CN106406327A - 一种无人机任务架构快速验证平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机任务架构快速验证平台，包含机载平台和地面平台，所述机载平台包含飞行平台单元(101)、差分GPS单元(102)、增稳云台单元(103)、机载图像/数据传输单元(104)和任务载荷单元(105)；所述地面平台包含地面图像/数据传输单元(106)、视频采集单元(108)和地面控制单元(109)。本发明针对不同的任务场景及需求时，在机载飞行平台上通过典型载荷接口的开放，实现任务载荷的快速更替，解决任务载荷多样性与四旋翼负载过轻的矛盾。
Description
技术领域
本发明属于航空电子技术领域。
背景技术
无人机任务架构设计品质是决定无人机能否自主完成任务的前提条件，任务架构的最终实现形式是智能任务规划决策系统。无人机任务架构设计以无人机任务样式及使命需求为依据，属于无人机顶层任务设计阶段，直接影响到下一层级功能分析、软硬件设计，根据系统工程过程方法的要求，在完成每一层级系统正向设计后需要对该层级的系统进行确认和验证，因此开展无人机任务架构进验证是必不可少的。
无人机任务架构验证平台的主要目的是在设计初期对所设计的任务架构的可行性、合理性及正确性等方面进行验证，能够减少后期繁复的迭代，减少的研发周期，降低了研发成本和风险。
国内对于无人机任务架构领域研究方面属于起步阶段，而任务架构验证环境一般都是基于数字化仿真平台，目前对无人机任务架构验证平台研究情况如下：
1)通过构建无人机气动数学模型，仿真无人机机体模型；
2)搭建机载传感器仿真器，仿真目标模型，包括航迹、行为、数量、属性等信息；
3)建立无人机地面操作系统实现人机交互；
4)将任务系统与上述系统进行交联，实现无人机任务架构数字化仿真平台。
目前已有的无人机任务架构数字化仿真平台主要验证的包括：无人机自主飞行控制、航路规划及重规划仿真、任务目标分配、不同态势条件下任务系统决策结果评估等方面。均未能深入对体系到平台、平台到设备进行完整实物仿真，缺乏型号应用经验。
随着无人机控制逐渐向多机协同智能化方向发展，系统的复杂程度也逐渐增加，如何在顶层架构设计阶段对任务架构的合理性和正确性进行验证是目前亟待解决的重要问题。
我们得知的无人机任务架构快速验证平台的专利情况：目前未找到国内相关专利。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种无人机任务架构快速验证平台，针对不同的任务场景及需求时，在机载飞行平台上通过典型载荷接口的开放，实现任务载荷的快速更替，解决任务载荷多样性与四旋翼负载过轻的矛盾。在软件实现上，基于动态数据分发网络，隔离了消息源与目的，构建了自由开放式运行环境，实现四旋翼节点的自由接入、功能处理模块的快速扩展；针对任务架构运行软件模块，基于配置文件的形式实现任务定势库动态加载，快速切换任务场景、任务逻辑以及任务载荷控制；针对载荷管理软件模块，通过数据分发网络上扩展信息处理、增加消息配置的方式，实现新增载荷的信息处理。综上，通过任务载荷的快速切换以及四旋翼平台、软件处理模块的自由接入，实现了对多个场景下无人机任务架构的快速物理仿真验证。该方式突出了任务架构验证的主题，脱离了对无人机平台的依赖，从而降低了对无人机机载平台重新开发的成本和周期，同时也能在较短时间内快速灵活地实现对顶层任务架构的验证，提高了验证效率及完备性。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种无人机任务架构快速验证平台，包含机载平台和地面平台，所述机载平台包含飞行平台单元101、差分GPS单元102、增稳云台单元103、机载图像/数据传输单元104和任务载荷单元105；
所述飞行平台单元101驻留飞行控制模块201和任务载荷控制模块202；其中：
飞行控制模块201通过机载图像/数据传输单元104接收地面平台发送的飞控参数实现机载平台的飞行控制，同时下传机载平台的飞行状态参数信息；
任务载荷控制模块202通过机载图像/数据传输单元104接收地面平台发送的载荷控制消息对任务载荷单元105上相应的任务载荷进行控制，以及接收地面平台发送的云台姿态控制指令实现对云台控制信号的输入；
所述差分GPS单元102对机载平台进行定位，以及通过机载图像/数据传输单元104发送定位信息；
增稳云台单元103挂载任务载荷单元105，通过自身陀螺仪传感器的反馈以及电机控制实现飞行过程中任务载荷的稳定性；同时，根据飞行平台单元101输入的云台控制信号实现对云台及任务载荷姿态的控制；
任务载荷单元105包含若干个任务载荷，根据飞行平台单元101的控制执行相应任务，通过机载图像/数据传输单元104向地面平台下传各任务载荷的任务执行过程、业务数据、视频图像和/或载荷状态。
进一步，所述一种无人机任务架构快速验证平台还包含差分GPS地面基站单元111，所述差分GPS地面基站单元111通过本身坐标计算基站到卫星的距离改正数，并由基站实时将该距离改正数发送到差分GPS单元102；
所述差分GPS单元102通过机载图像/数据传输单元104接收距离改正数，基于距离改正数进行机载平台的定位。
进一步，所述飞行平台单元上包含若干个不同类型的载荷接口，该载荷接口与任务载荷单元相连。
进一步，所述地面平台包含地面图像/数据传输单元106、视频采集单元108和地面控制单元109；
信息采集单元108通过地面图像/数据传输单元106接收机载平台下发的飞行状态参数信息、任务执行过程、业务数据、视频图像和/或载荷状态，并转发给地面控制单元109；
所述地面控制单元109驻留地面飞行监控模块203、任务架构运行模块204和信息处理模块205；其中：
地面飞行监控模块203根据飞行状态参数信息、业务数据、视频图像和/或载荷状态，实现飞行参数信息显示、无人机综合控制及状态显示、载荷控制及载荷状态显示，根据任务架构运行模块204输出的载荷任务相关信息，实现飞行计划、任务执行过程、当前态势页面的显示，同时，将信息采集单元108发送的飞行参数信息、载荷状态、友机飞行参数、任务执行过程发送给任务架构运行模块204，将业务数据、图像/视频信息发送给信息处理模块205，将任务架构运行模块204发送的飞控参数、载荷控制消息和云台姿态控制指令通过地面图像/数据传输单元106发送给机载平台；
任务架构运行模块204根据信息处理模块205发送的目标融合解算信息和地面飞行监控模块203的发送的飞行参数信息、载荷状态、友机飞行参数、任务执行过程进行态势信息评估，综合评估态势信息、本机状态信息、及本/友机任务，进行任务计划评估决策，同时向操作员显示当前态势情况、可执行的任务计划及效能评估结果，若操作员确认执行该任务计划后，将任务计划信息解算后获得的飞控参数、载荷控制消息和云台姿态控制指令发送给地面飞行监控模块203；
信息处理模块205根据地面飞行监控模块203转发的业务数据、视频/图像信息进行目标识别、位置/速度解算、意图分析，获得目标融合解算信息并发送给任务架构运行模块204。
进一步，所述地面平台还包含遥控器单元107，所述遥控器单元107用于在手动模式下，通过自带的天线将飞控参数发送给机载平台，在半自动及自动模式下，在地面控制单元109发送的飞控参数存在误差时发送飞控参数；
所述地面飞行监控模块还用于在遥控器单元107和任务架构运行模块204同时有飞控参数要发送时，不转发任务架构运行模块的飞控参数。
进一步，所述地面控制单元109还驻留数据网络模块206，地面飞行监控模块203、任务架构运行模块204和信息处理模块205通过数据网络模块206进行转发。
进一步，所述一种无人机任务架构快速验证平台，还包含无线路由单元110，用于实现地面控制单元109与其他无人机系统的通信。
本发明的有益效果在于：
根据无人机任务系统设计的系统工程过程需求，提出了无人机任务架构快速验证平台实现方法，解决了在顶层设计阶段对任务架构的可行性、合理性和正确性的验证问题，通过仿真不同的作战样式和任务场景，对任务架构的运行过程和结果进行评估，可以降低系统研发风险，突破了机载飞行平台对无人机任务架构设计验证的限制。
附图说明
图1为无人机任务架构快速验证平台硬件组成示意图；
图2为无人机任务架构快速验证平台软件组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。图1是本发明的硬件组成框图，根据不同的无人机任务架构，通过搭建验证平台实现无人机任务架构快速验证平台。本发明的硬件组成中包括机载平台的飞行平台单元101、差分GPS单元102、增稳云台单元103、机载图像/数据传输单元104和任务载荷单元105，地面平台的地面图像/数据传输单元106、遥控器单元107、视频采集单元108、地面控制单元109、无线路由单元110、差分GPS地面基站单元111。图2是本发明的软件实现框图，软件均采用APP方式开发设计，主要实现任务架构逻辑运行验证，主要包括以下模块：驻留在飞行平台单元101的飞行控制模块201和任务载荷控制模块202，驻留在地面控制单元109的飞行监控模块203、任务架构运行模块204、信息处理模块205和数据网络模块206。
1)飞行平台单元101主要以商用开放飞控计算机为核心，并通过自带接口连接GPS、惯导、气压高度表、舵机、电源等机载飞行必要设备，飞行平台单元101通过机载图像/数据传输单元104与地面平台进行通信。
飞行控制模块201通过机载图像/数据传输单元104接收地面平台发送的飞控参数实现机载平台的稳定飞行控制，同时实时下传机载平台的飞行状态参数信息。
任务载荷控制模块202通过机载图像/数据传输单元104接收地面平台发送的载荷控制消息对任务载荷单元105上相应的任务载荷进行控制，以及接收地面平台发送的云台姿态控制指令实现对云台控制信号的输入。
2)差分GPS地面基站单元111通过本身精密坐标计算基站到卫星的距离改正数，并由基站实时将该距离改正数发送到差分GPS单元102，差分GPS单元102基于改正数进行定位修正，并通过机载数据总线向机载图像/数据传输单元104周期发送高精度定位信息。
3)增稳云台单元103挂载任务载荷单元105，通过自身陀螺仪传感器的反馈以及电机，能够实现云台前后、左右、上下三个方向的旋转，在四旋翼运动时保持了姿态的静止，可以消除无人机机身姿态变化造成的影响；同时，根据飞行平台单元101输入的云台控制信号实现对云台及任务载荷姿态的控制。
4)任务载荷单元105包含若干个任务载荷，可以装配相机、投放物等任务载荷，根据飞行平台单元101的控制执行相应任务，通过机载图像/数据传输单元104向地面平台下传各任务载荷的任务执行过程、业务数据、视频图像和/或载荷状态。
5)遥控器单元107用于手动及半自动模式下的人工操控，同时用于全自动模式下的安全保护。该单元需要最高优先控制权，通过其自带的天线直接将飞控参数发送到机载平台，实现无人机平台的直接飞行操控。
6)信息采集单元108通过地面图像/数据传输单元106接收机载平台下发的飞行状态参数信息、任务执行过程、业务数据、视频图像和/或载荷状态，并转发给地面控制单元109。
7)地面控制单元109接收机载部分发送的各类信息，并提供人机交互接口。同时通过无线路由单元110同其他无人机系统进行通信交互。
地面飞行监控模块203根据飞行状态参数信息、业务数据、视频图像和/或载荷状态，实现飞行参数信息显示、无人机综合控制及状态显示、载荷控制及载荷状态显示，根据任务架构运行模块204输出的载荷任务相关信息，实现飞行计划、任务执行过程、当前态势页面的显示，同时，将信息采集单元108发送的飞行参数信息、载荷状态、友机飞行参数、任务执行过程发送给任务架构运行模块204，将业务数据、图像/视频信息发送给信息处理模块205，将任务架构运行模块204发送的飞控参数、载荷控制消息和云台姿态控制指令通过地面图像/数据传输单元106发送给机载平台；同时，地面飞行监控模块203提供了安全防护功能，保证验证过程的可靠飞行。具备紧急迫降、人工紧急介入等模式；通过解算友机位置实现编队协同防撞功能。地面飞行监控模块作为平台通用模块，支持接口扩展，具备不同任务载荷接入能力。
任务架构运行模块204是任务架构的具体实现载体，是无人机任务执行的“指挥决策中心”。通过任务定势库的动态加载，实现不同场景及无人机任务的验证。根据信息处理模块205发送的目标融合解算信息和地面飞行监控模块203的发送的飞行参数信息、载荷状态、友机飞行参数、任务执行过程进行态势信息评估，综合评估态势信息、本机状态信息、及本/友机任务，进行任务计划评估决策，同时向操作员显示当前态势情况、可执行的任务计划及效能评估结果，若操作员确认执行该任务计划后，将任务计划信息解算后获得的飞控参数、载荷控制消息和云台姿态控制指令发送给地面飞行监控模块203。任务架构运行模块204输出的任务计划信息是进行无人机任务架构正确性、合理性及有效性评估的输入和依据。
信息处理模块205根据地面飞行监控模块203转发的业务数据、视频/图像信息进行目标识别、位置/速度解算、意图分析，获得目标融合解算信息并发送给任务架构运行模块204。
飞行监控模块203、任务架构运行模块204和信息处理模块205以通用接口的形式连接在数据网络模块206上，根据载荷的扩展以及任务的处理需求，能够实现模块的快速扩展。206数据网络模块通过无线局域网的形式实现，摆脱了空间和介质上的限制。通信上采用数据订阅/分发协议，地面飞行监控模块203、任务架构运行模块204、信息处理模块205以及友机的各地面功能模块均以节点的形式连接到网络上，实现了模块的松耦合，提高了模块的扩展能力。
Claims (7)
1.一种无人机任务架构快速验证平台，包含机载平台和地面平台，所述机载平台包含飞行平台单元(101)、差分GPS单元(102)、增稳云台单元(103)、机载图像/数据传输单元(104)和任务载荷单元(105)；
所述飞行平台单元(101)驻留飞行控制模块(201)和任务载荷控制模块(202)；其中：
飞行控制模块(201)通过机载图像/数据传输单元(104)接收地面平台发送的飞控参数实现机载平台的飞行控制，同时下传机载平台的飞行状态参数信息；
任务载荷控制模块(202)通过机载图像/数据传输单元(104)接收地面平台发送的载荷控制消息对任务载荷单元(105)上相应的任务载荷进行控制，以及接收地面平台发送的云台姿态控制指令实现对云台控制信号的输入；
所述差分GPS单元(102)对机载平台进行定位，以及通过机载图像/数据传输单元(104)发送定位信息；
增稳云台单元(103)挂载任务载荷单元(105)，通过自身陀螺仪传感器的反馈以及电机控制实现飞行过程中任务载荷的稳定性；同时，根据飞行平台单元(101)输入的云台控制信号实现对云台及任务载荷姿态的控制；
任务载荷单元(105)包含若干个任务载荷，根据飞行平台单元(101)的控制执行相应任务，通过机载图像/数据传输单元(104)向地面平台下传各任务载荷的任务执行过程、业务数据、视频图像和/或载荷状态。
2.根据权利要求1所述一种无人机任务架构快速验证平台，其特征在于还包含差分GPS地面基站单元(111)，所述差分GPS地面基站单元(111)通过本身坐标计算基站到卫星的距离改正数，并由基站实时将该距离改正数发送到差分GPS单元(102)；
所述差分GPS单元(102)通过机载图像/数据传输单元(104)接收距离改正数，基于距离改正数进行机载平台的定位。
3.根据权利要求1所述一种无人机任务架构快速验证平台，其特征在于所述飞行平台单元上包含若干个不同类型的载荷接口，该载荷接口与任务载荷单元相连。
4.根据权利要求1所述一种无人机任务架构快速验证平台，其特征在于所述地面平台包含地面图像/数据传输单元(106)、视频采集单元(108)和地面控制单元(109)；
信息采集单元(108)通过地面图像/数据传输单元(106)接收机载平台下发的飞行状态参数信息、任务执行过程、业务数据、视频图像和/或载荷状态，并转发给地面控制单元(109)；
所述地面控制单元(109)驻留地面飞行监控模块(203)、任务架构运行模块(204)和信息处理模块(205)；其中：
地面飞行监控模块(203)根据飞行状态参数信息、业务数据、视频图像和/或载荷状态，实现飞行参数信息显示、无人机综合控制及状态显示、载荷控制及载荷状态显示，根据任务架构运行模块(204)输出的载荷任务相关信息，实现飞行计划、任务执行过程、当前态势页面的显示，同时，将信息采集单元(108)发送的飞行参数信息、载荷状态、友机飞行参数、任务执行过程发送给任务架构运行模块(204)，将业务数据、图像/视频信息发送给信息处理模块(205)，将任务架构运行模块(204)发送的飞控参数、载荷控制消息和云台姿态控制指令通过地面图像/数据传输单元(106)发送给机载平台；
任务架构运行模块(204)根据信息处理模块(205)发送的目标融合解算信息和地面飞行监控模块(203)的发送的飞行参数信息、载荷状态、友机飞行参数、任务执行过程进行态势信息评估，综合评估态势信息、本机状态信息、及本/友机任务，进行任务计划评估决策，同时向操作员显示当前态势情况、可执行的任务计划及效能评估结果，若操作员确认执行该任务计划后，将任务计划信息解算后获得的飞控参数、载荷控制消息和云台姿态控制指令发送给地面飞行监控模块(203)；
信息处理模块(205)根据地面飞行监控模块(203)转发的业务数据、视频/图像信息进行目标识别、位置/速度解算、意图分析，获得目标融合解算信息并发送给任务架构运行模块(204)。
5.根据权利要求4所述一种无人机任务架构快速验证平台，其特征在于所述地面平台还包含遥控器单元(107)，所述遥控器单元(107)用于在手动模式下，通过自带的天线将飞控参数发送给机载平台，在半自动及自动模式下，在地面控制单元(109)发送的飞控参数存在误差时发送飞控参数；
所述地面飞行监控模块还用于在遥控器单元(107)和任务架构运行模块(204)同时有飞控参数要发送时，不转发任务架构运行模块的飞控参数。
6.根据权利要求4所述一种无人机任务架构快速验证平台，其特征在于所述地面控制单元(109)还驻留数据网络模块(206)，地面飞行监控模块(203)、任务架构运行模块(204)和信息处理模块(205)通过数据网络模块(206)进行转发。
7.根据权利要求1所述一种无人机任务架构快速验证平台，其特征在于还包含无线路由单元(110)，用于实现地面控制单元(109)与其他无人机系统的通信。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170215 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |