CN116320988B - 基于无人机集群的牧群动态组网通信方法及*** - Google Patents

基于无人机集群的牧群动态组网通信方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明请求保护的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法及***，通过初始化无人机集群，将无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机；牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息；当手持基站无法接收到牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定牦牛发生脱管事件；手持基站分析出牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给无人机执行找牛任务；无人机依据找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报。本方案针对大规模牧场脱管牲畜的及时响应，远距离精准搜寻，基于无人机实现动态通信以及脱管牲畜走失的快速响应。

Description

基于无人机集群的牧群动态组网通信方法及***
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体的，涉及基于无人机集群的牧群动态组网通信方法及***。
背景技术
受限于青藏高原极端自然地理条件，牧区每年有近8个月的冷季缺草期，牦牛生长缓慢（5-6年出栏），养殖风险极高（10%损失率），经济效率极低。历经建设，村镇居住区实现了通路、通水、通电、通网络，但大面积的牧场仍然是无电、无网条件（建设代价太大）。因此，定居放牧“固定牧场内轮牧”和半定居游牧“大范围公共牧场内游牧”的家庭牧场养殖仍是高原藏区最主要的养殖生产模式。放牧养殖必然面临区域广、距离远、山路艰险等条件制约，冷季草料运送、投放困难，对病、弱、丢失的牲畜难以搜寻和人工干预等现实困难。
国内外在农业物联网，移动动态组网，生物集群运动模型，无人人集群应用，边-端融合组网等方面，都有一些研究，但是，在极端/偏远条件下，以手持基站为中心节点的边端网络的动态链接与可靠数据传输为题，符合牧群运动演进特点的自组网网络架构及通信方式，无人机（集群）基站的空中介入，无人机集群任务规划、动态组网于一体的空-地通信机制。
发明内容
本发明面向高海拔、高寒、无电无网（仅村镇有移动通信网络）的偏远条件，拟构建以乡镇为单位区域性广域网络，支撑远距离（40公里半径）通信、边端多基站灵活接入（数百个手持基站）、多终端（10万头牦牛项圈）动态通信的低成本物联网网络。放牧物联网边缘通信链路包括“北斗短报文”直通链路、数图传本地链路。“北斗短报文”直通链路支撑关键数据和控制指令的全网传输，使得基站网络自成一体、高效可靠，并通过动态组织、调配优化整个网络的资源分配。
根据本发明的第一方面，本发明请求保护基于无人机集群的牧群动态组网通信方法，包括步骤：
初始化无人机集群，将所述无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机；
所述牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，所述牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息；
当所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件；
所述手持基站分析出所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务；
所述无人机依据所述找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报。
优选的，所述初始化无人机集群，将所述无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机，具体包括：
所述无人机集群至少包括第一无人机机组、第二无人机机组、第三无人机机组；
所述第一无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第二无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第三无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第一无人机机组执行定时唤醒任务，定时向牦牛佩戴的项圈发出唤醒指令；
所述第二无人机机组执行数据收集任务，用于接收牦牛佩戴的项圈发出的定位数据信息；
所述第三无人机机组执行特殊任务，用于搜索脱管牦牛。
优选的，所述牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，所述牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息，具体包括：
所述无人机定时向所述牦牛佩戴的项圈发出唤醒指令；
当所述牦牛佩戴的项圈接收到所述唤醒指令后，获取自身的定位数据信息，并发送给所述手持基站；
所述手持基站将收到的所述项圈的定位数据信息发送至北斗卫星，北斗卫星通过北斗短报文发送至边缘服务器和北斗基站控制中心；
云平台接收所述定位数据信息，移动终端向用户终端显示牦牛的项圈的定位数据信息。
优选的，所述当所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件，具体包括：
当所述牦牛运动到超出所述项圈的通信范围之外时，所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息；
当手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件，向北斗卫星发出脱管报警；
所述北斗卫星将所述脱管报警发送至边缘服务器，所述边缘服务器向所述无人机发出脱管报警，激活所述无人机进入找牛待命状态。
优选的，所述手持基站分析出所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务，具体包括：
获取所述牦牛在脱管事件发生前的自然放牧状态下的随机运动参数和所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域；
依据所述随机运动参数和最终位置区域，分析得到所述牦牛的预测脱管行进方向；
获取所述牦牛的脱管事件的发生时间和无人机执行任务所需要花费的历史时间；
依据所述牦牛的预测脱管行进方向、脱管事件的发生时间和无人机执行任务所需要花费的历史时间，预测得出所述牦牛的预测脱管行进区域；
依据所述牦牛的预测脱管行进区域形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务。
优选的，所述无人机依据所述找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报，具体包括：
依据所述牦牛的预测脱管行进区域和脱管牦牛的数量，分配无人机用于执行找牛任务；
所述无人机生成的航线满足覆盖所述预测脱管行进区域的范围，多个脱管牲畜的随机运动范围构成所述无人机执行空中运动的航线规划依据。
根据本发明第二方面，本发明请求保护基于无人机集群的牧群动态组网通信***，其特征在于，包括：
多个手持基站、牦牛佩戴的项圈、多架无人机、北斗基站控制中心、地面站数据中心、北斗卫星、云平台；
所述基于无人机集群的牧群动态组网通信***用于执行所述的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法。
本发明请求保护的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法及***，通过初始化无人机集群，将无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机；牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息；当手持基站无法接收到牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定牦牛发生脱管事件；手持基站分析出牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给无人机执行找牛任务；无人机依据找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报。本方案针对大规模牧场脱管牲畜的及时响应，远距离精准搜寻，基于无人机实现动态通信以及脱管牲畜走失的快速响应。
附图说明
图1为本发明所涉及的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法的工作流程图；
图2为本发明所涉及的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法的第二工作流程图；
图3为本发明所涉及的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法的第三工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
面向“大范围公共牧场内游牧”场景，单个牧场约数十（甚至上百）平方公里，数十个家庭牧群，上万头牲畜自然放牧。每日放牧管理的中间阶段（约7小时，80%的放牧时间）为自然放牧环节，牧民不在牲畜周围驻守，牧群运动距离远、范围大，极有可能超出手持基站的通信覆盖范围，导致手持基站监管失效。无人机（集群）基站的空中介入并提供通信服务是实现放牧管理的关键和难点。
高原山地牧场地形复杂、隐匿性强，是诱发牲畜丢失的重要原因。尤其当牧群动态演进并分布在山谷区域时，即便无人机空中介入也难以持续链接通信（地形遮挡的同时，牧群与无人机均动态演进）。面向的“找牛”应用场景，需要边缘服务器快速抽取无人机拍摄的牧群分布画面，并精准识别分布在沟谷地带的牧群数量，测算搜集牧群数据所需要的时间并用以规划无人机飞行航线，确保无人机与地面牧群的时空匹配，实现精准“找牛”与数据收集。建立集牧群数据抽取、三维地形数据映射、无人机集群任务规划、动态组网于一体的空-地通信机制，是智慧“找牛”应用的关键技术。
根据本发明的第一实施例，参照附图1，本发明请求保护基于无人机集群的牧群动态组网通信方法，包括步骤：
初始化无人机集群，将所述无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机；
所述牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，所述牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息；
当所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件；
所述手持基站分析出所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务；
所述无人机依据所述找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报。
在该实施例中，以手持基站为中心节点的边端网络支撑家庭牧群直接管理，呈固定层级关系，放牧物联网高效可靠通信的关键在于手持基站对家庭牧群的有效通信覆盖和稳定链接。
“自由放牧”模式下的牧群高效自组网通信机理：以家庭放牧日常管理活动为主线，以家庭牧群的放牧运动模型及其演化规律，构建以项圈-耳标、手持基站、无人机基站为关键节点的高效自组网通信机理，实现“自由放牧”的监管。
优选的，所述初始化无人机集群，将所述无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机，具体包括：
所述无人机集群至少包括第一无人机机组、第二无人机机组、第三无人机机组；
所述第一无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第二无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第三无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第一无人机机组执行定时唤醒任务，定时向牦牛佩戴的项圈发出唤醒指令；
所述第二无人机机组执行数据收集任务，用于接收牦牛佩戴的项圈发出的定位数据信息；
所述第三无人机机组执行特殊任务，用于搜索脱管牦牛。
多个家庭牧群，在公共牧场条件下自由放牧监管，构成为：多个手持基站，项圈耳标，无人机站点，多架放牧无人机。当牧群超出手持基站管理范围，采用无人机组建通信，对于脱管的牲畜，通过手持基站有报警，信息返回到平台，平台将脱管信息发送给边缘服务器和无人机站点，无人机站点规划搜寻脱管牲畜的飞行航线和飞行任务，指派无人机集群实施任务，无人机与脱管牲畜建立通信，收集数据，上传平台，手持基站通过平台信息获得完整的家庭牧群数据信息及位置分布。
优选的，所述牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，所述牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息，具体包括：
所述无人机定时向所述牦牛佩戴的项圈发出唤醒指令；
当所述牦牛佩戴的项圈接收到所述唤醒指令后，获取自身的定位数据信息，并发送给所述手持基站；
所述手持基站将收到的所述项圈的定位数据信息发送至北斗卫星，北斗卫星通过北斗短报文发送至边缘服务器和北斗基站控制中心；
云平台接收所述定位数据信息，移动终端向用户终端显示牦牛的项圈的定位数据信息。
优选的，参照附图2，所述当所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件，具体包括：
当所述牦牛运动到超出所述项圈的通信范围之外时，所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息；
当手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件，向北斗卫星发出脱管报警；
所述北斗卫星将所述脱管报警发送至边缘服务器，所述边缘服务器向所述无人机发出脱管报警，激活所述无人机进入找牛待命状态。
牧群的持续运动会导致牲畜脱离手持基站的监管范围，进而触发无人机放牧监管任务。然而，无人机的介入需要准备、规划和飞行入场，实际任务响应必然滞后。面向自然放牧监管，需要以手持基站数据为初始输入，基于牧群动力学模型测算牲畜的运动演化与分布特点，提前生成无人机（集群）基站的空中介入任务与方案（无人机数量、航线规划、任务时间等），以及任务执行过程中的动态协同。
优选的，参照附图3，所述手持基站分析出所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务，具体包括：
获取所述牦牛在脱管事件发生前的自然放牧状态下的随机运动参数和所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域；
依据所述随机运动参数和最终位置区域，分析得到所述牦牛的预测脱管行进方向；
获取所述牦牛的脱管事件的发生时间和无人机执行任务所需要花费的历史时间；
依据所述牦牛的预测脱管行进方向、脱管事件的发生时间和无人机执行任务所需要花费的历史时间，预测得出所述牦牛的预测脱管行进区域；
依据所述牦牛的预测脱管行进区域形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务。
其中，在自然放牧状态下，牲畜的随机运动是可以由上述牧群动力学模型进行预测的，主要受制于牲畜的运动速度。当脱管时间确定，无人机执行任务的时间可预测的情况下，牲畜随机运动的范围也就可以基于上一次的位置进行确定。
无人机生成的航线需要满足覆盖上述随机运动的范围，多个脱管牲畜的随机运动范围构成了无人机机组执行空中运动的航线规划依据。
脱管牲畜的数量和分布位置，直接影响派出无人机的数量。
在该实施例中，无人机之间需要进行任务分工，例如，承担唤醒地面项圈无人机，执行项圈数据收集的无人机，执行特殊搜救任务的无人机，无人机之间的相互配合，可以确保动用最少的无人机实现最多的牲畜的搜寻。
在无人机执行任务的过程中，脱管事件在持续发生变化，可能出现原有脱管的牧群或是牲畜恢复到手持基站的管理范围，或是发生新的脱管事件，这都会导致无人机搜寻任务发生变化，相关任务的变化由整个放牧管理***进行调节，最终，由地面站更新无人机的新飞行任务，进行及时的任务调整。
优选的，所述无人机依据所述找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报，具体包括：
依据所述牦牛的预测脱管行进区域和脱管牦牛的数量，分配无人机用于执行找牛任务；
所述无人机生成的航线满足覆盖所述预测脱管行进区域的范围，多个脱管牲畜的随机运动范围构成所述无人机执行空中运动的航线规划依据。
对于本实施例中的无人机集群的找牛任务，在脱管事件发生后，与云平台、边缘服务器、手持终端之间形成云-边-端资源调配与无人机协同放牧机制。
在该机制中，通过边界条件、演进规律、脱管预警、资源调配、任务规划实现找牛任务；
具体的，边界条件包括各牧群初始位置、手持基站位置、牧草分布规律、各牧群结规模和各牧群结构等项，边界条件的各项是以手持基站为关键终端，通过牧民输入（牧群结构，牧草分布规律）和放牧管理***监测（初始位置，手持基站位置、牧群规模）获得相关数据；
演进规律包括分散规律、各牧群集中度、群组数量、群组尺度，所述演进规律为嵌入在***中的计算机程序，将***中收集到的牧群分布规律进行整理分类；
脱管预警为手持基站收集到的信息在放牧管理***中对比后进行自动预警，具体包括家庭牧群链接规模、家庭牧群中心位置、家庭牧群稳定链接率、脱管牲畜ID、脱管牲畜数量；
放牧管理***将脱管事件调配给边端服务器进行处理，由地面站进行执行任务规划并实施
根据本发明第二实施例，本发明请求保护基于无人机集群的牧群动态组网通信***，其特征在于，包括：
多个手持基站、牦牛佩戴的项圈、多架无人机、北斗基站控制中心、地面站数据中心、北斗卫星、云平台；
所述基于无人机集群的牧群动态组网通信***用于执行所述的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法。
所述云平台采用阿里云平台。
本领域技术人员能够理解，本公开所披露的内容可以出现多种变型和改进。例如，以上所描述的各种设备或组件可以通过硬件实现，也可以通过软件、固件、或者三者中的一些或全部的组合实现。
本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的方法的步骤。应当理解的是，前面或后面的步骤不一定按照顺序来精确的进行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分的步骤可通过计算机程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开并不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
除非另有定义，这里使用的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
以上是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本公开由权利要求书及其等效物限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.基于无人机集群的牧群动态组网通信方法，其特征在于，包括步骤：
初始化无人机集群，将所述无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机；
所述牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，所述牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息；
当所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件；
所述手持基站分析出所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务；
所述无人机依据所述找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报；
所述手持基站分析出所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域和预测脱管行进区域，形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务，具体包括：
获取所述牦牛在脱管事件发生前的自然放牧状态下的随机运动参数和所述牦牛发生脱管事件前的最终位置区域；
依据所述随机运动参数和最终位置区域，分析得到所述牦牛的预测脱管行进方向；
获取所述牦牛的脱管事件的发生时间和无人机执行任务所需要花费的历史时间；
依据所述牦牛的预测脱管行进方向、脱管事件的发生时间和无人机执行任务所需要花费的历史时间，预测得出所述牦牛的预测脱管行进区域；
依据所述牦牛的预测脱管行进区域形成找牛指令并发送给所述无人机执行找牛任务；
所述无人机依据所述找牛指令在搜索区域内执行找牛任务，并将找牛结果上报，具体包括：
依据所述牦牛的预测脱管行进区域和脱管牦牛的数量，分配无人机用于执行找牛任务；
所述无人机生成的航线满足覆盖所述预测脱管行进区域的范围，多个脱管牲畜的随机运动范围构成所述无人机执行空中运动的航线规划依据。
2.如权利要求1所述的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法，其特征在于，所述初始化无人机集群，将所述无人机集群划分为执行不同通信任务的无人机，具体包括：
所述无人机集群至少包括第一无人机机组、第二无人机机组、第三无人机机组；
所述第一无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第二无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第三无人机机组包括一架或多架无人机；
所述第一无人机机组执行定时唤醒任务，定时向牦牛佩戴的项圈发出唤醒指令；
所述第二无人机机组执行数据收集任务，用于接收牦牛佩戴的项圈发出的定位数据信息；
所述第三无人机机组执行特殊任务，用于搜索脱管牦牛。
3.如权利要求1所述的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法，其特征在于，所述牧群中牦牛在预设地区范围内进行活动，所述牦牛佩戴的项圈定时向放牧用户的手持基站发送定位数据信息，具体包括：
所述无人机定时向所述牦牛佩戴的项圈发出唤醒指令；
当所述牦牛佩戴的项圈接收到所述唤醒指令后，获取自身的定位数据信息，并发送给所述手持基站；
所述手持基站将收到的所述项圈的定位数据信息发送至北斗卫星，北斗卫星通过北斗短报文发送至边缘服务器和北斗基站控制中心；
云平台接收所述定位数据信息，移动终端向用户终端显示牦牛的项圈的定位数据信息。
4.如权利要求1所述的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法，其特征在于，所述当所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件，具体包括：
当所述牦牛运动到超出所述项圈的通信范围之外时，所述手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息；
当手持基站无法接收到所述牦牛佩戴的项圈发送的定位数据信息时，认定所述牦牛发生脱管事件，向北斗卫星发出脱管报警；
所述北斗卫星将所述脱管报警发送至边缘服务器，所述边缘服务器向所述无人机发出脱管报警，激活所述无人机进入找牛待命状态。
5.基于无人机集群的牧群动态组网通信***，其特征在于，包括：
多个手持基站、牦牛佩戴的项圈、多架无人机、北斗基站控制中心、地面站数据中心、北斗卫星、云平台；
所述基于无人机集群的牧群动态组网通信***用于执行如权利要求1-4任一项所述的基于无人机集群的牧群动态组网通信方法。
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