CN112631329A - 基于光学编码led航灯的无人机编队协同控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***及方法，该***包括视觉传感器、视觉计算机、编队控制计算机、飞行控制计算机、多个LED航灯，视觉编码模块将无人机身份信息及航向和轨迹信息编码为不同频率的闪烁灯光，由LED航灯发出频闪灯光，视觉传感器观测其视野内的其他无人机LED航灯所发出的频闪灯光信号，由视觉测量模块转换为数字信号，再由视觉解码模块用于提取数字信号中的编码信息，编队控制计算机根据上述编码信息给出维持编队所必须的飞行位置和航向控制指令。无人机编队中的各无人机均安装上述***，编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块观测并由视觉解码模块解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。该***及方法能够利用无人机载视觉传感器对其他无人机载的LED航灯进行跟踪实现编队飞行；同时利用LED航灯频闪的光学编码实现无人机间的命令和指令信息的传递，从而实现无人机编队的任务协同。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***及方法。
背景技术
无人集群***在灾害救援、应急物流等重大应急事件和经济民生中能够发挥不可替代作用，具有军民融合应用潜力。
当前无人机集群理论和实际***是建立在基于通信链路的多智能体信息一致性理论基础上，当面临干扰、复杂电磁环境、链路拥塞等通信受限甚至通信拒止的应用环境时，无人飞行器集群就面临丧失自组织协同的风险。因此，有必要发展基于视觉技术的通信受限条件下无人机集群感知与编队协同的技术手段，建立集群控制的备份能力。
现有的无人机视觉技术可以通过标志识别方法实现编队队形保持，如专利CN108052110A，采用僚机机载双目视觉***对长机机载LED灯阵列进行拍摄并计算相对距离及姿态从而实现长机和僚机间的无人机编队飞行。再如CN 110703798A，通过在长机上布置LED灯等特征点，并在僚机上布置视觉设备对长机位姿进行解算从而保持编队队形。上述专利中的LED灯没有进行编码频闪，不能在无人机之间传输命令信息和身份信息，只能作为视觉标志点用于解算位置和姿态。然而在无人机编队协同飞行的中，除了保持编队队形的要求之外，还存在大量的机间命令、指令信息的传输需求，以便完成编队任务协同，现有技术在不能在电磁通信受限的情况下通过光学手段传输这些信息。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***及方法，能够利用无人机载视觉传感器对其他无人机载的LED航灯进行跟踪实现编队飞行；同时利用LED航灯频闪的光学编码实现无人机间的命令和指令信息的传递，从而实现无人机编队的任务协同。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***，包括视觉传感器、视觉计算机、编队控制计算机、飞行控制计算机、多个LED航灯，其中：
所述的视觉计算机包括视觉测量模块、视觉解码模块、视觉编码模块；
所述的视觉编码模块用于将无人机身份信息及航向和轨迹信息编码为不同频率的闪烁灯光；
所述的LED航灯用于发出由视觉编码模块进行编码的频闪灯光；
所述的视觉传感器用于观测其视野内的其他无人机LED航灯所发出的频闪灯光信号；
所述的视觉测量模块用于将频闪灯光信号转换为数字信号；
所述的视觉解码模块用于提取数字信号中的编码信息；
所述的编队控制计算机根据上述编码信息给出维持编队所必须的飞行位置和航向控制指令；
所述的飞行控制计算机根据上述控制指令给出无人机舵机、发动机的控制量。
无人机编队中的各无人机均安装上述***，编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块观测并由视觉解码模块解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。
可选的，所述的LED航灯的数量为两个，其中安装在左侧翼尖的为红色，安装在右侧翼尖的为绿色。
此外，为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法，所述方法包括步骤：
S1、编队中无人机基于虚拟结构法，预先指定一架长机和多架僚机，预设飞机编队队形以及各僚机与长机的相对位置偏移；长机的控制计算机设定自身身份信息及航向和轨迹信息，由其视觉计算机中的视觉编码模块进行编码，并由长机LED航灯发送编码过的频闪灯光信息。
S2、编队中僚机的视觉测量模块观测到长机LED航灯的频闪灯光信息后，由其视觉计算机中的视觉解码模块解码，从而识别锁定长机，并解码得到的长机航向和轨迹信息。
S3、编队中僚机基于长机航向和轨迹信息，通过其编队控制计算机向飞行控制计算机发出指令，调整飞机飞行航向与长机保持一致。
S4、编队中僚机的视觉计算机计算长机LED航灯在视觉传感器上的成像长度，以及翼展中点相对视觉传感器平面中心的偏移。
S5、编队中僚机的视觉计算机计算本机与长机在机体水平坐标系下的相对位移。
S6、基于长机与本机的相对偏移信息，编队中僚机的编队控制计算机)对各自身位置进行控制。
S7、编队中僚机的飞行控制计算机将位置控制指令转换为相应的飞机油门与舵量指令，实现各跟随飞机对长机相对位置的保持。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够使无人机集群在通信受限的情况下仅通过光学设备和视觉传感器即可保持编队协同飞行。
附图说明
图1是本发明的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***结构示意图；
图2是本发明的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***在无人机上的安装位置示意图；
图3是本发明的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***在无人机上的安装位置的另一示意图；
图4是本发明的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***用于无人机编队间信息传输的信息的示意图；
图5是本发明实施例提供的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法预设编队队形示意图。
图6是本发明实施例提供的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法中头机在成员机视觉传感器上的成像示意图。
图7是本发明实施例提供的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法中计算得到的机体平面坐标系控制量示意图。
图8是本发明实施例提供的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法中计算得到的机体坐标系控制量示意图。
图中：1、编队中的无人机单机；10、视觉传感器；20、视觉计算机；21、视觉测量模块；22、视觉解码模块；23、视觉编码模块；30、编队控制计算机；40、飞行控制计算机；50、LED航灯；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
图1所示为基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***，包括视觉传感器(10)、视觉计算机(20)、编队控制计算机(30)、飞行控制计算机(40)、多个LED航灯(50)，其中视觉计算机(20)包括视觉测量模块(21)、视觉解码模块(22)、视觉编码模块(23)，该***中的LED航灯(50)可发出由视觉编码模块(23)进行编码的频闪灯光；编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块(21)观测并由视觉解码模块(22)解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。
图2和图3为基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***在无人机上的安装位置示意图，其中LED航灯(50)的数量为两个，其中安装在左侧翼尖的为红色，安装在右侧翼尖的为绿色。
图4为基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***用于无人机编队间信息传输的信息的示意图。其中，无人机视觉编码模(23)块用于将无人机身份信息及航向和轨迹信息编码为不同频率的闪烁灯光；LED航灯(50)用于发出由视觉编码模块进行编码的频闪灯光；视觉测量模块(21)用于观测其视野内的其他无人机LED航灯所发出的频闪灯光；视觉解码模块(22)用于将视觉测量模块观测到的频闪灯光解码获取其中的编码信息；编队控制计算机(30)根据上述编码信息给出维持编队所必须的飞行位置和航向控制指令；飞行控制计算机(40)根据上述控制指令给出无人机舵机、发动机的控制量。
无人机编队中的各无人机均安装上述***，编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块观测并由视觉解码模块解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。
本方面中所述的LED航灯的频闪编码可以采用任意一种通信协议和信号编码方案，如最简单的莫尔斯码。举例说明，长机以如下编码方式发送频闪灯光：
···-··- ----- ----- ·---- ----- ···-- ----- ····· ---------- ·-···
其对应的莫尔斯码为$001 030 500&，其含义为001号机，航向030，高度500，其中符号$表示信息包起始，符号·表示短闪光即连续发光0.1秒，符号-表示长闪光即连续发光0.2秒，空格符表示间断0.2秒不发光，符号&表示信息包结束。当长机后方的任意一架僚机无人机的视觉传感器观测到上述航灯频闪信息后，通过其机上安装的视觉解码模块将信息包解码，获得长机所传送到信息，从而识别出长机身份并获得长机当前的航向和高度信息，僚机利用上述信息与长机保持编队协同飞行。
本发明提供了一种基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法，包括如下步骤：
S1、编队中无人机基于虚拟结构法，预先指定一架长机和多架僚机，如图5所示，预设飞机编队队形以及各成员机与长机在机体水平坐标系下的相对位置偏移Rsx，Rsy，Rsz；长机的控制计算机(30)设定自身身份信息及航向和轨迹信息，由其视觉计算机(20)中的视觉编码模块(23)进行编码，并由长机LED航灯(50)发送编码过的频闪灯光信息。
S2、编队中僚机的视觉测量模块(21)观测到长机LED航灯的频闪灯光信息后，由其视觉计算机(20)中的视觉解码模块(22)解码，从而识别锁定长机，并解码得到的长机航向和轨迹信息。
S3、编队中僚机基于长机航向和轨迹信息，通过其编队控制计算机(30)向飞行控制计算机(40)发出指令，调整飞机飞行航向与长机保持一致。
S4、视觉计算机(20)计算长机LED航灯在视觉传感器上的成像长度l，以及翼展中点相对视觉传感器xy平面中心的偏移rx，ry，如图6所示。
S5、视觉计算机(20)计算本机与长机在机体水平坐标系下的相对位移Sx，Sy，Sz：
其中kx，ky，kz为标定获得的传感器偏移以及成像长度相对于真实偏移与长度的比例系数。
S6、基于长机与本机的相对偏移信息，如图7所示，编队控制计算机(30)采用PD控制率对各飞机进行位置控制，获得机体水平坐标系下x，y，z轴加速度指令ux，uy，uz：
其中Rsx，Rsy，Rsz为与头机预期相对偏移，kp，kd为控制器比例微分系数。
编队控制计算机(30)将机体水平坐标系下x，y，z轴加速度指令转化为机体坐标系下纵向加速度，如图8所示，俯仰角加速度与偏航角加速度指令uV，uγ，
其中V为飞行速度，γ为俯仰角，
为偏航角。
S7、飞行控制计算机(40)将uV，uγ，
指令转换为相应的飞机油门与舵量指令，实现各跟随飞机对长机相对位置的保持。
上面结合附图对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下做出各种变化。
Claims (3)
1.基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***，其特征在于：***包括视觉传感器、视觉计算机、编队控制计算机、飞行控制计算机、多个LED航灯，其中：
所述的视觉计算机包括视觉测量模块、视觉解码模块、视觉编码模块；
所述的视觉编码模块用于将无人机身份信息及航向和轨迹信息编码为不同频率的闪烁灯光；
所述的LED航灯用于发出由视觉编码模块进行编码的频闪灯光；
所述的视觉传感器用于观测其视野内的其他无人机LED航灯所发出的频闪灯光信号；
所述的视觉测量模块用于将频闪灯光信号转换为数字信号；
所述的视觉解码模块用于提取数字信号中的编码信息；
所述的编队控制计算机根据上述编码信息给出维持编队所必须的飞行位置和航向控制指令：
所述的飞行控制计算机根据上述控制指令给出无人机舵机、发动机的控制量。
无人机编队中的各无人机均安装上述***，编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块观测并由视觉解码模块解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。
2.根据权利要求1所述的基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制***，其特征在于：所述的LED航灯的数量为两个，其中安装在左侧翼尖的为红色，安装在右侧翼尖的为绿色。
3.基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、编队中无人机基于虚拟结构法，预先指定一架长机和多架僚机，预设飞机编队队形以及各僚机与长机的相对位置偏移；长机的控制计算机设定自身身份信息及航向和轨迹信息，由其视觉计算机中的视觉编码模块进行编码，并由长机LED航灯发送编码过的频闪灯光信息。
S2、编队中僚机的视觉测量模块观测到长机LED航灯的频闪灯光信息后，由其视觉计算机中的视觉解码模块解码，从而识别锁定长机，并解码得到的长机航向和轨迹信息。
S3、编队中僚机基于长机航向和轨迹信息，通过其编队控制计算机向飞行控制计算机发出指令，调整飞机飞行航向与长机保持一致。
S4、编队中僚机的视觉计算机计算长机LED航灯在视觉传感器上的成像长度，以及翼展中点相对视觉传感器平面中心的偏移。
S5、编队中僚机的视觉计算机计算本机与长机在机体水平坐标系下的相对位移。
S6、基于长机与本机的相对偏移信息，编队中僚机的编队控制计算机)对各自身位置进行控制。
S7、编队中僚机的飞行控制计算机将位置控制指令转换为相应的飞机油门与舵量指令，实现各跟随飞机对长机相对位置的保持。
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