立參數來描述空間的旋轉，該Φ、θ與ψ分別為座標系按先後順序繞x軸、y軸與z軸旋轉之角度，分別由橫滾角Φ、俯仰角θ與偏航角ψ組成。

於本發明上述實施例中，該無線通訊機構為一LoRa機構、一4G 機構、一WiFi機構、一藍牙（Bluetooth）機構、或其組合。

請參閱『第１圖～第５圖』所示，係分別為本發明無人機編隊飛 行拉煙特技控制裝置之基本架構示意圖、本發明無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置之細部架構示意圖、本發明機體及其煙管之座標位置示意圖、本發明領航無人機與至少一跟隨無人機之間的相對座標位置示意圖、以及本發明煙管拉煙之受力分析示意圖。如圖所示：本發明係一種無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，係設置在數個無人機１上，該些無人機１包括一領航無人機與至少一跟隨無人機，而每一無人機１各自包括一煙管２、一無線通訊機構３、一無人機（Unmanned aerial vehicle, UAV）與煙向控制機構４、以及一認知規劃決策機構５所構成。

上述所提之煙管２用以將煙霧噴出配合機體飛行姿態提供一拉 煙效果。

該無線通訊機構３用以星狀（mesh）無線通訊形式與其它無人 機１溝通連結並傳送資訊。其中，該無線通訊機構３可為一LoRa機構、一4G機構、一WiFi機構、一藍牙（Bluetooth）機構、或其組合。

該UAV與煙向控制機構４連接該無線通訊機構３，用以接收一 煙向修正飛行編隊訊號以在飛行過程中即時進行機體飛行姿態修正該煙管２之拉煙方向，並通過該無線通訊機構３傳送該煙向修正飛行編隊訊號給其它無人 機１使用。

該認知規劃決策機構５具有人工智慧程式，用以提供該煙向修正 飛行編隊訊號給該UAV與煙向控制機構４；其中，每一無人機１中的該認知規劃決策機構５包括連接該無線通訊機構３之一任務姿態認知模組５１、連接該任務姿態認知模組５１之一協同策略規劃模組５２、及連接該UAV與煙向控制機構４、該無線通訊機構３、與該協同策略規劃模組５２之一飛行行為決策模組５３，而該任務姿態認知模組５１具有一座標系統單元及一編隊系統單元（圖中未示），並與一編隊資料庫５１１連接。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置。

於一實施例中，本發明所提任務姿態認知模組５１係可與無人機 １上的一風向風速計（圖中未示）連接，接收該風向風速計即時測量飛行過程中的一風向角（θ _wind ）與風速（V _wind ）資料，如第２圖所示。

當運用時，該任務姿態認知模組５１以該座標系統單元判斷出無 人機之座標位置及其煙管之座標位置，配合第３圖所示，該無人機之座標位置為：

，

； 其中|B|為向量B之模，

為向量B與地面座標系軸

之夾角。 該煙管之座標位置為：

； 其中|S|為向量S之模，

向量S與機體座標系軸

之夾角。

該任務姿態認知模組５１可透過該無線通訊機構３接收其它無 人機１之歐拉角（Φ  、θ  、ψ  ）及其位置訊號，並根據每一無人機１之座標位置及其煙管２之座標位置，從該編隊資料庫５１１記錄數筆不同隊伍的編隊參數中選擇欲編排的隊伍形式的編隊參數，通過該編隊系統單元計算出在該些無人機１中該領航無人機與該至少一跟隨無人機之間的相對座標位置，產生該領航無人機與該至少一跟隨無人機之編隊資訊。配合第４圖所示，該領航無人機

地面座標位置為：

,

； 至少一跟隨無人機

之地面座標位置為：

,

； 該領航無人機

與該至少一跟隨無人機

地面座標係之相對座標位置為：

；

； 其中

將於編隊資料庫中表示為

，該編隊資料庫５１１資料結構定義如表一所示： 表一

Type

接著利用該協同策略規劃模組５２在該無人機１飛行時提供該 無人機１的即時姿態資料，通過計算歐拉角取得該無人機１在每個時間點的位置與定向，同時透過該無線通訊機構３接收其它無人機１之歐拉角以得到每一無人機飛行姿態。其中，所述歐拉角係使用Φ、θ 與ψ 的3個獨立參數來描述空間的旋轉，該Φ、θ 與ψ分別為座標系按先後順序繞x軸、y軸與z軸旋轉之角度，分別由橫滾角Φ、俯仰角θ 與偏航角ψ 組成，各軸旋轉矩陣分別定義為：

；

；

； 地理座標系統與機體座標系統的轉換矩陣為：

；

最後由該飛行行為決策模組５３根據風力與所得之歐拉角進行 計算以產生該煙向修正飛行編隊訊號並傳送給該UAV與煙向控制機構４，該UAV與煙向控制機構４根據該煙向修正飛行編隊訊號指示控制機體飛行姿態，藉以修正該煙管２之拉煙方向。配合第５圖所示，該飛行行為決策模組５３在 煙之受力分析中，作用於煙的力有三個來源：風力

、重力G 與空氣阻力

，將作用於煙的合外力以地面座標系為參考座標可表示為：

；

由於重力G與空氣阻力

對於煙而言可以視為0，故簡化公式為：

=

； 由於橫滾角ϕ=0，進而簡化公式為：

=

藉此，本發明所提無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置係將各項影 響拉煙效果的因素，包含：風速、風向、航向角、航速、煙垂墜速度與方向等進行人工智慧演算，可幫助無人機改善控制、導航與路徑規劃等功能，獲得各項因素的飛行參數，從而使拉煙效果達到最佳。

因此，本裝置係涉及一種使用人工智慧對無人機進行編隊飛行、 拉煙之特技控制系統，可提供下列功效： 1.可藉由無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置取代傳統飛機拉煙表演。 2.無人機編隊飛行控制可應用於其他需要多機協同作業的場合。 3.煙向控制亦可衍生為投掛、丟擲等功能之控制機構。

綜上所述，本發明係一種無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，可 有效改善習用之種種缺點，在空中飛行拉煙表演時，利用對無人機編隊飛行即 時修正飛行姿態，可在飛行的過程當中適時修正拉煙方向，使飛行表演能夠在兼顧多變的編隊展演時，亦能同步修正拉煙方向及有效降低成本，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定 本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

１:無人機 ２:煙管 ３:無線通訊機構 ４:UAV與煙向控制機構 ５:認知規劃決策機構 ５１:任務姿態認知模組 ５１１:編隊資料庫 ５２:協同策略規劃模組 ５３:飛行行為決策模組

第１圖，係本發明無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置之基本架構示意圖。 第２圖，係本發明無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置之細部架構示意圖。 第３圖，係本發明機體及其煙管之座標位置示意圖。 第４圖，係本發明領航無人機與至少一跟隨無人機之間的相對座標位置示意圖。 第５圖，係本發明煙管拉煙之受力分析示意圖。

1:無人機

2:煙管

3:無線通訊機構

4:UAV與煙向控制機構

5:認知規劃決策機構

Claims (6)

1. 一種無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，係設置在數個無人機上，該些無人機包括一領航無人機與至少一跟隨無人機，而每一無人機各自包括： 一煙管，用以將煙霧噴出配合機體飛行姿態提供一拉煙效果； 一無線通訊機構，用以星狀（mesh）無線通訊形式與其它無人機溝通連結並傳送資訊； 一無人機（Unmanned aerial vehicle, UAV）與煙向控制機構，連接該無線通訊機構，用以接收一煙向修正飛行編隊訊號以在飛行過程中即時進行機體飛行姿態修正該煙管之拉煙方向，並通過該無線通訊機構傳送該煙向修正飛行編隊訊號給其它無人機使用；以及 一認知規劃決策機構，具有人工智慧程式，用以提供該煙向修正飛行編隊訊號給該UAV與煙向控制機構；其中，每一無人機中的該認知規劃決策機構包括連接該無線通訊機構之一任務姿態認知模組、連接該任務姿態認知模組之一協同策略規劃模組、及連接該UAV與煙向控制機構、該無線通訊機構、與該協同策略規劃模組之一飛行行為決策模組，該任務姿態認知模組透過該無線通訊機構接收其它無人機之歐拉角及其位置訊號，根據每一無人機之座標位置及其煙管之座標位置，計算在該些無人機中該領航無人機與該至少一跟隨無人機之間的相對座標位置，產生該領航無人機與該至少一跟隨無人機之編隊資訊，並利用該協同策略規劃模組在該無人機飛行時提供該無人機的即時姿態資料，通過計算歐拉角取得該無人機在每個時間點的位置與定向，同時透過該無線通訊機構接收其它無人機之歐拉角以得到每一無人機飛行姿態，再由該飛行行為決策模組根據風力與所得之歐拉角進行計算以產生該煙向修正飛行編隊訊號並傳送給該UAV與煙向控制機構，該UAV與煙向控制機構根據該煙向修正飛行編隊訊號指示控制機體飛行姿態，藉以修正該煙管之拉煙方向。
2. 依申請專利範圍第１項所述之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，其中，該任務姿態認知模組係連接一風向風速計，接收該風向風速計即時測量飛行過程中的一風向角與風速資料。
3. 依申請專利範圍第１項所述之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，其中，該任務姿態認知模組係連接一編隊資料庫，其記錄有數筆不同隊伍的編隊參數，提供該任務姿態認知模組選擇所需隊伍的編隊參數進行運算以產生該編隊資訊。
4. 依申請專利範圍第１項所述之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，其中，該任務姿態認知模組具有一座標系統單元及一編隊系統單元，該座標系統單元用以判斷出無人機之座標位置及其煙管之座標位置，該編隊系統單元根據欲編排的隊伍形式計算出在該些無人機中該領航無人機與該至少一跟隨無人機之間的相對座標位置，產生該領航無人機與該至少一跟隨無人機之編隊資訊。
5. 依申請專利範圍第１項所述之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，其中，該協同策略規劃模組所得之歐拉角係使用Φ、θ 與ψ 的3個獨立參數來描述空間的旋轉，該Φ、θ 與ψ 分別為座標系按先後順序繞x軸、y軸與z軸旋轉之角度，分別由橫滾角Φ、俯仰角θ與偏航角ψ組成。
6. 依申請專利範圍第１項所述之無人機編隊飛行拉煙特技控制裝置，其中，該無線通訊機構為一LoRa機構、一4G機構、一WiFi機構、一藍牙（Bluetooth）機構、或其組合。

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