CN104820431A - 多无人机集群对地观测***及其编队控制方法 - Google Patents

多无人机集群对地观测***及其编队控制方法 Download PDF

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CN104820431A CN201510233143.1A CN201510233143A CN104820431A CN 104820431 A CN104820431 A CN 104820431A CN 201510233143 A CN201510233143 A CN 201510233143A CN 104820431 A CN104820431 A CN 104820431A
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唐统国
侯俊
赵春晖
吕洋
朱海锋
张庆春
姜珊
祝凯旋
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Abstract

本发明公开了一种多无人机集群对地观测***及其编队控制方法，包括若干个无人机，在地面设置若干个地面站与各个无人机一一对应，各个地面站之间通过任务管理机进行信息交互；无人机发送航点信息至对应的地面站；各个地面站用于接收对应无人机发送来的航点信息，并将航点信息发送至任务管理机；任务管理机用于接收各个地面站发送来的航点信息，并根据航点信息对各个无人机进行队形控制，该***和方法能够通过精密编队实现在多种环境下的多模式、多角度、高可靠的数据获取能力，操作简单、高效，***稳定可靠。

Description

多无人机集群对地观测***及其编队控制方法
技术领域
本发明属于飞行控制技术领域，涉及一种多无人机集群对地观测***及编队控制方法。
背景技术
无人机是信息化的高技术武器装备特别适用于未来信息化战争，微小型无人机以其尺寸小、机动灵活、成本低等优势在军、民领域都具有广泛的应用前景。然而受制于载荷限制，单个无人机搭载的相机等传感器受制于视场角、遮挡等限制，无法完成快速、精确、全局的信息获取。
发明内容
本发明的目的是提供一种多无人机集群对地观测***及其编队控制方法，以解决目前单无人机对地观测效率低、成本高的问题。
本发明所采用的第一种技术方案是，多无人机集群对地观测***，包括若干个无人机，在地面设置若干个地面站与各个无人机一一对应，各个地面站之间通过任务管理机进行信息交互；
无人机发送航点信息至对应的地面站；各个地面站用于接收对应无人机发送来的航点信息，并将航点信息发送至任务管理机；任务管理机用于接收各个地面站发送来的航点信息，并根据航点信息对各个无人机进行队形控制。
进一步的，无人机上均设有飞行控制器，各个飞行控制器均用于加载航点信息并将其发送至对应的地面站。
进一步的，每个无人机上均设有传感器，各个传感器均通过图传发射机发送数据到多路视频处理***，多路视频处理***与任务管理机交互。
进一步的，任务管理机包括相互通信连接的飞行任务接口模块和DDS飞行任务数据解析中心；
飞行任务接口模块，用于规划无人机的编队指令，并将编队指令发送至DDS飞行任务数据解析中心，还用于接收DDS飞行任务数据解析中心反馈的无人机的实时编队信息，以调整飞行任务接口模块规划的编队指令；
DDS飞行任务数据解析中心，用于接收飞行任务接口模块发送来的编队指令，并将接收到的编队指令通过地面站发送至对应的无人机的飞行控制器，还用于将各个无人机反馈回来的无人机的实时编队信息发送给飞行任务接口模块。
进一步的，无人机的编队指令包括无人机的队形、航线和/或速度，传感器的指令信息包括传感器的状态和位姿。
本发明提供的第二种技术方案是，前述观测***的编队控制方法，由任务管理机中的飞行任务接口模块规划无人机的编队指令和传感器的指令信息，并将无人机的编队指令和传感器的指令信息经对应的地面站上传到对应的无人机。
进一步的，无人机的编队指令经对应地面站发送至对应飞行控制器上，由飞行控制器生成相应的机动指令来控制无人机以相应的速度飞到相应的位置；传感器的指令信息经对应地面站发送至对应无人机的飞行控制器上，并由飞行控制器把指令传递给传感器。
进一步的，无人机由操作人员通过遥控器手动起飞，待飞行平稳后手动切入到自动模式，由地面站发送的控制指令进行机动飞行。
进一步的，每个地面站和与其对应的无人机上均设置有一组通信电台，每组通信电台的频率一致，各组通信电台之间的频率不同。
进一步的，无人机的编队指令和传感器的指令信息均采用分布式数据分发协议，以自定义的数据格式传送给对应的地面站，自定义的数据格式见表：
表1.自定义的数据格式
      
字节 内容 值 注释
1 UAV_ID 1～5 无人机ID
2 Time_ID 0～65535 无人机时间标签
3 UAV_State 0～255 无人机状态
4 UAV_Pos LngLat 无人机方位
5 UAV_Att rad 无人机姿态
6 UAV_Vel m/s 无人机速度
7 UAV_Acc_Line m/s2 无人机线加速度
8 UAV_Acc rad/s2 无人机角加速度
本发明的有益效果是，多无人机集群对地观测***，能够通过精密编队实现在多种环境下的多模式、多角度、高可靠的数据获取能力，操作简单、高效，***稳定可靠。
附图说明
图1是本发明多无人机集群对地观测***的结构示意图。
1.无人机，2.地面站，3.任务管理机，4.飞行控制器，5.传感器，6.多路视频处理***，7.飞行任务接口模块，8.DDS飞行任务数据解析中心。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种多无人机集群对地观测***，包括若干个无人机1，在地面设置若干个地面站2与各个无人机1一一对应，各个地面站2之间通过任务管理机3进行信息交互；
其中，无人机1发送航点信息至对应的地面站2；各个地面站2用于接收对应无人机1发送来的航点信息，并将航点信息发送至任务管理机3；任务管理机3用于接收各个地面站2发送来的航点信息，并根据航点信息对各个无人机1进行队形控制。
每个无人机1上均设有飞行控制器4，各个飞行控制器4均用于加载航点信息并发送对应无人机状态数据至对应的地面站2。
每个无人机1上均设有传感器5，各个传感器5均通过图传发射机发送数据到多路视频处理***6，多路视频处理***6与任务管理机3交互。
任务管理机3包括相互通信连接的飞行任务接口模块7和DDS飞行任务数据解析中心8；飞行任务接口模块7，用于规划无人机的编队指令，并将编队指令发送至DDS飞行任务数据解析中心8，还用于接收DDS飞行任务数据解析中心8反馈的无人机1的实时编队信息，以调整飞行任务接口模块7规划的编队指令；DDS飞行任务数据解析中心8，用于接收飞行任务接口模块7发送来的编队指令，并将接收到的编队指令通过地面站2发送至对应的无人机的飞行控制器4，还用于将各个无人机1反馈回来的无人机1的实时编队信息发送给飞行任务接口模块7。
本发明还提供了一种上述观测***的编队控制方法，首先，将若干个传感器5定义为载荷层，若干个无人机1和飞行控制器4定义为执行层，任务管理机3和若干个地面站2定义为控制管理层，多路视频处理***6定义为感知数据管理层。
该编队控制方法包括以下步骤：
步骤S1、由任务管理机3中的飞行任务接口模块7规划无人机1的编队指令和传感器5的指令信息，其中，无人机1的编队指令包括无人机的队形、航线和速度，传感器5的指令信息包括传感器5的状态和位姿。
控制管理层中的飞行任务接口模块7根据任务的需求规划相应的队形，并运用编队控制算法生成各架无人机1的航线和速度。此外，控制管理层还生成载荷层中传感器5的状态、位姿的控制指令。
该步骤S1具体内容包括如下步骤：
S11、各架无人机1由操作人员通过遥控器手动起飞，待飞行平稳后手动切入到“自动”模式，此时无人机1处于地面站2控制状态，即无人机1接收地面站2发送的控制指令进行机动飞行。
S12、飞行任务接口模块7根据输入的任务需求，给出建议的编队队形，即集群飞行队形。例如需要进行大范围的搜索，则以直线方式编队飞行；如需要对某个目标进行多个方位的具体观测，则以三角形方式编队飞行等等。确定好编队队形后，由一致性多平台根据长机-僚机的控制策略生成各架无人机的控制指令。控制策略的具体描述如下所示。此时，控制管理层给载荷层的传感器5发控制指令，令传感器5开机并开始采集数据。
长机-僚机的控制策略：
Step1规划出长机的航迹点Xlcurrent；
Step2利用确定的编队队形算出当前僚机所在的理论位置Xfltheory；
Step3僚机的前一位置Xflflower；
Step4僚机向其理论位置进行机动飞行，Xflflower→Xfltheory,得到Xlcurrent；
Step5转到步骤Step1进行下一航迹点的规划。
步骤S2、将步骤S1中生成的各架无人机1的航线、速度以及载荷层中传感器5的控制指令以DDS协议(即分布式数据分发协议)传输给相应无人机1的地面站2，地面站2通过专用的通信电台把相应的航线和速度指令上传到相应的无人机1。
该步骤S2具体内容如下：步骤S1中生成的各种控制指令都用DDS协议(即分布式数据分发协议)，以自定义的数据格式传送给对应的地面站2，并由地面站2通过专用的通信电台发送给各架无人机1。
其中，DDS规范标准化了分布式实时***中数据发布、传递和接收的接口和行为，定义了以数据为中心的发布/订阅(Data-Centric Publish Subscribe)机制，提供了一个与平台无关的数据模型，该模型能够映射到各种具体的平台和编程语言。DDS规范的目的是简化分布式***中数据的有效发布，它主要应用在要求高性能、可预见性和对资源有效使用的关键任务领域。自定义的数据格式充分考虑了通信的鲁棒性和时间的延迟性，使得控制管理层和执行层之间的控制命令传输更加安全、可靠。自定义的数据格式如表1所示。
表1.自定义的数据格式
      
字节 内容 值 注释
1 UAV_ID 1～5 无人机ID
2 Time_ID 0～65535 无人机时间标签
3 UAV_State 0～255 无人机状态
4 UAV_Pos LngLat 无人机方位
      
      
5 UAV_Att rad 无人机姿态
6 UAV_Vel m/s 无人机速度
7 UAV_Acc_Line m/s2 无人机线加速度
8 UAV_Acc rad/s2 无人机角加速度
其中，UAV_State的状态信息有以下几种情况：
UAV_State＝0，连接还没有建立；
UAV_State＝255；建立连接，等待接收数据；
UAV_State＝1，保持高度；
UAV_State＝2，改变位置；
UAV_State＝500，开启发送数据按键；
UAV_State＝501，时间校准。
UAV_State＝911，紧急停止。
自定义的数据格式包含了时间标签，也就是充分考虑了数据传输的延迟与丢包问题，当多个无人机发送过来的数据的时间标签相差大于设定的阈值时，即要求各架无人机重新进行时间配准。数据格式也包含了无人机的状态，这样，总控端就可以明确当前无人机的状态，便于对无人机进行控制(如紧急状况的处理)、状态记录以及故障检查等。
步骤S3、执行层接收步骤S2中控制管理层发送过来的航线、速度指令，并输入给无人机1的飞行控制器4，由飞行控制器4生成相应的机动指令控制无人机1以相应的速度飞到相应的位置，并把接收的载荷层中传感5的控制指令传递给相应的机载传感器5。
该步骤S3具体内容包括如下步骤：
执行层接收地面站发送过来的各种控制指令时，考虑到是多架无人机同时接收多个地面站发送过来的控制指令，为了避免接收到不属于自己的控制指令，各组通信电台的收发装置的频率应该进行微调，使得同组通信电台的收发装置频率严格一致，不同组的电台频率不同。相应地，S4中各组图传的收发电台也应该进行相应的设置，使得各组电台之间不会产生影响。
步骤S4、载荷层接收执行层发送过来的控制指令，对传感器5进行相应的控制，如传感器5的开机，传感器5姿态的调整等，并把采集到的数据信息通过图传发射机发送到感知数据管理层。
步骤S5、感知数据管理层接收各架无人机机载传感器5发送的数据流，并把数据流传递给基于DM8168的多路视频处理***6，由处理***进行数据的处理和显示。
该步骤S5的具体内容为：
感知数据管理层接收各个图传发射机发送过来的视频信息，并把这些视频流信息输入给DM8168多路视频处理***6。该DM8168多路视频处理***6支持16路高清视频，其内部C674X DSP能够处理复杂的多路图像处理算法，根据任务需求的不同可以执行例如图像拼接，多目标检测和跟踪等。
本发明多无人机集群对地观测***，在军用领域，通过数以百计、千计的微型无人机能够实现快速构建战区立体化传感器网络，实现整个战场的全方位，多视角环境感知。在民用领域，多无人机可以实现大视场的环境监控，灾害快速反应、快速的地图生成，全局视频直播等任务。无人机编队协同能够使实现微小型无人机的效能最大化，不仅能够扩大其在军事领域的作战能力，也能在民用领域给国民经济带来巨大的推动作用。

Claims (10)

1.多无人机集群对地观测***，其特征在于，包括若干个无人机(1)，在地面设置若干个地面站(2)与所述的各个无人机(1)一一对应，所述各个地面站(2)之间通过任务管理机(3)进行信息交互；
所述无人机(1)发送航点信息至对应的地面站(2)；所述的各个地面站(2)用于接收对应无人机(1)发送来的航点信息，并将所述航点信息发送至任务管理机(3)；所述任务管理机(3)用于接收各个地面站(2)发送来的航点信息，并根据所述航点信息对各个无人机(1)进行队形控制。
2.如权利要求1所述的多无人机集群对地观测***，其特征在于，每个所述无人机(1)上均设有飞行控制器(4)，所述各个飞行控制器(4)均用于加载航点信息并将其发送至对应的地面站(2)。
3.如权利要求1或2所述的多无人机集群对地观测***，其特征在于，每个所述无人机(1)上均设有传感器(5)，所述各个传感器(5)均通过图传发射机发送数据到多路视频处理***(6)，所述的多路视频处理***(6)与任务管理机(3)交互。
4.如权利要求3所述的多无人机集群对地观测***，其特征在于，所述的任务管理机(3)包括相互通信连接的飞行任务接口模块(7)和DDS飞行任务数据解析中心(8)；
所述的飞行任务接口模块(7)，用于规划无人机的编队指令，并将所述的编队指令发送至DDS飞行任务数据解析中心(8)，还用于接收DDS飞行任务数据解析中心(8)反馈的无人机(1)的实时编队信息，以调整飞行任务接口模块(7)规划的编队指令；
所述的DDS飞行任务数据解析中心(8)，用于接收所述的飞行任务接口模块(7)发送来的编队指令，并将接收到的编队指令通过地面站(2)发送至对应的无人机的飞行控制器(4)，还用于将各个无人机(1)反馈回来的无人机(1)的实时编队信息发送给飞行任务接口模块(7)。
5.如权利要求4所述的所述的多无人机集群对地观测***，其特征在于，所述的无人机(1)的编队指令包括无人机的队形、航线和/或速度，所述的传感器(5)的指令信息包括传感器的状态和位姿。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的观测***的编队控制方法，其特征在于，由所述任务管理机(3)中的飞行任务接口模块(7)规划无人机(1)的编队指令和传感器(5)的指令信息，并将所述的无人机(1)的编队指令和传感器(5)的指令信息经对应的地面站(2)上传到对应的无人机(1)。
7.如权利要求6所述的所述的观测***的编队控制方法，其特征在于，所述的无人机(1)的编队指令经对应地面站(2)发送至对应飞行控制器(4)上，由所述的飞行控制器(4)生成相应的机动指令来控制无人机(1)以相应的速度飞到相应的位置；所述的传感器(5)的指令信息经对应地面站(2)发送至对应无人机(1)的飞行控制器(4)上，并由所述的飞行控制器(4)把指令传递给传感器(5)。
8.如权利要求6所述的所述的观测***的编队控制方法，其特征在于，所述的无人机(1)由操作人员通过遥控器手动起飞，待飞行平稳后手动切入到自动模式，由地面站(2)发送的控制指令进行机动飞行。
9.如权利要求6所述的所述的观测***的编队控制方法，其特征在于，所述的每个地面站(2)和与其对应的无人机(1)上均设置有一组通信电台，所述的每组通信电台的频率一致，所述的各组通信电台之间的频率不同。
10.如权利要求6所述的所述的观测***的编队控制方法，其特征在于，所述的无人机(1)的编队指令和传感器(5)的指令信息均采用分布式数据分发协议，以自定义的数据格式传送给对应的地面站(2)，所述的自定义的数据格式见表1：
表1.自定义的数据格式
字节 内容 值 注释 1 UAV_ID 1～5 无人机ID 2 Time_ID 0～65535 无人机时间标签 3 UAV_State 0～255 无人机状态 4 UAV_Pos LngLat 无人机方位 5 UAV_Att rad 无人机姿态 6 UAV_Vel m/s 无人机速度 7 UAV_Acc_Line m/s2 无人机线加速度 8 UAV_Acc rad/s2 无人机角加速度
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