CN113110569A - 无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，根据探测到的目标的状态信息，首先利用无线紫外光隐秘通信的特点进行机间信息交互，指派无人机到达期望的环航编队位置；其次再利用紫外光对运动中的目标位置信息进行实时探测，并且缩小环航半径，实现围捕。本发明的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，利用无线紫外光隐秘通信的特点进行机间信息交互，指派无人机到达期望的环航编队位置，实现动态围捕，提高了多无人机间环航编队控制的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无人机编队与协作围捕技术领域，涉及一种无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法。
背景技术
近年来随着无人机技术的发展与壮大，使得无人机从民用领域到军用领域都发挥着不可替代的作用。由于“黑飞”无人机的出现，民航、高铁和执法部门也需要无人机对它们进行捕获，但单一无人机由于机载设备数量有限、工作效率低，无法很好地完成复杂的任务，因此多无人机协作方式应用而生。相比于单无人机***，多无人机可协同完成更加复杂的任务，提高任务完成质量，通过内部信息共享提高任务完成效率，具有很好的容错性和鲁棒性和更强的任务执行能力，故多无人机***成为了当前军事、民用领域的研究热点，并呈现快速发展态势。
多无人机可利用环航的方式保护目标前进，或者用此种方式对目标进行围捕。由于环航过程中无人机和目标都是动态的，因此在复杂和多变的战时环境下需要通过一种安全隐秘的通信方式进行机间信息交互，来保证无人机包围目标动态稳定的前进。无线紫外光具有低分辨率、低窃听率、抗电磁干扰能力强、背景噪声小、全天候非直视通信等优点，克服了其他通信方式的劣势，保证了无人机编队在特殊环境中飞行的安全性，大大提高了编队围捕效率。
在环航编队控制方面，分为集中式环航编队控制和分布式环航编队控制。由于集中式环航编队控制需要一个中心无人机进行信息传递，若中心无人机受损，则会导致信息交互失败，使得围捕任务无法完成；而在分布式环航编队控制过程中，多架无人机之间进行局部信息交互，自主的形成一个圆形编队，并且以一定大小的角速度环绕目标运动，使得目标无法进行逃逸。因此很有必要对分布式环航编队控制进行深入研究。
我们需要结合无线紫外光隐秘通信的优点，对现有的环航编队控制方法进行研究，使得无人机在目标移动过程中实时探测并交互目标物的运动信息，设计出符合在无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，利用无线紫外光隐秘通信的特点进行机间信息交互，指派无人机到达期望的环航编队位置，实现动态围捕。
本发明所采用的技术方案是，无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，给每架无人机内装紫外光MIMO通信模块，紫外光MIMO通信模块包括半球型LED阵列装置，半球型LED阵列装置表面都被划分为M个纬线方向和N个经线方向，在经纬交点处安装紫外LED发送装置，半球型LED阵列装置顶部设置有全向接收机，全向接收机还通过线缆电连接有中心控制器，在半球型LED阵列装置的前后左右四面均安装有一个分光器，四个分光器能接收到对应面一整面的紫外LED发送装置发出的紫外光，紫外LED发送装置朝对应面的分光器发射紫外光后经分光器分为两束，一束射向目标，另一束射向中心控制器，紫外LED发送装置和中心控制器还分别通过线缆电连接无人机控制***。
具体步骤如下：
步骤1，初始化无人机与目标的位置和速度信息，每架无人机通过紫外LED发送装置发出自身状态信息并通过全向接收机接收相邻无人机的状态信息并存储；
步骤2，无人机利用紫外光MIMO通信模块实时探测目标信息并和其余无人机实时共享；
步骤3，若发现目标后无人机到达期望的环航位置将目标包围在编队内部，然后执行步骤4，若未发现目标则重复步骤2；
步骤4，无人机利用紫外光MIMO通信模块继续实时探测目标的运动信息并且实时调整环航位置；
步骤5，当环航编队与目标的相对静止时缩小当前的环航半径，视为围捕成功，环航结束，若不稳定则重复步骤4。
本发明的特征还在于，
每个紫外LED发送装置都有自身的编码，由纬向编码和经向编码组成，该编码反映紫外LED发送装置发射光束相对于节点自身的方向；每个紫外LED发送装置均能独立发送信息，完成信息的发出任务。
飞行过程中紫外光MIMO通信模块实时探测目标信息具体为：无人机飞行过程中，紫外LED发送装置发射紫外光脉冲信号，当照射到目标物上时会发生反射和散射，全向接收机接收到反射回来的光信号，通过测量发射和接收到光信号的时间间隔计算出目标的距离。
中心控制器包括依次通过线缆电连接的光电管、恒定比例起止时刻鉴别器、数字延迟电路、寄存器及单片机，单片机通过线缆电连接无人机控制***，全向接收机和恒定比例起止时刻鉴别器通过线缆电连接，紫外LED发送装置朝对应面的分光器发射紫外光后经分光器分为两束，一束射向目标，另一束射向光电管。
飞行过程中紫外光MIMO通信模块实时探测目标信息具体按照如下步骤实施：
步骤2.1，无人机上的紫外LED发送装置发出窄脉冲光波信号，光波经分光器发射出去分为两束，一束经光电管采集光信号转换为电信号后传递给恒定比例起止时刻鉴别器，恒定比例起止时刻鉴别器触发计时，触发计时后，信号进入数字延迟电路中；
另一束射向目标，经过目标反射后经全向接收机接收，全向接收机将接收到的信号电传递给恒定比例起止时刻鉴别器，恒定比例起止时刻鉴别器触发后停止计时，经恒定比例起止时刻鉴别器发出的脉冲信号经过数字延迟电路后直接进入寄存器；
步骤2.2，单片机读取寄存器获得延迟单元数量N，设单个延迟单元延时为t0，则起止时间间隔为t＝t0×n，则目标距离
其中c为光速，计算目标距离后将该信息传送给无人机控制***。
无人机控制***接收到目标距离后将信息传递给紫外LED发送装置，通过紫外LED发送装置和全向接收机实目标信息共享。
步骤5中缩小当前的环航半径，为缩小到环航半径为五米以内。
本发明的有益效果是：
(1)构建无线紫外光下的多无人机环航编队控制模型，利用无线紫外光LED收发装置为各无人机间互相提供飞行状态，使得机间信息进行实时交互，提高了多无人机间环航编队控制的稳定性和可靠性。
(2)提出无线紫外光通信下无人机环航编队动态围捕方法，解决了战场环境下无人机环航编队目标实时探测并进行信息交互的问题，为进一步研究战场环境下多无人机环航编队动态围捕问题提供了思考。
附图说明
图1是本发明无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法中的结构示意图；
图2是本发明无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法的流程图；
图3是本发明无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法中半球型LED阵列装置的结构示意图；
图4是本发明无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法中环航过程中无人机在极坐标系中的位置图；
图5是本发明无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法中无人机在三维空间中的位置图。
图中，1.紫外光MIMO通信模块，2.半球型LED阵列装置，3.紫外LED发送装置，4.全向接收机，5.中心控制器，6.分光器，7.光电管，8.恒定比例起止时刻鉴别器，9.数字延迟电路，10.寄存器，11.单片机。
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。
本发明无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其结构如图1和图3所示，给每架无人机内装紫外光MIMO通信模块1，紫外光MIMO通信模块包括半球型LED阵列装置2，半球型LED阵列装置2表面都被划分为M个纬线方向和N个经线方向，在经纬交点处安装紫外LED发送装置3，半球型LED阵列装置2顶部设置有全向接收机4，全向接收机4还通过线缆电连接有中心控制器5，在半球型LED阵列装置2的前后左右四面均安装有一个分光器6，四个分光器6能接收到对应面一整面的紫外LED发送装置3发出的紫外光，紫外LED发送装置3朝对应面的分光器6发射紫外光后经分光器6分为两束，一束射向目标，另一束射向中心控制器5，紫外LED发送装置3和中心控制器5还分别通过线缆电连接无人机控制***，每个紫外LED发送装置3都有自身的编码，由纬向编码和经向编码组成，该编码反映紫外LED发送装置3发射光束相对于节点自身的方向；每个紫外LED发送装置3均能独立发送信息，完成信息的发出任务；
如图2所示，具体步骤如下：
步骤1，初始化无人机与目标的位置和速度信息，每架无人机通过紫外LED发送装置3发出自身状态信息并通过全向接收机4接收相邻无人机的状态信息并存储；
步骤2，无人机利用紫外光MIMO通信模块1实时探测目标信息并和其余无人机实时共享，具体为：
无人机飞行过程中，紫外LED发送装置3发射紫外光脉冲信号，当照射到目标物上时会发生反射和散射，全向接收机4接收到反射回来的光信号，通过测量发射和接收到光信号的时间间隔计算出目标的距离；中心控制器5包括依次通过线缆电连接的光电管7、恒定比例起止时刻鉴别器8、数字延迟电路9、寄存器10及单片机11，单片机11通过线缆电连接无人机控制***，全向接收机4和恒定比例起止时刻鉴别器8通过线缆电连接，紫外LED发送装置3朝对应面的分光器6发射紫外光后经分光器6分为两束，一束射向目标，另一束射向光电管7。
飞行过程中紫外光MIMO通信模块1实时探测目标信息具体按照如下步骤实施：
步骤2.1，无人机上的紫外LED发送装置3发出窄脉冲光波信号，光波经分光器6发射出去分为两束，一束经光电管7采集光信号转换为电信号后传递给恒定比例起止时刻鉴别器8，恒定比例起止时刻鉴别器8触发计时，触发计时后，信号进入数字延迟电路9中；
另一束射向目标，经过目标反射后经全向接收机4接收，全向接收机4将接收到的信号电传递给恒定比例起止时刻鉴别器8，恒定比例起止时刻鉴别器8触发后停止计时，经恒定比例起止时刻鉴别器8发出的脉冲信号经过数字延迟电路9后直接进入寄存器10；
步骤2.2，单片机11读取寄存器获得延迟单元数量N，设单个延迟单元延时为t0，则起止时间间隔为t＝t0×n，则目标距离
其中c为光速，计算目标距离后将该信息传送给无人机控制***，无人机控制***接收到目标距离后将信息传递给紫外LED发送装置3，通过紫外LED发送装置3和全向接收机4实目标信息共享；
步骤3，若发现目标后无人机到达期望的环航位置将目标包围在编队内部，然后执行步骤4，若未发现目标则重复步骤2；
步骤4，无人机利用紫外光MIMO通信模块1继续实时探测目标的运动信息并且实时调整环航位置；
步骤5，当环航编队与目标的相对静止时缩小当前的环航半径，视为围捕成功，环航结束，若不稳定则重复步骤4，其中，缩小当前的环航半径，为缩小到环航半径为五米以内。
本发明根据探测到的目标的状态信息，首先利用无线紫外光隐秘通信的特点进行机间信息交互，指派无人机到达期望的环航编队位置；其次再利用紫外光对运动中的目标位置信息进行实时探测，并且缩小环航半径。
机间通信是无人机集群作战必不可少的一环，在多无人机围捕动态目标时，根据无人机的飞行特点和无线紫外光的散射特性，利用机载半球形MIMO结构LED阵列发出的不同波长的紫外光，通过信号的发送和接收，从而实现了多无人机飞行过程中信息的实时交互，同时也达到了隐蔽通信的效果，保障了无人机间信息传递的有效性，为我们研究战场环境下无人机编队进行安全隐秘的通信提供了新思路。
多架无人机在对目标进行环航围捕时，由n(n≥2)架有自主运动能力的无人机构成多无人机***，其中每架无人机分别用r1，r2，...rn表示。这些无人机要以任意间隔形成一个圆形编队，并且在三维空间中自主的环绕目标运动，即做圆周运动，这里的目标用S表示。当目标移动时，无人机编队便根据目标的移动速度和位置实时调整编队内各无人机的位置，使得目标始终处于编队内部。
假设每架无人机和目标都由一个三维空间中的质点表示，用pi(t)∈R3表示无人机ri在世界坐标系中所对应的笛卡尔坐标，ui(t)表示无人机ri的控制输入，则：
其中，pi(t)表示无人机ri在世界坐标系中所对应的笛卡尔坐标，ui(t)为t时刻的控制输入；
在环航编队问题中，要求无人机最终与目标在同一水平面上，即在环航高度与目标高度相同的情况下，我们要考虑的是无人机在极坐标系下的环航问题，如图4所示，将无人机按照它们在极坐标系中的角度
以逆时针排序并编号，ri+1和ri-1分别代表相邻的两架无人机。其中，用
表示无人机体坐标系下的柱坐标，定义向量函数p＝(px,py,pz)T，p∈R3是一个含有分量px,py,pz的一般向量，无人机的笛卡尔坐标pi到极坐标ri之间的转换函数为：
无人机在三维空间中的位置如图5所示，此时目标S为原点，ρ表示无人机在XSY平面的投影点与目标点之间的距离，
表示无人机在XSY平面上的投影点与目标点S所成的射线与X轴正方向的夹角，z表示无人机相对XSY平面的高度，对照转换函数具体有以下关系：
z(p)＝pz
环航编队保持稳定需要满足以下条件：
其中，ρ*、ω*和z*分别代表已给定的期望的环航半径、环航角速度和环航高度；一般情况下，为保证围捕成功，环航编队中各无人机的位置是均匀分布的，也就是相邻两架无人机之间的角间距大小相等，以此来进行环航。
因此本发明当环航编队与目标的相对静止时缩小当前的环航半径，视为围捕成功，环航结束。
Claims (7)
1.无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，给每架无人机内装紫外光MIMO通信模块(1)，所述紫外光MIMO通信模块包括半球型LED阵列装置(2)，半球型LED阵列装置(2)表面都被划分为M个纬线方向和N个经线方向，在经纬交点处安装紫外LED发送装置(3)，所述半球型LED阵列装置(2)顶部设置有全向接收机(4)，所述全向接收机(4)还通过线缆电连接有中心控制器(5)，在半球型LED阵列装置(2)的前后左右四面均安装有一个分光器(6)，四个所述分光器(6)能接收到对应面一整面的紫外LED发送装置(3)发出的紫外光，所述紫外LED发送装置(3)朝对应面的分光器(6)发射紫外光后经分光器(6)分为两束，一束射向目标，另一束射向中心控制器(5)，所述紫外LED发送装置(3)和中心控制器(5)还分别通过线缆电连接无人机控制***。
具体步骤如下：
步骤1，初始化无人机与目标的位置和速度信息，每架无人机通过紫外LED发送装置(3)发出自身状态信息并通过全向接收机(4)接收相邻无人机的状态信息并存储；
步骤2，无人机利用紫外光MIMO通信模块(1)实时探测目标信息并和其余无人机实时共享；
步骤3，若发现目标后无人机到达期望的环航位置将目标包围在编队内部，然后执行步骤4，若未发现目标则重复步骤2；
步骤4，无人机利用紫外光MIMO通信模块(1)继续实时探测目标的运动信息并且实时调整环航位置；
步骤5，当环航编队与目标的相对静止时缩小当前的环航半径，视为围捕成功，环航结束，若不稳定则重复步骤4。
2.根据权利要求1所述的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，所述每个紫外LED发送装置(3)都有自身的编码，由纬向编码和经向编码组成，该编码反映紫外LED发送装置(3)发射光束相对于节点自身的方向；每个紫外LED发送装置(3)均能独立发送信息，完成信息的发出任务。
3.根据权利要求2所述的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，飞行过程中紫外光MIMO通信模块(1)实时探测目标信息具体为：无人机飞行过程中，紫外LED发送装置(3)发射紫外光脉冲信号，当照射到目标物上时会发生反射和散射，全向接收机(4)接收到反射回来的光信号，通过测量发射和接收到光信号的时间间隔计算出目标的距离。
4.根据权利要求3所述的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，所述中心控制器(5)包括依次通过线缆电连接的光电管(7)、恒定比例起止时刻鉴别器(8)、数字延迟电路(9)、寄存器(10)及单片机(11)，所述单片机(11)通过线缆电连接无人机控制***，所述全向接收机(4)和所述恒定比例起止时刻鉴别器(8)通过线缆电连接，所述紫外LED发送装置(3)朝对应面的分光器(6)发射紫外光后经分光器(6)分为两束，一束射向目标，另一束射向光电管(7)。
5.根据权利要求4所述的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，飞行过程中紫外光MIMO通信模块(1)实时探测目标信息具体按照如下步骤实施：
步骤2.1，无人机上的紫外LED发送装置(3)发出窄脉冲光波信号，光波经分光器(6)发射出去分为两束，一束经光电管(7)采集光信号转换为电信号后传递给恒定比例起止时刻鉴别器(8)，恒定比例起止时刻鉴别器(8)触发计时，触发计时后，信号进入数字延迟电路(9)中；
另一束射向目标，经过目标反射后经全向接收机(4)接收，全向接收机(4)将接收到的信号电传递给恒定比例起止时刻鉴别器(8)，恒定比例起止时刻鉴别器(8)触发后停止计时，经恒定比例起止时刻鉴别器(8)发出的脉冲信号经过数字延迟电路(9)后直接进入寄存器(10)；
步骤2.2，单片机(11)读取寄存器获得延迟单元数量N，设单个延迟单元延时为t0，则起止时间间隔为t＝t0×n，则目标距离
其中c为光速，计算目标距离后将该信息传送给无人机控制***。
6.根据权利要求5所述的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，无人机控制***接收到目标距离后将信息传递给紫外LED发送装置(3)，通过紫外LED发送装置(3)和全向接收机(4)实目标信息共享。
7.根据权利要求1所述的无线紫外光协作下的多无人机环航编队动态围捕方法，其特征在于，所述步骤5中缩小当前的环航半径，为缩小到环航半径为五米以内。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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