CN113485435B - 一种异构多无人机监控***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异构多无人机监控***，包括监控中心主机、数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及多无人机监控软件，监控中心主机通过交换机与若干无人机监控组建立数据连接，无人机监控组均包括数据采集设备、通信硬件设备及监控计算机，监控计算机运行多无人机监控软件，并与无人机地面控制站连接。包括***组网，监控***设置及无人机监控作业等三个步骤。本发明可实现无人机***之间、多无人机***与指挥中心之间的信息连通交互，实现对疏散配置、型号性能不同的异构多无人机***的状态监测和任务规划，从而优化复杂环境下异构多无人机***的空域资源分配和管控，实现多无人机安全高效的监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机任务规划技术领域，具体涉及一种异构多无人机监控***及方法。
背景技术
在执行野外应急救援、军事演***台受作用半径、续航时间、实用升限和任务载荷等性能局限，往往难以满足实际任务需求，这就需要集中应用疏散配置在不同基地或阵地、型号和性能不同的多套无人机***。为实现无人机疏散配置、型号性能不同等复杂异构多无人机安全高效的协同运用，迫切需要临时构建多无人机空管站,及时掌握多无人机的空域动态信息，动态协调多无人机的任务分配和航迹规划。
当前单无人机地面站通常仅能实现单机或双机监控，无人机运用以单无人机***运用为主，疏散配置、型号性能不同等异构多无人机的集中状态监控缺乏手段。在执行专项应急救援、演***台和设备。
因此针对这一现状，需要研究和开发一种异构多无人机监控***及方法，以满足应用需求。
发明内容
本发明公开了一种分阶段多基地无人机任务分配和航迹规划方法，以解决现有技术存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种异构多无人机监控***，包括监控中心主机、数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及多无人机监控软件，所述监控中心主机通过交换机与若干无人机监控组建立数据连接，无人机监控组均包括通信硬件设备、数据采集设备及监控计算机，监控计算机运行多无人机监控软件，且无人机监控组的通信硬件设备分别与至少一个监控计算机建立数据连接，所述监控计算机通过数据采集设备与无人机地面控制站建立数据连接。
优选的，所述数据采集设备包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块，其中所述图像采集硬件子模块包括图像采集卡、接口转换设备、连接线缆，其中所述连接线缆分别与图像采集卡、接口转换设备电气连接；所述遥测数据采集硬件子模块包括交换机、文字识别设备及连接线缆。
优选的，所述通信硬件设备包括双绞线通讯、光纤通讯、以太网远传+被复线通讯、微波接力和卫星通讯中的任意一种或几种共同使用。
一种异构多无人机监控***的构建方法，包括如下步骤：
S1，***组网，首先根据参与任务的无人机数量、类型、飞行任务及任务区域环境条件，以多无人机指挥中心为监控网络中心、各无人机监控组为节点构成星型网络通信架构，构建多无人机***与指挥中心、无人机***之间的通信网络，监控中心通过交换机与无人机监控组连接，每个无人机监控组均与至少一个无人机***配套，然后将数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及无人机地面控制站连接起来，构成相应的无人机监控组，每个无人机监控组与监控中心建立数据连接，完成***连接组网；
S2，监控***设置，完成S1步骤后，监控主机、各监控计算机均运行多无人机监控软件，完成监控软件的数据采集、通信网络、多无人机管理等设置，完成软件***的联机运行；
S3，无人机监控作业；在无人机飞行准备过程中，由监控主机利用多无人机监控软件实现多无人机预先任务规划，分别向相应的无人机监控组推送无人机飞行任务规划方案，无人机监控组的监控计算机将接收的飞行任务规划方案进一步精确规划，明确监控组内无人机的任务分配和航迹规划计划，并将计划发送至相应的无人机地面控制站；在无人机执行任务过程中，各无人机监控组采集并共享无人机的实时状态数据，各无人机和监控中心均能实时监测区域内多无人机的飞行状态、掌握区域内无人机的空情信息，监控中心和各监控计算机根据动态变化态势及时沟通并进行任务再规划，监控中心负责多无人机的任务粗规划、各监控计算机负责其相应无人机的任务细规划，并及时更新无人机飞行航线和任务分配目标。
进一步的，所述S2步骤中，多无人机监控软件***包括多无人机管理子模块、地图操作子模块、多无人机任务分配子模块、多无人机航迹规划子模块、无人机状态显示子模块和数据上报子模块。
进一步的，所述S2步骤中，数据采集设备包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块。
进一步的，所述图像采集硬件子模块包括图像采集卡、接口转换设备，且接口转换设备为VGA、VGA转HDMI+VGA、BNC转AV等接口转换设备中的任意一种或几种；所述遥测数据采集硬件模块包括网线、交换机、文字识别设备。
本发明可有效实现无人机***之间、多无人机***与指挥中心之间的信息连通交互，实现对疏散配置、型号性能不同的异构多无人机***的状态监控作业的需要，同时可实现不同型号无人机的数据采集，构建异构多无人机图像和遥测数据网络传输和监测的手段，实现异构多无人机的任务规划，从而达到了优化复杂环境下异构多无人机***的空域资源分配和管控，实现多无人机安全高效的监控的目的。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为本发明***体系架构；
图3为本发明***硬件组成；
图4为本发明***软件组成；
图5为本发明***软件流程；
图6为本发明状态监测界面；
图7为本发明任务分配界面；
图8为本发明航迹规划界面。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1—8所示，一种异构多无人机监控***，包括监控中心主机、数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及多无人机监控软件，所述监控中心主机通过交换机与若干无人机监控组建立数据连接，无人机监控组均包括通信硬件设备、数据采集设备及监控计算机，监控计算机运行多无人机监控软件，且无人机监控组的通信硬件设备分别与至少一个监控计算机建立数据连接，所述监控计算机通过数据采集设备与无人机地面控制站建立数据连接。
优选的，所述数据采集设备包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块，其中所述图像采集硬件子模块包括图像采集卡、接口转换设备、连接线缆，其中所述连接线缆分别与图像采集卡、接口转换设备电气连接；所述遥测数据采集硬件子模块包括交换机、文字识别设备及连接线缆。
优选的，所述通信硬件设备包括双绞线通讯、光纤通讯、以太网远传+被复线通讯、微波接力和卫星通讯中的任意一种或几种共同使用。
一种异构多无人机监控***的构建方法，包括如下步骤：
S1，***组网，首先根据参与任务的无人机数量、类型、飞行任务及任务区域环境条件，以多无人机指挥中心为监控网络中心、各无人机监控组为节点构成星型网络通信架构，构建多无人机***与指挥中心、无人机***之间的通信网络，监控中心通过交换机与无人机监控组连接，每个无人机监控组均与至少一个无人机***配套，然后将数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及无人机地面控制站连接起来，构成相应的无人机监控组，每个无人机监控组与监控中心建立数据连接，完成***连接组网；
S2，监控***设置，完成S1步骤后，监控主机、各监控计算机均运行多无人机监控软件，完成监控软件的数据采集、通信网络、多无人机管理等设置，完成软件***的联机运行；
S3，无人机监控作业；在无人机飞行准备过程中，由监控主机利用多无人机监控软件实现多无人机预先任务规划，分别向相应的无人机监控组推送无人机飞行任务规划方案，无人机监控组的监控计算机将接收的飞行任务规划方案进一步精确规划，明确监控组内无人机的任务分配和航迹规划计划，并将计划发送至相应的无人机地面控制站；在无人机执行任务过程中，各无人机监控组采集并共享无人机的实时状态数据，各无人机和监控中心均能实时监测区域内多无人机的飞行状态、掌握区域内无人机的空情信息，监控中心和各监控计算机根据动态变化态势及时沟通并进行任务再规划，监控中心负责多无人机的任务粗规划、各监控计算机负责其相应无人机的任务细规划，并及时更新无人机飞行航线和任务分配目标。
本实施例中，所述S2步骤中，多无人机监控软件***包括多无人机管理子模块、地图操作子模块、多无人机任务分配子模块、多无人机航迹规划子模块、无人机状态显示子模块和数据上报子模块。
多无人机监控软件，实现多无人机管理、航迹规划、任务分配、无人机状态监测等功能，实现对整个任务区域无人机的态势感知和指挥控制。
多无人机监控软件的工作流程，主要包含了初始设置、网络连通、数据采集、状态监测、任务分配、航迹规划、成果报告等环节。初始设置，是实现多无人机管理参数设置、威胁参数设置、任务规划参数设置等；网络连通，是实现各监控计算机之间、监控计算机与对应的无人机地面站的网络设置和数据交互传输；数据采集，是实现各无人机地面站的图像和遥测数据采集、传输至监控中心；状态监测，是指各监控计算机实现对多无人机***的实时状态监测；任务分配，是指监控中心对各无人机进行任务分配，任务分配包括飞行前任务预先分配和飞行中的任务动态分配；航迹规划，是指监控中心或各监控计算机，根据分配的任务，规避威胁区域，确定最优飞行航迹，航迹规划包括飞行前航迹预先规划和飞行中的航迹动态规划；成果报告，是指将重要的飞行状态生成报告，并上报成果。具体流程为：
①多无人机管理子模块。模块功能主要包括接口功能和管理功能，接口功能主要有通信链路维护、信息接收和信息转发等，管理功能主要有任务管理、资源管理和成员管理等。多无人机管理子模块向航迹规划和任务分配子模块输入任务信息、资源信息和成员信息等。
②地图操作子模块。模块功能主要是实现数字地图的可视化，构建任务规划的二维和三维地图场景。地图操作模块基于开源软件库OSG/OSGEarth开发，实现高程数据和影像数据的加载，建立具备真实感的数字地球。地理信息***构件能够多级分层动态加载地图数据，支持标注、测量、地图漫游等功能，具备丰富的二维和三维地图显示元素，为多无人机监控提供地理信息并构建可视化的显示平台。
③状态监测子模块。模块功能主要是无人机状态参数的显示，实现多无人机的可视化实时监测。在软件状态显示区域，显示出无人机位置、姿态、速度、图像等，并在数字地图上标绘航迹线。如图6所示为状态监测软件界面，状态监测主要操作步骤包括：选取无人机编号ID，连通网络，显示区域显示参数和图像。
④任务分配子模块。模块功能主要是无人机任务模型构建和任务分配功能，实现飞行前任务预分配和飞行中的任务动态分配，得到高效合理的任务分配方案。任务分配模块支持任务分配结果自动生成，同时也具备任务调整的手工操作功能。如图7所示为任务分配软件界面，任务分配主要操作步骤包括：点击任务分配菜单，在任务分配子窗口加载数据文件，点击选取任务分配算法，在显示区域以图示形式显示分配结果。
⑤航迹规划子模块。模块功能主要是实现无人机航迹模型构建和航迹规划等功能，实现飞行前航迹预先规划和飞行中的航迹动态规划，得到安全有效的飞行航迹。航迹规划模块支持自动航程生成，同时也具备航程点***、删除、调整、查询等手工操作功能。如图8所示为航迹规划软件界面，航迹规划主要操作步骤包括：点击航迹规划菜单，在航迹规划子窗口依次点击无人机选取、目标选取、威胁标绘、航程估算、任务分配、航迹搜索、航迹调整、航迹平滑等，在数字地图上绘制出任务规划结果。
⑥成果报告子模块。模块功能主要是实现将状态监控成果的保存和输出。以图表形式生成状态监测和任务规划的关键数据成果，并将成果保存和输出。
与此同时，所述S2步骤中，数据采集设备包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块。
其原理架构及操作步骤表述为：通过数据采集设备获取不同型号的无人机地面控制站的图像和遥测数据，并输入至终端监控计算机；各终端监控计算机与监控中心计算机构建通信网络，采用交换机、远传、***、无线通信设备等组网，实现多无人机和监控中心的信息分发。
主要用于实现对多无人机***的数据采集，从不同型号的无人机地面控制站，通过数据采集设备获取多无人机的图像和遥测数据，并通过数据传输网络传输至监控计算机和监控软件，为多无人机状态监测和任务规划提供所需的数据信息源。
数据采集硬件模块主要包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块等，数据采集硬件模块设计需要重点考虑数据接口的通用性和可扩展性，能够适应不同无人机***的数据采集方式。
进一步优化说明的，所述图像采集硬件子模块包括图像采集卡、接口转换设备、连接线缆等。图像采集卡用于采集无人机地面站接收到的视频图像，选用支持HDMI、SDI、DVI、AV、VGA等多种数据输入接口的高清采集卡，以适应不同型号的无人机***；接口转换设备主要将无人机地面控制站的专用接口转换为可采集的通用接口，如航空专用接口转通用VGA、VGA转HDMI+VGA、BNC转AV等接口转换设备，不同无人机地面控制站的输出接口不同，部分型号无人机采用的是专用接口，需要进行接口转换。需要指出的是，若无人机地面站预留有视频图像输出接口，则可经该输出接口进行图像采集；若无人机地面站没有预留接口，则可通过将地面控制站内的视频线缆经一分二转换器，引出一路输出视频。
遥测数据采集硬件模块主要包括网线、交换机、文字识别设备等，可选用遥测数据协议解析、网络文件共享、遥测参数屏幕文字自动识别、手动输入、单收站接收等方式。需要采集的遥测数据主要包括飞机姿态角、位置信息、高度、速度等参数，结合不同类型无人机地面控制站的实际配置，灵活选用具体的采集方法。遥测数据协议解析方式，是在已知遥测数据通信协议的情况下，基于协议解析并接收遥测数据流，该方法要求能从无人机厂家获取通信协议，在数据解析时需要注意遥测数据包的类型、位数、正负号和参考坐标系等。网络文件共享方式，是通过网络共享无人机地面控制站保存的遥测数据文件，无人机地面控制站通常会将遥测数据实时或定期保存，将监控计算机和无人机地面控制站联网，通过共享的方式监测并读取该数据文件，当遥测数据文件更新数据时，及时采集更新的无人机遥测数据。遥测参数屏幕文字自动识别方式，是通过图像采集卡采集地面控制站的监控屏幕，通过数字识别技术，检测识别出屏幕上的飞机参数数据，若无人机地面控制站包含多个监控屏幕，一个监控屏幕未能包含完整的遥测数据，可通过多个采集通道采集多个屏幕，对多个界面分别进行数字识别、获取完整的遥测数据；手动输入方式，是在通过在无人机监控计算机手动输入数据，并进行数据转发；单收站接收方式，是指通过架设无线数据接收单收站，并通过单收站输出数据给监控计算机，该方法不需通过无人机地面控制站输出数据。
此外，所述通信硬件设备在运行时，多无人机地面控制站和监控中心配置监控计算机，用于搭建运行多无人机监控软件的硬件平台，监控计算机采用便携式工控机。各监控计算机之间构建通信网络实现信息共享，拟采用远传设备、交换机、***、无线传输设备等设备组网，满足多无人机***和监控中心间的信息传输。
近距离网络数据传输采用交换机加双绞线网线连接来完成，但双绞线在传输距离越过100米将产生严重的网络信号衰减和畸变，数据传输的稳定性和有效性将大打折扣。远距离传输可考虑采用光纤传输，光纤通信距离远、容量大、衰减小、不受电磁噪声干扰，但光纤在野外环境下使用存在布设步骤复杂、维护工作繁琐、配套设备较多、使用成本较高等问题。远距离传输还可考虑采用以太网远传+被复线的远距离网络传输方案，该方案具有需用设备少、线路布设方便、设备连接简单、经济效益较高等优点。远距离传输还可考虑接入微波接力和卫星通信等无线传输的方式。实际应用中，根据无人机控制站的布设条件和距离，来确定通信传输方式。
本发明可有效实现无人机***之间、多无人机***与指挥中心之间的信息连通交互，实现对疏散配置、型号性能不同的异构多无人机***的状态监控作业的需要，同时可实现不同型号无人机的数据采集，构建异构多无人机图像和遥测数据网络传输和监测的手段，实现异构多无人机的任务规划，从而达到了优化复杂环境下异构多无人机***的空域资源分配和管控，实现多无人机安全高效的监控的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种异构多无人机监控***，其特征在于，所述异构多无人机监控***包括监控中心主机、数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及多无人机监控软件，所述监控中心主机通过交换机与若干无人机监控组建立数据连接，无人机监控组均包括通信硬件设备、数据采集设备及监控计算机，监控计算机运行多无人机监控软件，且无人机监控组的通信硬件设备分别与至少一个监控计算机建立数据连接，所述监控计算机通过数据采集设备与无人机地面控制站建立数据连接；
所述数据采集设备包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块，其中所述图像采集硬件子模块包括图像采集卡、接口转换设备、连接线缆，其中所述连接线缆分别与图像采集卡、接口转换设备电气连接；所述遥测数据采集硬件子模块包括交换机、文字识别设备及连接线缆；
所述异构多无人机监控***的构建方法，包括如下步骤：S1，***组网，首先根据参与任务的无人机数量、类型、飞行任务及任务区域环境条件，以多无人机指挥中心为网络监控中心、各无人机监控组为节点构成星型网络通信架构，构建多无人机***与指挥中心、无人机***之间的通信网络，监控中心通过交换机与无人机监控组连接，每个无人机监控组均与至少一个无人机***配套，然后将数据采集设备、通信硬件设备、监控计算机及无人机地面控制站连接起来，构成相应的无人机监控组，每个无人机监控组与监控中心建立数据连接，完成***连接组网；
S2，监控***设置，完成S1步骤后，监控主机、各监控计算机均运行多无人机监控软件，完成监控软件的数据采集、通信网络、多无人机管理设置，完成软件***的联机运行；
S3，无人机监控作业；在无人机飞行准备过程中，由监控主机利用多无人机监控软件实现多无人机预先任务规划，分别向相应的无人机监控组推送无人机飞行任务规划方案，无人机监控组的监控计算机将接收的飞行任务规划方案进一步精确规划，明确监控组内无人机的任务分配和航迹规划计划，并将计划发送至相应的无人机地面控制站；在无人机执行任务过程中，各无人机监控组采集并共享无人机的实时状态数据，各无人机和监控中心均能实时监测区域内多无人机的飞行状态、掌握区域内无人机的空情信息，监控中心和各监控计算机根据动态变化态势及时沟通并进行任务再规划，监控中心负责多无人机的任务粗规划、各监控计算机负责其相应无人机的任务细规划，并及时更新无人机飞行航线和任务分配目标；
所述S2步骤中，多无人机监控软件***包括多无人机管理子模块、地图操作子模块、多无人机任务分配子模块、多无人机航迹规划子模块、无人机状态显示子模块和数据上报子模块；
所述多无人机管理子模块包括接口功能和管理功能，结构功能为通信链路维护、信息接收和信息转发；管理功能为任务管理、资源管理和成员管理；多无人机管理子模块向航迹规划和任务分配子模块输入任务信息、资源信息和成员信息；
所述地图操作子模块用于实现数字地图的可视化，构建任务规划的二维和三维地图场景；地图操作模块基于OSG/SOFEarth开发，实现高程数据和影像数据的加载，建立具备真实感的数字地球；
所述无人机状态显示子模块用于无人机状态阐述的显示，实现多无人机的可视化实时监测，在软件状态显示区域，显示出无人机位置、姿态、速度、图像信息；并在数字地球上标绘航迹线；
所述任务分配子模块用于无人机任务模型构建和任务的分配，实现飞行前任务预分配和飞行中的任务动态分配，得到高效合理的任务分配方案；
所述航迹规划子模块用于实现无人机航迹模型构建和航迹规划，实现飞行前航迹预先规划和飞行中的航迹动态规划，得到安全有效的飞行航迹；
成果报告子模块用于实现状态监控成果的保存和输出，以图表形式生成状态监测和任务规划的关键数据成果，并将成果保存和输出；
所述S2步骤中，数据采集设备包括图像采集硬件子模块和遥测数据采集硬件子模块；
所述图像采集硬件子模块包括图像采集卡、接口转换设备，且接口转换设备为VGA、VGA转HDMI+VGA、BNC转AV接口转换设备中的任意一种或几种；所述遥测数据采集硬件模块包括网线、交换机、文字识别设备。
2.根据权利要求1所述的一种异构多无人机监控***，其特征在于，所述通信硬件设备包括双绞线通讯、光纤通讯、以太网远传+被复线通讯、微波接力和卫星通讯中的任意一种或几种共同使用。
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