CN111077910A - 一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***、装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***、装置及方法，包括信息处理中心通信连接信号发送机和信号接收机，信号发送机由两种波长的紫外光LED光源和强度调制器构成，信号接收机由对应两种波长紫外光LED光源的滤光片、光电转换器、放大器和光电信号处理器构成；紫外光MIMO装置安装在无人机上，紫外光MIMO装置中两种不同波长的紫外光LED光源发射紫外光，根据不同方向的滤光片接收到紫外光LED光源发出的紫外光以及接收到不同波长紫外光的个数来判断无人机所处方向和预警等级区，从而做出合适的防碰撞指令。本发明可实现无人机蜂群作业时，不依赖GPS等外部定位装置完成防碰撞工作，灵活性强、智能化高；紫外光MIMO装置轻便易于搭载，可全天候工作，实现隐秘通信。

Description

一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***、装置及方法

技术领域

本发明属于光电信息技术领域，具体涉及一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***、装置及方法。

背景技术

随着无人机行业的迅猛发展和其产业技术的不断革新，无人机已广泛使用于航拍、航测、巡检、农业、物流、安防等多个领域。无人机由于其灵活性高，机动性能良好，反应速度快，操作要求低等优点，已经逐渐在军事、民用、科技等领域发挥着越来越重要的作用。随着近年来国家对低空域开放、无人机管控等相关政策的出台以及多智能体***的逐步成熟，无人机行业和市场都将进一步发展。

无论是民用的舞台表演、大型活动航拍还是军用的空中侦查、蜂群作战，只要是多无人机联合作业，都存在着航迹规划、编队集结、队形保持和变换等过程。无论处在哪个过程，无人机之间都存在着或高或低的碰撞危险，而要完成任务首先要保障每架无人机的飞行安全，因此蜂群无人机的机间防碰撞问题不容忽视。当前用于无人机防碰撞的方法主要有让无人机基于GPS严格按照提前设计好的不会碰撞的路线飞行以及通过视觉、声波和红外线传感器等来识别和避开障碍物。然而，GPS存在失效的可能，视觉、声波、红外线传感器也存在着不适合在低光条件下工作、探测距离不远等缺陷，因此找寻一种不依靠GPS等外部定位设施、环境适应性强的防碰撞方法迫在眉睫。

200nm-280nm的“日盲”紫外光由于被大气中的臭氧分子强效吸收，使得低空空域的无线紫外光散射通信几乎没有背景噪声，可以实现全天候通信，而且紫外光信号本身不受无线电干扰信号的影响，同时也很难实施远距离紫外干扰，适合无人机编队内部隐秘通信。因此基于“日盲”紫外光引导防碰撞的方法不仅可以满足上述需求，还因其MIMO装置轻便易于搭载、可全天候非直视通信以及背景噪声小、可以隐秘通信的特点而适用于更多的场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***、装置及方法，解决现有机间防碰撞方法过分依赖外部定位设施、适用条件苛刻、探测距离有限的问题，紫外光MIMO装置，为无线紫外光引导无人机防碰撞方案的实现提供硬件支持。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***，包括信息处理中心通信连接信号发送机和信号接收机，信号发送机由两种波长的紫外光LED光源和强度调制器构成，信号接收机由对应两种紫外光LED光源波长的滤光片、光电转换器、放大器和光电信号处理器构成，信息处理中心中的微处理器模块安装在无人机内部。

进一步地，所述信号发送机上的紫外光LED光源点亮，发射紫外光到大气信道内，完成信号发送的任务；

所述信号接收机中对应紫外光LED光源的滤光片接收到紫外光信号后经光电转换器转换成电信号后再经放大器放大，再传入光电信号处理器内进行处理分析；

所述光电信号处理器将处理结果传送给信息处理中心，由信息处理中心中的微处理器模块综合各个方向传来的信息，做出防碰撞指令，由信息处理中心下达给无人机的飞行控制模块，调整无人机的航向、速度。

进一步地，所述紫外光LED光源受强度调制器调制，使紫外光LED光源中两种波长的紫外光最远传输距离分别达到预设的预警区边界值。

进一步地，所述微处理器模块的型号为STM32F407。

进一步地，所述预警区边界值可分别设置为10m和80m，每架无人机周围的三维空间被划分为三个预警等级区。

一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞的紫外光MIMO装置，紫外光MIMO装置为球形，紫外光MIMO装置外壁放置单方向收发结构，单方向收发结构包括紫外光LED光源和滤光片，单方向收发结构可以调整紫外光LED光源发射仰角、光束孔径角、功率以及滤光片的参数；紫外光MIMO装置内部安装有强度调制器、光电转换器、放大器和光电信号处理器；紫外光MIMO装置由上下两半部分组成，分别安装在无人机机身的上方和下方。

进一步地，所述紫外光MIMO装置外壁每隔90°取一条经线，上下45°各取一条纬线，经纬线共有8个交点，在每个交点放置一组单方向收发结构，紫外光MIMO装置中不同方向的单方向收发结构都标有序号。

一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞方法，包括以下步骤：

步骤1，划分碰撞预警等级区：

紫外光MIMO装置中两种波长的紫外光LED光源可以将无人机周围的三维空间人工划分成三个碰撞预警等级区，分别为0级预警区R>80m，1级预警区10m<R≤80m，2级预警区R≤10m，等级越高碰撞几率越高，其中R是以无人机质心为球心的球半径；

步骤2，判断所处的碰撞预警区：

以两架无人机A、B为例，无人机A紫外光MIMO装置上8个不同方向的紫外光LED光源循环点亮，无人机B根据信号接收机接收到的不同波长紫外光LED光源的数目判断自己处在无人机A的几级预警区内：

若无人机B所有方向的信号接收机均没有接收到任何波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的0级预警区，暂时没有碰撞危险，沿原航向飞行即可；

若无人机B某个方向的信号接收机接收到一种波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的1级预警区，两机间距离较近，有一定概率的碰撞危险，跳至步骤3；

若无人机B某个方向的信号接收机接收到两种波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的2级预警区，两无人机间距离过近，有较大的碰撞危险，跳至步骤4；

步骤3，调整飞行速度：

由信息处理中心向飞行控制模块下达执行，将无人机飞行速度降至8m/s以下，并持续关注该方向的紫外光信号；

步骤4：调整飞行方向

由信息处理中心向飞行控制模块下达执行，此时无人机B按照调整方案迅速调整飞行方向。

进一步地，步骤4所述的调整方案如下：

情况A：当只接收到一架无人机两种波长的紫外光LED信号时：迅速将飞行方向调整为该信号接收机方向的对立方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置目标位置调整飞行方向；

情况B：当接收到多架无人机两种波长的紫外光LED信号时，分两种情况：

情况a：多架无人机的来向未对称抵消时，迅速将飞行方向调整为几个信号接收机方向合成方向的反方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置和目标位置调整飞行方向；

情况b：多架无人机的来向对称抵消时，迅速将飞行方向调整为原飞行方向的反方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置和目标集结点的位置调整飞行方向。

本发明的有益效果是：

无人机蜂群作业时，无论是处在编队集结、解散、队形保持和变换中的哪个过程，只要每架无人机上都搭载所述的紫外光引导防碰撞***，就可以完成不依赖GPS等外部定位装置的防碰撞工作，灵活性强、智能化高。其次，紫外光MIMO装置上的紫外光LED光源结构简单，易于调控，价格低廉；紫外光MIMO装置轻便易于搭载，不会增加无人机的负担。最后，日盲”紫外光背景噪声小可全天候工作，可大大提升无人机蜂群在多种作业场合的机体安全，由于“日盲”紫外光本身的特性，可以实现隐秘通信，使该***可以应用于更广阔的场景中。

附图说明

图1是一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***示意图；

图2是紫外光MIMO装置示意图；

图3是防撞预警区示意图；

图4是只接收到一架无人机预警信号时的方向调整方案示意图；

图5是多架无人机的来向未对称抵消时的方向调整方案示意图；

图6是多架无人机的来向对称抵消时的方向调整方案示意图。

图中，1-信息处理中心，2-信号发送机，3-信号接收机，4-微处理器模块，5-紫外光LED光源，6-强度调制器，7-滤光片，8-光电转换器，9-放大器，10-光电信号处理器，11-球形MIMO装置，12-无人机，13-单方向收发结构，14-飞行控制模块，15-紫外光。

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。

如图1所示，一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***由信息处理中心1通信连接信号发送机2和信号接收机3，信号发送机2由两种波长的“日盲”紫外光LED光源5和强度调制器6构成，信号接收机3由对应两种“日盲”紫外光LED光源波长的滤光片7、光电转换器8、放大器9和光电信号处理器10构成。信息处理中心1中的微处理器模块4安装在无人机12内部，微处理器模块4的型号为STM32F407。

如图2所示，紫外光MIMO装置11外壁每隔90°取一条经线，上下45°各取一条纬线，经纬线共有8个交点，在每个交点放置一组单方向收发结构13，该结构包括两种不同波长(λ₁，λ₂)的紫外光LED光源5和对应波长的滤光片7，调整合适的紫外光LED光源5发射仰角、光束孔径角、功率以及滤光片7参数，使每个方向的滤光片7接收光范围和紫外光LED光源5发出的紫外光15都可以刚好覆盖这个方向负责的八分之一区域。

强度调制器6、光电转换器8、放大器9和光电信号处理器10均安装在紫外光MIMO装置11内部，紫外光MIMO装置11由上下两半部分组成，分别安装在无人机12机身的上方和下方。每个紫外光MIMO装置11中不同方向的单方向收发结构13都标有序号。

信号发送机2上的紫外光LED光源5按顺序循环点亮，相同序号不同波长的紫外光LED光源5同时点亮发射紫外光15到大气信道内，完成信号发送的任务。

信号接收机3中对应两种波长LED光源的滤光片7接收到紫外光15信号后经光电转换器8转换成电信号后再经放大器9放大，再传入光电信号处理器10内进行处理分析。

每个方向的光电信号处理器10将处理结果传送给信息处理中心1，由信息处理中心1中的微处理器模块4综合各个方向传来的信息，做出合适的防碰撞指令，由信息处理中心1下达给无人机的飞行控制模块14，调整无人机的航向、速度等飞行状态。

紫外光MIMO装置11表面经纬线交点处安装的两种波长的紫外光LED光源5受强度调制器6分别调制到合适的强度，使两种波长的紫外光最远传输距离分别达到预设的预警区边界值，即10m和80m，使每架无人机12周围的三维空间被划分为三个预警等级区，如图3所示。

一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞方法，包括以下步骤：

步骤1，划分碰撞预警等级区：

紫外光MIMO装置11中两种波长的LED光源5可以将无人机12周围的三维空间人工划分成三个碰撞预警等级区，如图3所示，分别为0级预警区(R>80m)，1级预警区(10m<R≤80m)，2级预警区(R≤10m)，等级越高碰撞几率越高，其中R是以无人机质心为球心的球半径。

步骤2，判断所处的碰撞预警区：

以两架无人机A、B为例，无人机A紫外光MIMO装置11上几个方向的紫外光LED光源5循环点亮，无人机B根据信号接收机3接收到的不同波长紫外光LED信号的数目判断自己处在无人机A的几级预警区内：

若无人机B所有方向的信号接收机3均没有接收到任何波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的0级预警区，暂时没有碰撞危险，沿原航向飞行即可；

若无人机B某个方向的信号接收机接3收到一种波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的1级预警区，两机间距离较近，有一定概率的碰撞危险，跳至步骤3；

若无人机B某个方向的信号接收机3接收到两种波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的2级预警区，两无人机间距离过近，有较大的碰撞危险，跳至步骤4；

步骤3，调整飞行速度：

由信息处理中心1向飞行控制模块14下达执行，将无人机飞行速度降至8m/s以下，并持续关注该方向的紫外光信号。

步骤4，调整飞行方向：

由信息处理中心1向飞行控制模块14下达执行，此时无人机B按照调整方案迅速调整飞行方向。

在实际场景中，由于每架无人机各个预警区的距离界限是一样的，忽略一些不可控因素对紫外光传播距离的影响，可以理解为A在B的某级预警区，同样B也在A的某级预警区，所以有碰撞危险时，是两架无人机同时调整飞行方向。

所述的具体调整方案如下：

情况A：当只接收到一架无人机两种波长的紫外光LED信号时，迅速将飞行方向调整为该信号接收机3方向的对立方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置目标位置调整飞行方向。

例：无人机B②方向的信号接收机3接收到了两种波长的紫外光LED信号，则无人机B迅速将飞行方向调整为如图4所示②的对立方向⑧。

情况B：当接收到多架无人机两种波长的紫外光LED信号时，分两种情况：

情况a：多架无人机的来向未对称抵消时，迅速将飞行方向调整为几个信号接收机3方向合成方向的反方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置和目标位置调整飞行方向。

例：无人机B②、④、⑦方向的信号接收机3均接收到了两种波长的紫外光LED信号，则B迅速将飞行方向调整为如图5所示②、④、⑦合成方向的反方向。

情况b：多架无人机的来向对称抵消时，迅速将飞行方向调整为原飞行方向的反方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置和目标集结点的位置调整飞行方向。

例：无人机B①、③、⑤、⑦方向的信号接收机3均接收到了两种波长的紫外光LED信号，这几个方向刚好抵消，则无人机B迅速将飞行方向调整为如图6所示的原航向的反方向。

另外，分析多种碰撞方式的避碰方案并建立避碰方案库，以备后续遇到同样情况时直接调用合适的避碰方案。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***，其特征在于，包括信息处理中心通信连接信号发送机和信号接收机，信号发送机由两种波长的紫外光LED光源和强度调制器构成，信号接收机由对应两种紫外光LED光源波长的滤光片、光电转换器、放大器和光电信号处理器构成，信息处理中心中的微处理器模块安装在无人机内部。

2.根据权利要求1所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***，其特征在于，

所述信号发送机上的紫外光LED光源点亮，发射紫外光到大气信道内，完成信号发送的任务；

所述信号接收机中对应紫外光LED光源的滤光片接收到紫外光信号后经光电转换器转换成电信号后再经放大器放大，再传入光电信号处理器内进行处理分析；

所述光电信号处理器将处理结果传送给信息处理中心，由信息处理中心中的微处理器模块综合各个方向传来的信息，做出防碰撞指令，由信息处理中心下达给无人机的飞行控制模块，调整无人机的航向、速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***，其特征在于，所述紫外光LED光源受强度调制器调制，使紫外光LED光源中两种波长的紫外光最远传输距离分别达到预设的预警区边界值。

4.根据权利要求1所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***，其特征在于，所述微处理器模块的型号为STM32F407。

5.据权利要求3所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞***，其特征在于，所述预警区边界值可分别设置为10m和80m，每架无人机周围的三维空间被划分为三个预警等级区。

6.根据权利要求1所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞的紫外光MIMO装置，其特征在于，紫外光MIMO装置为球形，紫外光MIMO装置外壁放置单方向收发结构，单方向收发结构包括紫外光LED光源和滤光片，单方向收发结构可以调整紫外光LED光源发射仰角、光束孔径角、功率以及滤光片的参数；紫外光MIMO装置内部安装有强度调制器、光电转换器、放大器和光电信号处理器；紫外光MIMO装置由上下两半部分组成，分别安装在无人机机身的上方和下方。

7.根据权利要求6所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞的紫外光MIMO装置，其特征在于，所述紫外光MIMO装置外壁每隔90°取一条经线，上下45°各取一条纬线，经纬线共有8个交点，在每个交点放置一组单方向收发结构，紫外光MIMO装置中不同方向的单方向收发结构都标有序号。

8.一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，划分碰撞预警等级区：

紫外光MIMO装置中两种波长的紫外光LED光源可以将无人机周围的三维空间人工划分成三个碰撞预警等级区，分别为0级预警区R>80m，1级预警区10m<R≤80m，2级预警区R≤10m，等级越高碰撞几率越高，其中R是以无人机质心为球心的球半径；

步骤2，判断所处的碰撞预警区：

以两架无人机A、B为例，无人机A紫外光MIMO装置上8个不同方向的紫外光LED光源循环点亮，无人机B根据信号接收机接收到的不同波长紫外光LED光源的数目判断自己处在无人机A的几级预警区内：

若无人机B所有方向的信号接收机均没有接收到任何波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的0级预警区，暂时没有碰撞危险，沿原航向飞行即可；

若无人机B某个方向的信号接收机接收到一种波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的1级预警区，两机间距离较近，有一定概率的碰撞危险，跳至步骤3；

若无人机B某个方向的信号接收机接收到两种波长的紫外光LED信号，则无人机B处在无人机A的2级预警区，两无人机间距离过近，有较大的碰撞危险，跳至步骤4；

步骤3，调整飞行速度：

由信息处理中心向飞行控制模块下达执行，将无人机飞行速度降至8m/s以下，并持续关注该方向的紫外光信号；

步骤4：调整飞行方向

由信息处理中心向飞行控制模块下达执行，此时无人机B按照调整方案迅速调整飞行方向。

9.根据权利要求7所述的一种基于紫外光引导无人机蜂群防碰撞方法，其特征在于，步骤4所述的调整方案如下：

情况A：当只接收到一架无人机两种波长的紫外光LED信号时：迅速将飞行方向调整为该信号接收机方向的对立方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置目标位置调整飞行方向；

情况B：当接收到多架无人机两种波长的紫外光LED信号时，分两种情况：

情况a：多架无人机的来向未对称抵消时，迅速将飞行方向调整为几个信号接收机方向合成方向的反方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置和目标位置调整飞行方向；

情况b：多架无人机的来向对称抵消时，迅速将飞行方向调整为原飞行方向的反方向，直至只能接收到一种波长的紫外光LED信号，此时重新根据当前位置和目标集结点的位置调整飞行方向。

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