CN106125758A - 一种无人机编队控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机编队控制系统及方法。解决现有多架无人机没有编队控制，操作繁琐且容易出现碰撞的问题。系统包括遥控器、主控机和僚机，遥控器包括相连的控制单元和第一无线通信单元，主控机和僚机都包括处理单元、第二无线通信单元、第三无线通信单元、GPS定位单元、高度传感器单元，第一无线通信单元分别与主控机、僚机的第二无线通信单元相连，主控机的第三无线通信单元与僚机的第三无线通信单元相连。无人机编队通过精确位置定位，模拟飞行路线来实现编队飞行。发明的优点是能同时控制多个无人机，多架无人机之间形成编队进行飞行，这使得无需多人进行操控，减少了操作繁琐度，并且也减少了多架无人机之间发生碰撞的问题。

Description

一种无人机编队控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无人机技术领域，尤其是涉及一种无人机编队控制系统及方法。

背景技术

无人机是一种拥有动力装置的无人驾驶飞行系统。它具有广泛的应用，既可以用于航拍、交通巡逻等民用领域，也可以用于侦查、监控等军事领域。

目前民用领域使用的无人机一般为小型或微型无人机，且一般都是由一个遥控器来控制一个无人机，当需要在大面积场合进行勘测或巡逻等方面使用时，往往一个无人机并不够用，都需要多个无人机同时进行使用，这时普通的无人机就存在缺点，因为是一一对应遥控控制，多架无人机就需要多个人进行控制，需要增加了人力，效率也低，并且由多人控制多架无人机，在操纵过程中还容易出现操纵失误，导致无人机相碰撞。比如采用无人机完成农药喷洒人物，实际应用时为了提高效率，一片田会用到多架无人机同时工作，若由多个人分别控制多个无人机进行操作，不仅需要增加人力资源，且由于由不同人进行控制，在遥控过程中还容易出现相互碰撞的问题，另外在回收时还需要人为进行一架架进行回收，这些都大大增加了工作的繁琐度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中多架无人机没有编队控制，操作繁琐且容易出现碰撞的问题，提供了一种适用于多架无人机，操作方便，防止碰撞的无人机编队控制系统及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种无人机编队控制系统，包括遥控器、主控机和僚机，所述遥控器包括控制单元、第一无线通信单元，第一无线通信单元与控制单元连接，所述主控机和僚机都包括处理单元、第二无线通信单元、第三无线通信单元、GPS定位单元、高度传感器单元，所述第二无线通信单元、第三无线通信单元、GPS定位单元、高度传感器单元分别与处理单元相连，第一无线通信单元分别与主控机、僚机的第二无线通信单元无线相连，主控机的第三无线通信单元与僚机的第三无线通信单元无线相连；

遥控器：将操作指令发送给主控机，接收主控机和僚机的位置信息和飞行数据；飞行数据包括飞行方向、飞行速度，位置信息包括水平位置信息、高度位置信息。GPS定位单元对无人机水平位置信息进行定位，高度传感器单元对无人机的高度位置信息进行检测，可以采用气压传感器。主控机、僚机实时将自身的飞行参数发送给遥控器。操作指令为飞行转向指令。

主控机：接收遥控器的操作指令并转发给僚机，同时还实时将自身位置信息、飞行数据转发给僚机，主控机根据操作指令进行飞行控制，在编队移动过程中实时根据自身的位置信息计算出僚机的编队位置信息并发送给僚机；主控机每隔一段时间与僚机通信一次，主控机实时计算僚机编队位置信息，并将与僚机编队位置信息对应的自身飞行参数发送给僚机。

僚机：实时向主机发送自身位置信息、飞行数据，根据主控机飞行数据与主控机汇合形成编队，在编队移动时根据操作指令、僚机编队位置信息、主控机飞行数据计算出在指令反应时间内僚机编队跟随路线，僚机根据编队飞行路线进行飞行。僚机从主控机处接收操作指令，进行编队飞行。僚机在接收到操作指令后在一个设定的指令反应时间内完成飞行操作，使僚机与主控机保持编队阵型，指令反应时间一般很短，在指令反应时间内，主控机、僚机再接收到操作指令，则不执行，在指令反应时间后再执行操作指令。

本发明使得一个遥控器能同时控制多个无人机，多架无人机之间形成编队进行飞行，这使得无需多人进行操控，减少了操作繁琐度，并且也减少了多架无人机之间发生碰撞的问题。

作为一种优选方案，所述遥控器还包括有地图单元，地图单元与控制单元相连接。地图单元能根据接收的主控机和僚机的飞行数据主要是位置信息来显示地图，并将主控机和僚机在地图上进行定位显示。

作为一种优选方案，所述主控机和僚机都还包括有角度传感器单元，角度传感器单元与处理单元相连。角度传感器对无人机俯仰角度进行检测，并通过处理单元控制无人机保持水平姿态飞行。

作为一种优选方案，所述僚机还包括有超声波测距单元，超声波测距单元与处理单元相连。超声波测距单元能对与主控机之间的距离进行检测，在检测到距离过近时能控制僚机增加一个向外侧飞行的量，使僚机与主控机拉开距离，防止相撞。

一种无人机编队控制方法，包括无人机编队汇合控制步骤和编队飞行控制步骤，

编队汇合控制步骤包括：

S11.遥控器控制主控机和僚机起飞分别起飞，控制主控机处在悬停状态，主控机向僚机发送开始编队命令和主控机位置A₀的位置信息；

S12.僚机根据主控机的位置信息向主控机靠拢，到达相距主控机距离为L位置B₀′后停止，组成编队队列，L为设定的主控机与僚机编队间距值；编队距离值为预先设定的在组成编队队列后主控机与僚机之间的距离。主控机与僚机自己实时互相发送自身位置信息、飞行数据。位置信息包括水平位置信息和高度位置信息，飞行数据包括飞行方向、飞行速度。

编队飞行控制步骤包括：

S21.主控机接收到遥控器操作指令后，计算出在指令反应时间T结束时僚机相对此时主控机位置A₂的编队位置B₂，主控机将操作指令、此时主控机位置A₁位置信息、飞行方向、僚机编队位置信息B₂发送给僚机，并接收此时僚机位置B₁位置信息；在主控机接到操作指令并准备执行指令进行飞行控制前进行编队位置计算，然后将编队位置信息发送给僚机。同时主控机将此时自身位置信息，飞行方向发送给僚机。飞行方向为主控机接收到操作指令后准备飞行的方向。主控机位置A₂为主控机执行操作指令模拟飞行时间T后所在的位置。主控机位置A₁和僚机位置B₁分别为接收到操作指令时主控机和僚机的位置。

S22.僚机根据主控机发送的信息计算出指令反应时间T内僚机跟随路线r₂，并计算出僚机跟随路线中飞行的跟随速度；

S23.僚机按照跟随路线飞行，在一个指令反应时间结束后重新回到编队队列中的位置。

作为一种优选方案，步骤S12中僚机靠拢主控机的具体步骤包括：

S121.僚机将主控机的位置和自身位置之间的连线l₀设定为靠近路线；

S122.在连线l₀上确定距离主控机为L的点为僚机初始编队位置B₀′，获取僚机初始编队位置B₀′的位置信息，并以僚机初始编队位置的位置为中心设定一个初始编队位置范围；

S122.僚机沿连线l₀靠近主控机，当僚机的实际位置进入到初始编队位置范围内后，僚机停止靠拢，完成编队形成。

作为一种优选方案，步骤S21中在指令反应时间T结束时僚机相对此时主控机位置A₂的编队位置B₂位置信息计算包括以下步骤：

S211.主控机接收到操作指令，根据操作指令、主控机位置A₁的位置信息模拟出在指令反应时间T内主控机的飞行路线r₁，获取该飞行路线终点A₂的位置信息；该飞行路线终点的位置为在指令反应时间结束时主控机所在位置。僚机与主控机成一字队列，僚机编队位置为位于主控机一侧、距离主控机为设定编队间距的位置。

S212.以主控机的飞行方向为轴，根据僚机位置B₁位置信息判断僚机位于轴的左侧或右侧；

S213.在轴僚机所在的一侧，以A₂点为出发点，以垂直轴为方向，距离路线终点位置为L的点为僚机编队位置B₂，获取僚机编队位置B₂的位置信息。

作为一种优选方案，步骤S22中僚机跟随路线的计算步骤包括：

S221.主控机位置A₁与僚机位置B₁之间连线为l₁，经过A₁且垂直连线l₁的线为l₂，将主控机飞行方向与l₂之间的夹角设为编队飞行角度a；

S222.判断僚机位置B₁与飞行方向指向的线是否位于l₂的同一侧，若在同一侧则执行内侧路线模拟策略，若不在同一侧则执行外侧路线模拟策略；

内侧路线模拟策略包括：

s11.从僚机位置B₁出发，垂直A₁和A₂的连线且远离A₁和A₂的连线前进到i点，僚机位置B₁到i点的距离为s₁，s₁＝L-L cos a；

s12.从i点出发到达僚机位置B₂，i点到僚机位置B₂的距离为s₂，s₂＝s₀-L sin a，s₀为主控机位置A₁到主控机位置A₂的距离，完成路线模拟；内侧路线模拟策略跟随速度为s₁与s₂的和除于时间T。

外侧路线模拟策略包括：

s21.从僚机位置B₁出发，绕主控机位置A₁旋转角度a达到i′点，旋转路线的距离为s₁′，

s22.从i′点出发到达僚机位置B₂，i′点到僚机位置B₂的距离为s₂′，s₂′＝s₀，s₀为主控机位置A₁到主控机位置A₂的距离，完成路线模拟。外侧路线模拟策略跟随速度为s₁′与s₂′的和除于时间T。

作为一种优选方案，指令反应时间T为设定的一个时间段，主控机在接收到操作指令后在时间T内根据操作指令进行飞行，僚机在接收到操作指令后在实际T内模拟出跟随路线并根据跟随路线进行飞行，在指令反应时间内，主控机、僚机若再接收到操作指令，则不执行，在指令反应时间T结束后再执行操作指令。由于主控机和僚机在转向时飞行的距离不一样，本方案设置了一个指令反应时间用于让僚机在转向时进行位置调节，在指令反应时间结束后保持主控机和僚机的编队队列。指令反应时间一般很短，僚机在很短的时间内完成位置调节，并不影响下一操作指令的执行。

因此，本发明的优点是：能同时控制多个无人机，多架无人机之间形成编队进行飞行，这使得无需多人进行操控，减少了操作繁琐度，并且也减少了多架无人机之间发生碰撞的问题。

附图说明

附图1是本发明的一种结构框示图；

附图2是本发明中编队汇合控制的一种路线示意图；

附图3是本发明中编队飞行角度a确定的一种图形示意图；

附图4是本发明中内侧路线模拟策略的一种路线示意图；

附图5是本发明中外侧路线模拟策略的一种路线示意图。

1-遥控器 2-主控机 3-僚机 4-控制单元 5-第一无线通信单元 6-第二无线通信单元 7-第三无线通信单元 8-地图单元9-处理单元 10-GPS定位单元 11-高度传感器单元 12-角度传感器单元 13-超声波测距单元

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种无人机编队控制系统，如图1所示，包括遥控器1、主控机2和僚机3。控制器端包括控制单元4、第一无线通信单元5和地图单元8，第一无线通信单元、地图单元分别与控制单元连接。主控机和僚机都包括处理单元9、第二无线通信单元6、第三无线通信单元7、GPS定位单元10、高度传感器单元11、角度传感器单元12、超声波测距单元13。第二无线通信单元、第三无线通信单元、GPS定位单元、高度传感器单元、角度传感器单元、超声波测距单元分别与处理单元相连，第一无线通信单元分别与主控机、僚机的第二无线通信单元无线相连，主控机的第三无线通信单元与僚机的第三无线通信单元无线相连。

遥控器：将操作指令发送给主控机，接收主控机和僚机的位置信息和飞行数据；

主控机：接收遥控器的操作指令并转发给僚机，同时还实时将自身位置信息、飞行数据转发给僚机，主控机根据操作指令进行飞行控制，在编队移动过程中实时根据自身的位置信息计算出僚机的编队位置信息并发送给僚机；

僚机：实时向主机发送自身位置信息、飞行数据，根据主控机飞行数据与主控机汇合形成编队，在编队移动时根据操作指令、僚机编队位置信息、主控机飞行数据计算出在指令反应时间内僚机编队跟随路线，僚机根据编队飞行路线进行飞行。

一种无人机编队控制方法，包括无人机编队汇合控制步骤和编队飞行控制步骤，

编队汇合控制步骤包括：

S11.遥控器控制主控机和僚机起飞分别起飞，控制主控机处在悬停状态，主控机向僚机发送开始编队命令和主控机位置A₀的位置信息；

S12.僚机根据主控机的位置信息向主控机靠拢，到达相距主控机距离为L位置B₀′后停止，组成编队队列，L为设定的主控机与僚机编队间距值；

编队飞行控制步骤包括：

S21.主控机接收到遥控器操作指令后，计算出在指令反应时间T结束时僚机相对此时主控机位置A₂的编队位置B₂，主控机将操作指令、此时主控机位置A₁位置信息、飞行方向、僚机编队位置信息B₂发送给僚机，并接收此时僚机位置B₁位置信息；

S22.僚机根据主控机发送的信息计算出指令反应时间T内僚机跟随路线r₂，并计算出僚机跟随路线中飞行的跟随速度；

S23.僚机按照跟随路线飞行，在一个指令反应时间结束后重新回到编队队列中的位置。

其中，指令反应时间T为设定的一个时间段，主控机在接收到操作指令后在时间T内根据操作指令进行飞行，僚机在接收到操作指令后在实际T内模拟出跟随路线并根据跟随路线进行飞行，在指令反应时间内，主控机、僚机若再接收到操作指令，则不执行，在指令反应时间T结束后再执行操作指令。

如图2图形所示，步骤S12中僚机靠拢主控机的具体步骤包括：

S121.主控机和僚机分别起飞后，主控机原地悬停，等待僚机靠近汇合。僚机将主控机的位置和自身位置之间的连线l₀设定为靠近路线；

S122.在连线l₀上确定距离主控机为L的点为僚机初始编队位置B₀′，B₀′的位置信息根据主控机位置A₀的位置信息、主控机与僚机编队间距值L，以及连线l₀与水平线的夹角来计算出。

在获取僚机初始编队位置B₀′的位置信息后，以僚机初始编队位置为中心设定一个初始编队位置范围；

S122.僚机沿连线l₀靠近主控机，当僚机的实际位置进入到初始编队位置范围内后，僚机停止靠拢，完成编队形成。

如图4或图5图形所示，步骤S21中在指令反应时间T结束时僚机相对此时主控机位置A₂的编队位置B₂位置信息计算包括以下步骤：

S211.主控机接收到操作指令，根据操作指令、主控机位置A₁的位置信息模拟出在指令反应时间T内主控机的飞行路线r₁，获取该飞行路线终点A₂的位置信息；

S212.以主控机的飞行方向即飞行路线r₁为轴，根据僚机位置B₁位置信息判断僚机位于轴的左侧或右侧；

S213.在轴僚机所在的一侧，以A₂点为出发点，以垂直轴为方向，距离路线终点位置为L的点为僚机编队位置B₂，获取僚机编队位置B₂的位置信息。当僚机位置B₁位于左侧，则在A₂点左侧确定僚机编队位置B₂，当僚机位置B₁位于右侧，则在A₂点右侧确定僚机编队位置B₂。

步骤S22中僚机跟随路线的计算步骤包括：

S221.如图3所示，主控机位置A₁与僚机位置B₁之间连线为l₁，经过A₁且垂直连线l₁的线为l₂，将主控机飞行方向与l₂之间的夹角设为编队飞行角度a；

S222.判断僚机位置B₁与飞行方向指向的线是否位于l₂的同一侧，若在同一侧则执行内侧路线模拟策略，若不在同一侧则执行外侧路线模拟策略；

如图4图形所示，内侧路线模拟策略包括：

s11.从僚机位置B₁出发，垂直A₁和A₂的连线且远离A₁和A₂的连线前进到i点，僚机位置B₁到i点的距离为s₁，s₁＝L-L cos a；

s12.从i点出发到达僚机位置B₂，i点到僚机位置B₂的距离为s₂，s₂＝s₀-L sin a，s₀为主控机位置A₁到主控机位置A₂的距离，完成路线模拟；

如图5图形所示，外侧路线模拟策略包括：

s21.从僚机位置B₁出发，绕主控机位置A₁旋转角度a达到i′点，旋转路线的距离为s₁′，

s22.从i′点出发到达僚机位置B₂，i′点到僚机位置B₂的距离为s₂′，s₂′＝s₀，s₀为主控机位置A₁到主控机位置A₂的距离，完成路线模拟。

在僚机到达跟随路线终点B₂后还与主控机进行位置信息校对，僚机到达跟随路线终点B₂后记录实际的B₂位置信息，同时僚机接收主控机根据主控机位置A₂计算出的模拟的B₂位置信息，以模拟的B₂为中心设定一个校对范围，检测实际的B₂位置是否落在校对范围内，若是则判断僚机没有飞离编队队列，若否则判断僚机飞离编队队列，则计算出实际的B₂位置与模拟的B₂位置之间的偏离距离，给僚机一个垂直模拟的B₂位置所在飞行方向的飞行量，使僚机靠近B₂位置飞行方向所在的直线。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了遥控器、主控机、僚机、控制单元、第一无线通信单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种无人机编队控制系统，其特征在于：包括遥控器、主控机和僚机，所述遥控器包括控制单元(4)、第一无线通信单元(5)，第一无线通信单元与控制单元连接，所述主控机和僚机都包括处理单元(9)、第二无线通信单元(6)、第三无线通信单元(7)、GPS定位单元(10)、高度传感器单元(11)，所述第二无线通信单元、第三无线通信单元、GPS定位单元、高度传感器单元分别与处理单元相连，第一无线通信单元分别与主控机、僚机的第二无线通信单元无线相连，主控机的第三无线通信单元与僚机的第三无线通信单元无线相连；

遥控器：将操作指令发送给主控机，接收主控机和僚机的位置信息和飞行数据；

主控机：接收遥控器的操作指令并转发给僚机，同时还实时将自身位置信息、飞行数据转发给僚机，主控机根据操作指令进行飞行控制，在编队移动过程中实时根据自身的位置信息计算出僚机的编队位置信息并发送给僚机；

僚机：实时向主机发送自身位置信息、飞行数据，根据主控机飞行数据与主控机汇合形成编队，在编队移动时根据操作指令、僚机编队位置信息、主控机飞行数据计算出在指令反应时间内僚机编队跟随路线，僚机根据编队飞行路线进行飞行。

2.根据权利要求1所述的一种无人机编队控制系统，其特征是所述遥控器(1)还包括有地图单元(8)，地图单元与控制单元(4)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种无人机编队控制系统，其特征是所述主控机(2)和僚机(3)都还包括有角度传感器单元(12)，角度传感器单元与处理单元(9)相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种无人机编队控制系统，其特征是所述僚机(3)还包括有超声波测距单元(13)，超声波测距元与处理单元(9)相连。

5.一种无人机编队控制方法，采用权利要求1-4任一项中的系统，其特征是包括无人机编队汇合控制步骤和编队飞行控制步骤，

编队汇合控制步骤包括：

S11.遥控器控制主控机和僚机起飞分别起飞，控制主控机处在悬停状态，主控机向僚机发送开始编队命令和主控机位置A₀的位置信息；

S12.僚机根据主控机的位置信息向主控机靠拢，到达相距主控机距离为L位置B₀′后停止，组成编队队列，L为设定的主控机与僚机编队间距值；

编队飞行控制步骤包括：

S21.主控机接收到遥控器操作指令后，计算出在指令反应时间T结束时僚机相对此时主控机位置A₂的编队位置B₂，主控机将操作指令、此时主控机位置A₁位置信息、飞行方向、僚机编队位置信息B₂发送给僚机，并接收此时僚机位置B₁位置信息；

S22.僚机根据主控机发送的信息计算出指令反应时间T内僚机跟随路线r₂，并计算出僚机跟随路线中飞行的跟随速度；

S23.僚机按照跟随路线飞行，在一个指令反应时间结束后重新回到编队队列中的位置。

6.根据权利要求5所述的一种无人机编队控制方法，其特征是步骤S12中僚机靠拢主控机的具体步骤包括：

S121.僚机将主控机的位置和自身位置之间的连线l₀设定为靠近路线；

S122.在连线l₀上确定距离主控机为L的点为僚机初始编队位置B₀′，获取僚机初始编队位置B₀′的位置信息，并以僚机初始编队位置为中心设定一个初始编队位置范围；

S122.僚机沿连线l₀靠近主控机，当僚机的实际位置进入到初始编队位置范围内后，僚机停止靠拢，完成编队形成。

7.根据权利要求5所述的一种无人机编队控制方法，其特征是步骤S21中在指令反应时间T结束时僚机相对此时主控机位置A₂的编队位置B₂位置信息计算包括以下步骤：

S211.主控机接收到操作指令，根据操作指令、主控机位置A₁的位置信息模拟出在指令反应时间T内主控机的飞行路线r₁，获取该飞行路线终点A₂的位置信息；

S212.以主控机的飞行方向为轴，根据僚机位置B₁位置信息判断僚机位于轴的左侧或右侧；

S213.在轴僚机所在的一侧，以A₂点为出发点，以垂直轴为方向，距离路线终点位置为L的点为僚机编队位置B₂，获取僚机编队位置B₂的位置信息。

8.根据权利要求5或6或7所述的一种无人机编队控制方法，其特征是步骤S22中僚机跟随路线的计算步骤包括：

S221.主控机位置A₁与僚机位置B₁之间连线为l₁，经过A₁且垂直连线l₁的线为l₂，将主控机飞行方向与l₂之间的夹角设为编队飞行角度a；

S222.判断僚机位置B₁与飞行方向指向的线是否位于l₂的同一侧，若在同一侧则执行内侧路线模拟策略，若不在同一侧则执行外侧路线模拟策略；

内侧路线模拟策略包括：

s11.从僚机位置B₁出发，垂直A₁和A₂的连线且远离A₁和A₂的连线前进到i点，僚机位置B₁到i点的距离为s₁，S₁＝L-Lcosa；

s12.从i点出发到达僚机位置B₂，i点到僚机位置B₂的距离为s₂，S₂＝s₀-Lsina，s₀为主控机位置A₁到主控机位置A₂的距离，完成路线模拟；

外侧路线模拟策略包括：

s21.从僚机位置B₁出发，绕主控机位置A₁旋转角度a达到i′点，旋转路线的距离为s₁′，

s22.从i′点出发到达僚机位置B₂，i′点到僚机位置B₂的距离为s₂′，S₂′＝s₀，s₀为主控机位置A₁到主控机位置A₂的距离，完成路线模拟。

9.根据权利要求5或6或7所述的一种无人机编队控制方法，其特征是指令反应时间T为设定的一个时间段，主控机在接收到操作指令后在时间T内根据操作指令进行飞行，僚机在接收到操作指令后在实际T内模拟出跟随路线并根据跟随路线进行飞行，在指令反应时间内，主控机、僚机若再接收到操作指令，则不执行，在指令反应时间T结束后再执行操作指令。