CN106980132A - 一种无人机协同作业系统 - Google Patents

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CN106980132A CN201710354229.9A CN201710354229A CN106980132A CN 106980132 A CN106980132 A CN 106980132A CN 201710354229 A CN201710354229 A CN 201710354229A CN 106980132 A CN106980132 A CN 106980132A
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Abstract

本发明公开了一种无人机协同作业系统，其中，所述系统包括机载子系统(1)和地面子系统(2)，所述机载子系统(1)包括至少两台无人机，进一步包括一台任务机(11)和至少一台辅助机(12)其中，所述任务机(11)用于执行任务，当任务机(11)卫星信号丢失或较弱时，所述辅助机(12)对其自身的卫星信号以及其与任务机之间的相对位置信息进行处理，获得任务机(11)的卫星信号。本发明所述系统设计简便，减少了工程实际操作的难度，也降低复杂设计带来的成本投入，并且，本发明所述系统在有障碍影响任务机卫星信号传输时，能够借助辅助机进行数据处理，得到任务机的卫星信号，并传输给任务机，保证了任务机的正常工作。

Description

一种无人机协同作业系统
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其涉及无人机作业系统，具体地，涉及一种无人机协同作业系统。
背景技术
无人机是一种不承载驾驶员、可以进行遥控或自主飞行的无人驾驶航空器。近期，无人机市场蓬勃发展，无人机(尤其是小型四旋翼无人机)常被用在工程实践中进行桥梁隧道的拍摄和测量工作。
但在实际操作过程中，桥梁隧道等地形常会阻碍卫星导向信号的传输，四旋翼在缺少卫星导航的情况下，只能根据手动指令和预先输入飞控模块的半自动控制程序完成下一步任务。
而对于现有常用的四旋翼，其飞控程序并不具备控制无人机自主飞行、执行任务并顺利返航的优秀性能。并且人工遥控操作极易受到环境干扰，如地形起伏、视野明暗变化等，导致手动指令无法连续稳定输出。
因此，亟需一种能稳定辅助卫星导航信号传输的系统帮助执行任务的无人机完成预定任务。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种无人机协同作业系统，所述系统采用辅助机与任务机进行协同作业，当任务机丢失卫星信号或卫星信号较弱时，辅助机能够辅助任务机重新获得卫星信号，继续正常工作，从而完成本发明。
本发明一方面提供了一种无人机协同作业系统，具体体现在以下方面：
(1)一种无人机协同作业系统，其中，所述系统包括机载子系统1和地面子系统2，其中，
所述机载子系统1包括至少两台无人机，进一步包括一台任务机11和至少一台辅助机12，其中，所述任务机11用于执行任务，所述辅助机12用于在任务机11的卫星信号丢失或较弱时辅助任务机11重获卫星信号；
所述地面子系统包括任务机操作台21和辅助机操作台22。
(2)根据上述(1)所述的系统，其中，所述辅助机12包括供电系统121、动力系统122和导航与控制系统123，其中，所述导航与控制系统123包括卫星导航模块1231和飞控模块1232；其中，所述飞控模块1232用于获得在以辅助机为原点的球坐标系中任务机的球坐标即任务机11与辅助机12之间的相对位置信息；所述卫星导航模块1231用于对辅助机的卫星信息以及飞控模块1232获得的进行处理，得到任务机的卫星信号；
其中：rA-B表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与原点B之间的径向距离，即辅助机与任务机之间的距离；θA-B表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与辅助机的连线与Z’-轴之间的夹角，亦称(90°-θA-B)为任务机在B-X’Y’Z’中的高低角，即；表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与辅助机的连线在X’Y’-面内的投影线与X’轴的夹角，亦称为任务机在B-X’Y’Z’中的方位角。
(3)根据上述(1)或(2)所述的系统，其中，
所述卫星导航模块1231包括数据处理与转发装置12311、卫星信号接收机12312和环形天线12313，其中，所述数据处理与转发装置12311用于对辅助机12的卫星信号以及任务机11与辅助机12之间的相对位置信息进行处理，获得任务机11的卫星信号，并转发至任务机11；
所述飞控模块1232包括半自主飞控子模块12321、人工遥控装置12322、陀螺仪12323和激光发射与探测装置12324，其中，通过陀螺仪12323获得通过激光发射与探测装置12324获得rA-B和θA-B，其中，rA-B即为辅助机12与任务机11之间的距离，(90-θA-B)由激光线相对于水平面的发射角度获得。
(4)根据上述(1)至(3)之一所述的系统，其中，所述激光发射与探测装置12324包括
激光发射模块123241，用于向任务机11发射激光；
激光接收模块123242，用于接收任务机11反射的激光；和
数据获得模块123243，用于根据激光接收模块接收的激光信号获得任务机11与辅助机12之间的rA-B和θA-B。
(5)根据上述(1)至(4)之一所述的系统，其中，所述数据处理与转发装置12311包括
信息转换模块123111，用于球坐标与卫星信号之间的转换；
坐标获得模块123112，用于获得任务机11在以地心为原点的球坐标系中的球坐标其中，rA表示在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，任务机与原点O之间的径向距离；θA表示任务机在地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，任务机与地心的连线与Z-轴的夹角，亦称(90°-θA)为任务机在O-XYZ中的高低角；表示任务机在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，任务机与地心的连线在XY-面内的投影线与X轴的夹角，亦称为任务机在O-XYZ中的方位角；和
信息转发模块123113，用于将辅助机12获得的任务机11的卫星信号转发给任务机11，使任务机11按既定航向继续工作。
(6)根据上述(1)至(5)之一所述的系统，其中，所述信息转换模块123111对无人机的卫星信号(J，W，H)和球坐标进行相互转换处理，所述转换处理如式(1)～式(3)进行：
W＝90°-θ式(2)，
H＝r-R式(3)；
其中，J表示经度，W表示纬度，H表示高度，即，(J，W，H)表示卫星信号，R表示地球半径，而表示无人机的球坐标，具体地，在球坐标系O-XYZ中，r表示原点与无人机之间的径向距离，θ表示原点与无人机的连线与球坐标系中Z-轴的夹角，亦称(90°-θ)为无人机在球坐标系中的高低角，表示原点与无人机的连线在XY-面上的投影线与X-轴之间的夹角，亦称为无人机在球坐标系中的方位角。
(7)根据上述(1)至(6)之一所述的系统，其中，所述坐标获得模块123112先进行如式(4)～(6)所示处理，以获得任务机11在以地心为原点的笛卡尔坐标系O-XYZ中的直角坐标(xA、yA、zA)：
zA＝rB·cosθB+rA-B·cosθA-B 式(6)；
其中，在式(4)～(6)中:
在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，表示辅助机的球坐标，具体地：rB表示原点与辅助机之间的径向距离；θB表示原点O与辅助机的连线与Z-轴之间的夹角，亦称(90°-θB)为辅助机在O-XYZ中的高低角；表示原点与辅助机的连线在XY-面的投影线与X-轴之间的夹角，亦称为辅助机在O-XYZ中的方位角。
(8)根据上述(1)至(7)之一所述的系统，其中，所述坐标获得模块123112再进行如式(7)～(9)所示处理，以获得任务机11在以地心为原点的球坐标系的球坐标
本发明另一方面提供了一种无人机协同作业方法，具体体现在以下方面：
(9)一种无人机协同作业方法，优选地，所述方法采用上述(1)至(8)所述的无人机协同作业系统进行，其中，所述方法如下进行：
步骤(1)、当任务机11丢失卫星信号或卫星信号较弱时，任务机操作台21向辅助机操作台22发送求助信号，辅助机操作台22接收到任务机操作台发送的求助信号后调控辅助机12使其靠近任务机11，并利用激光发射模块123241向任务机11发射激光，任务机11接收到辅助机12发射的激光，并对激光进行反射；
步骤(2)、辅助机12接收到任务机11反射的激光信号，并利用数据获得模块123243以及陀螺仪12323进行处理，得到任务机与辅助机的在球坐标中的相对位置球坐标
步骤(3)、利用辅助机12的数据处理与转发装置12311获得任务机11的卫星信号，并将所述卫星信号转发至任务机11。
(10)根据上述(9)所述的方法，其中，步骤(3)包括以下子步骤：
步骤(3.1)、利用信息转换模块123111对辅助机的卫星信号(JB，WB，HB)进行转换处理，得到辅助机在以地心为原点的球坐标系中的球坐标
步骤(3.2)、利用坐标获得模块123112对辅助机的球坐标和任务机与辅助机在球坐标中的相对位置球坐标进行处理，获得任务机11在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)，
步骤(3.3)、利用坐标获得模块123112对任务机11在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)进行处理，得到任务机11在以地心为原点的求坐标系中的球坐标
步骤(3.4)、利用信息转换模块123111对任务机11的球坐标进行处理，将球坐标转换为卫星信号，即获得任务机的卫星信号(JA，WA，HA)，
步骤(3.5)、利用信息转发模块123113将获得的任务机11的卫星信号转发至任务机11；
和/或
在步骤(3)之后进行以下步骤(4)或步骤(4’)：
步骤(4)、当任务机11成功接收到辅助机12发送的卫星信号后，任务机11重新恢复正常工作，并将接收状态反馈给任务机操作台21，任务机操作台21又将任务机11的反馈信息转发给辅助机操作台22，辅助操作台22停止激光发射，
步骤(4’)、若在步骤任务机11没有成功接收到辅助机12发送的卫星信号，则辅助机操作台22接收不到任务机11的反馈信息，则其继续调控辅助机12飞向任务机11，直至任务机11能够成功接收到激光并获得卫星信号。
附图说明
图1示出本发明所述系统的结构示意图；
图2示出本发明所述辅助机的结构示意图；
图3示出辅助机在以地心为原点的O-XYZ坐标系中的坐标示意图，其中，B表示辅助机；
图4示出任务机在以辅助机为原点B的B-X’Y’Z’坐标系中的坐标示意图，其中，A表示任务机，B表示辅助机；
图5示出本发明所述系统的工作流程图。
附图标号说明：
1-机载子系统；
11-任务机；
12-辅助机；
121-供电系统；
122-动力系统；
1221-电机；
1222-桨；
1223-舵机；
123-导航与控制系统；
1231-卫星导航模块；
12311-数据处理与转发装置；
123111-信息转换模块；
123112-坐标获得模块；
123113-信息转发模块；
12312-卫星信号接收机；
12313-环形天线；
1232-飞控模块；
12321-半自主飞控子模块；
12322-人工遥控装置；
12323-陀螺仪；
12324-激光发射与探测装置；
123241-激光发射模块；
123242-激光接收模块；
123243-数据获得模块；
2-地面子系统；
21-任务机操作台；
22-辅助机操作台。
具体实施方式
下面通过附图对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
本发明一方面提供了一种无人机协同作业系统，如图1所示，所述系统包括机载子系统1和地面子系统2，其中，所述机载子系统1包括至少两台无人机，进一步包括一台任务机11和至少一台辅助机12。
其中，任务机11用于执行任务，例如桥梁隧道等的；辅助机12用于在任务机11丢失卫星信号或卫星信号较弱时辅助任务机重获卫星信号，使任务机11继续按既定路线工作或飞行。所述卫星信号包括经度、纬度和高度，分别以J、W和H表示。
根据本发明一种优选的实施方式，所述机载子系统1包括一台任务机11和一台辅助机12。
其中，在特殊情况下，任务机11丢失卫星信号或卫星信号较弱，此时，辅助机12结合自身的卫星信号以及其与任务机11之间的相对位置信息，进行信号处理，获得任务机11的卫星信号，并将该信号传输给任务机，使任务机11继续沿既定路线飞行或工作。
根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，所述地面子系统2包括任务机操作台21和辅助机操作台22。
其中，所述任务机操作台21用于控制任务机11飞行，并与任务机12和辅助机操作台22进行信息传输；所述辅助机操作台22用于控制辅助机飞行，并与辅助机和任务机操作台进行信息传输。
在进一步优选的实施方式中，当任务机11丢失卫星信号或卫星信号较弱时，(a)辅助机12辅助任务机11重获卫星信号，(b)任务机11接收到辅助机传输的卫星信号后将接收情况反馈给任务机操作台，再由任务机操作台21转发至辅助机操作台，(c)若辅助机操作台收到任务机操作台的反馈信号，说明辅助机辅助任务机接收卫星信号成功，若未接收，则辅助机操作台继续调整辅助机的位置、姿态等状态以辅助任务机重获卫星信号，直至辅助机操作台接收到任务机成功获取卫星信号的接收信息。
根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述辅助机12包括供电系统121、动力系统122和导航与控制系统123。
根据本发明一种优选的实施方式，所述供电系统121为无人机自携带的配套充电电池(机载电池)，如LiPo锂聚合物电池等。
其中，所述供电系统为无人机的正常工作提供所需的电能。
根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述动力系统122包括电机1221、桨1222和舵机1223。
其中，动力系统根据辅助机操作台发出的遥控指令，实现无人机的起降、飞行，并调整转向和高度，达到配合工程任务顺利实施的目的。同时，动力系统也是无人机电源的主要消耗系统。
根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述导航与控制系统123包括卫星导航模块1231和飞控模块1232。
其中，所述飞控模块1232用于获得在以辅助机为原点的球坐标系中任务机的球坐标也可以理解为任务机与辅助机的相对位置关系；所述卫星导航模块1231用于对辅助机的卫星信息(JB、WB、HB)以及飞控模块1232获得的进行处理，得到任务机的卫星信号。其中，JB表示辅助机的经度，JB表示辅助机的纬度，HB表示辅助机的高度。
在本发明中，如图4所示，rA-B表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与原点B之间的径向距离，即辅助机与任务机之间的距离；θA-B表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与辅助机的连线与Z’-轴之间的夹角，亦称(90°-θA-B)为任务机在B-X’Y’Z’中的高低角；表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与辅助机的连线在X’Y’-面内的投影线与X’轴的夹角，亦称为任务机在B-X’Y’Z’中的方位角。
在进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述卫星导航模块1231包括数据处理与转发装置12311、卫星信号接收机12312和环形天线12313。
其中，所述数据处理与转发装置12311用于对辅助机12的卫星信号(JB、WB、HB)以及任务机11与辅助机12之间的相对位置信息进行处理，获得任务机11的卫星信号，并转发至任务机11
在更进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述飞控模块1232包括半自主飞控子模块12321、人工遥控装置12322、陀螺仪12323和激光发射与探测装置12324。
其中，在半自主飞控子模块12321内设置有半自主飞控程序，用于控制辅助机进行半自主飞行；所述人工遥控装置12322用于接收辅助机操作台22发出的遥控指令；所述陀螺仪12323用于获得所述激光发射与探测装置12324用于向任务机11发射激光，并接收任务机11反射的激光，同时经过处理获得辅助机12与任务机11之间rA-B和θA-B，而(90-θA-B)即为激光线相对于水平面的发射角度。
根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述激光发射与探测装置12324包括激光发射模块123241、激光接收模块123242和数据获得模块123243。
其中，所述激光发射模块123241用于向任务机11发射激光；所述激光接收模块123242用于接收任务机11反射的激光；所述数据获得模块123243用于根据激光接收模块接收的激光信号获得任务机11与辅助机12的相对位置信息。
其中，在本发明中，在辅助机12向任务机11发射激光时，使辅助机12接近任务机11，以使任务机11处于辅助机12发射激光的有效范围内。
在进一步优选的实施方式中，数据获得模块123243进行如下处理：
其中，rA-B表示任务机与辅助机之间的距离；激光发射速率为设定值；所述激光反射时间为辅助机发射激光时计，到辅助机接收到反射激光时所需要的时间。
根据本发明一种优选的实施方式，在所述任务机11上设置有激光反射装置。
在进一步优选的实施方式中，所述激光反射装置为反光板。
其中，所述激光反射装置用于接收辅助机发射的激光，并对所述激光进行反射。
根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述数据处理与转发装置12311包括信息转换模块123111、坐标获得模块123112和信息转发模块123113。
其中，所述信息转换模块123111用于球坐标与卫星信号之间的转换；所述坐标获得模块123112用于获得任务机11在以地心为原点的球坐标系中的球坐标；所述信息转发模块123113用于将任务机的卫星信号转发给任务机，使任务机按既定航向继续工作。
根据本发明一种优选的实施方式，所述信息转换模块123111根据式(1)～(3)对无人机的卫星信号(J，W，H)和球坐标进行相互转换处理：
W＝90°-θ 式(2)，
H＝r-R 式(3)。
其中，J表示经度，W表示纬度，H表示高度，即，(J，W，H)表示卫星信号，R表示地球半径，而表示无人机的球坐标，具体地，在球坐标系中，r表示原点与无人机之间的径向距离，θ表示原点与无人机的连线与球坐标系中Z-轴的夹角，亦称(90-θ)即为无人机在球坐标系中的高低角，表示原点与无人机的连线在XY-面上的投影线与X-轴之间的夹角，亦称为无人机在球坐标系中的方位角。因此，利用信息转换模块123111可以进行球坐标与卫星信号的相互转换，即由卫星信号可以得到其对应的球坐标，同样由球坐标也可以得到其对应的卫星信号。
根据本发明一种优选的实施方式，所述坐标获得模块123112先进行如式(4)～(6)所示处理，以获得任务机11在以地心为原点的笛卡尔坐标系O-XYZ中的直角坐标(xA、yA、zA)：
zA＝rB·cosθB+rA-B·cosθA-B 式(6)。
其中，在式(4)～(6)中:
如图3所示，在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中， 表示辅助机的球坐标，具体地：rB表示原点与辅助机之间的径向距离；θB表示原点与辅助机的连线与Z-轴之间的夹角，亦称(90°-θB)为辅助机在O-XYZ中的高低角；表示原点与辅助机的连线在XY-面的投影线，与X-轴之间的夹角，亦称为辅助机在O-XYZ中的方位角。
如图4所示，在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，表示任务机的球坐标，具体地：rA-B表示原点B(辅助机)与任务机之间的径向距离；θA-B表示原点B与任务机的连线与Z’-轴之间的夹角，亦称(90°-θA-B)为任务机在B-X’Y’Z’中的高低角；表示原点B与任务机的连线在X’Y’-面的投影线，与X’-轴之间的夹角，亦称为在B-X’Y’Z’中的方位角。
在进一步优选的实施方式中，所述坐标获得模块123112再进行如式(7)～(9)所示处理，以获得任务机11在以地心为原点的球坐标系的球坐标
其中，在式(7)～(9)中，在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，表示任务机的球坐标，具体地：rA表示原点O与任务机之间的径向距离；θA表示原点O与任务机的连线与Z-轴之间的夹角，亦称(90°-θA)为任务机在O-XYZ中的高低角；表示原点O与任务机的连线在XY-面的投影线，与X-轴之间的夹角，亦称为任务机在O-XYZ中的方位角。
根据本发明一种优选的实施方式，在式(4)～式(5)中，θB和rB通过信息转换模块123111对辅助机的卫星信号(JB，WB，HB)进行转换处理而获得，所述转换处理具体如下进行：
θB＝90°-WB；rB＝HB+R。
其中，JB表示辅助机的经度，WB表示辅助机的纬度，HB表示辅助机的高度，R表示地球半径。
在进一步优选的实施方式中，在式(4)～式(5)中，rA-B为辅助机与任务机之间的距离，(90°-θA-B)为以水平面为基准的激光的发射角度，rA-B和θA-B均是通过辅助机上的激光发射与探测装置12324获得。
在更进一步优选的实施方式中，在式(4)～式(5)中，由辅助机上的陀螺仪获得。
根据本发明一种优选的实施方式，坐标获得模块123112获得任务机的球坐标后，利用信息转换模块123111将任务机的球坐标转换为卫星信号(JA、WA、HA)，其中，所述数据转换具体如下进行：
WA＝90°-θA，HA＝rA-R；
其中，R表示地球半径。这样，即使在任务机11丢失卫星信号或卫星信号减弱后也可以在辅助机的协同作业下重新获得卫星信号，继续进行正常飞行并工作。
本发明另一方面提供了一种无人机协同导航的方法，用于任务机丢失卫星信号或卫星信号较弱的情况下。
在进一步优选的实施方式中，所述方法采用本发明第一方面所述系统进行。
根据本发明一种优选的实施方式，如图5所示，所述方法如下进行：
(1)当任务机11丢失卫星信号或卫星信号较弱时，任务机操作台21向辅助机操作台22发送求助信号，辅助机操作台22接收到任务机操作台发送的求助信号后调控辅助机12使其靠近任务机11，并利用激光发射模块123241向任务机11发射激光，任务机11接收到辅助机12发射的激光，并对激光进行反射；
(2)辅助机12接收到任务机11反射的激光信号，并利用数据获得模块123243以及陀螺仪12323进行处理，得到任务机与辅助机的在球坐标中的相对位置球坐标
(3)利用辅助机12的数据处理与转发装置12311获得任务机11的卫星信号，并将所述卫星信号转发至任务机11。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤(1)中，当任务机11丢失卫星信号或卫星信号较弱时，任务机操作台21的显示界面显示的卫星颗数较低，一般低于10颗卫星颗数视为卫星信号丢失或较弱。
此时，任务机操作台即获知任务机的卫星信号丢失或较弱，然后向辅助机操作台发送求助信号。
在进一步优选的实施方式中，在步骤(1)中，求助信号的发送可以通过任务机操作台21和辅助机操作台22上的工作人员口头传达，也可以在两个操作台之间通过信息传输的方式进行传达。
在更进一步优选的实施方式中，在步骤(1)中，在辅助机操作台22接收到求助信号后，需要调控辅助机12飞行至任务机11可以接收到激光的有效范围内，并调节激光的发射角度使任务机11成功接收到激光。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤(2)中，数据获得模块123243进行如下处理：
这样，利用激光发射与探测装置获得了任务机与辅助机在球坐标系中的径向距离rA-B。
在进一步优选的实施方式中，θA-B为激光发射与探测装置发射出的激光与水平面的夹角，其由激光发射与探测装置即可获得。
在更进一步优选的实施方式中，利用辅助机12的陀螺仪获得
根据本发明一种优选的实施方式，步骤(3)包括以下子步骤：
(3.1)利用信息转换模块123111对辅助机的卫星信号(JB，WB，HB)进行转换处理，得到辅助机在以地心为原点的球坐标系中的球坐标
(3.2)利用坐标获得模块123112对辅助机的球坐标 和任务机与辅助机在球坐标中的相对位置球坐标 进行处理，获得任务机11在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)；
(3.3)利用坐标获得模块123112对任务机11在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)进行处理，得到任务机11在以地心为原点的求坐标系中的球坐标
(3.4)利用信息转换模块123111对任务机11的球坐标 进行处理，将球坐标转换为卫星信号，即获得任务机的卫星信号(JA，WA，HA)；
(3.5)利用信息转发模块123113将获得的任务机11的卫星信号转发至任务机11。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤(3)之后进行以下步骤(4)或步骤(4’)：
(4)当任务机11成功接收到辅助机12发送的卫星信号后，任务机11重新恢复正常工作，并将接收状态反馈给任务机操作台21，任务机操作台21又将任务机11的反馈信息转发给辅助机操作台22，辅助操作台22停止激光发射；
(4’)若在步骤任务机11没有成功接收到辅助机12发送的卫星信号，则辅助机操作台22接收不到任务机11的反馈信息，则其继续调控辅助机12飞向任务机11，直至任务机11能够成功接收到激光并获得卫星信号。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明所提供的系统设计简便，减少了工程实际操作的难度，也降低复杂设计带来的成本投入；
(2)本发明所提供的系统可以大规模生产并投入市场；
(3)本发明所提供的系统在有障碍影响任务机卫星信号传输时，能够借助辅助机进行数据处理，得到任务机的卫星信号，并传输给任务机，保证了任务机的正常工作。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机协同作业系统，其特征在于，所述系统包括机载子系统(1)和地面子系统(2)，其中，
所述机载子系统(1)包括至少两台无人机，进一步包括一台任务机(11)和至少一台辅助机(12)，其中，所述任务机(11)用于执行任务，所述辅助机(12)用于在任务机(11)的卫星信号丢失或较弱时辅助任务机(11)重获卫星信号；
所述地面子系统包括任务机操作台(21)和辅助机操作台(22)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辅助机(12)包括供电系统(121)、动力系统(122)和导航与控制系统(123)，其中，所述导航与控制系统(123)包括卫星导航模块(1231)和飞控模块(1232)；其中，所述飞控模块(1232)用于获得在以辅助机为原点的球坐标系中任务机的球坐标即任务机(11)与辅助机(12)之间的相对位置信息；所述卫星导航模块(1231)用于对辅助机的卫星信息以及飞控模块(1232)获得的进行处理，得到任务机的卫星信号；
其中：rA-B表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与原点B之间的径向距离，即辅助机与任务机之间的距离；θA-B表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与辅助机的连线与Z’轴之间的夹角，亦称(90°-θA-B)为任务机在B-X’Y’Z’中的高低角；表示在以辅助机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，任务机与辅助机的连线在X’Y’-面内的投影线与X’轴的夹角，亦称为任务机在B-X’Y’Z’中的方位角。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，
所述卫星导航模块(1231)包括数据处理与转发装置(12311)、卫星信号接收机(12312)和环形天线(12313)，其中，所述数据处理与转发装置(12311)用于对辅助机(12)的卫星信号以及任务机(11)与辅助机(12)之间的相对位置信息进行处理，获得任务机(11)的卫星信号，并转发至任务机(11)；
所述飞控模块(1232)包括半自主飞控子模块(12321)、人工遥控装置(12322)、陀螺仪(12323)和激光发射与探测装置(12324)，其中，通过陀螺仪(12323)获得通过激光发射与探测装置(12324)获得rA-B和θA-B，其中，rA-B即为辅助机(12)与任务机(11)之间的距离，(90-θA-B)由激光线相对于水平面的发射角度获得。
4.根据权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述激光发射与探测装置(12324)包括
激光发射模块(123241)，用于向任务机(11)发射激光；
激光接收模块(123242)，用于接收任务机(11)反射的激光；和
数据获得模块(123243)，用于根据激光接收模块接收的激光信号获得任务机(11)与辅助机(12)之间的rA-B和θA-B。
5.根据权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述数据处理与转发装置(12311)包括
信息转换模块(123111)，用于球坐标与卫星信号之间的转换；
坐标获得模块(123112)，用于获得任务机(11)在以地心为原点的球坐标系中的球坐标其中，rA表示在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，任务机与原点O之间的径向距离；θA表示在地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，任务机与地心的连线与Z轴之间的夹角，亦称(90-θA)为任务机在O-XYZ中的高低角；表示在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中任务机与地心的连线在XY-面内的投影线与X轴的夹角，亦称为任务机在O-XYZ中的方位角；和
信息转发模块(123113)，用于将辅助机(12)获得的任务机(11)的卫星信号转发给任务机(11)，使任务机(11)按既定航向继续工作。
6.根据权利要求1至5之一所述的系统，其特征在于，所述信息转换模块(123111)对无人机的卫星信号(J，W，H)和球坐标进行相互转换处理，所述转换处理如式(1)～式(3)进行：
W＝90°-θ 式(2)，
H＝r-R 式(3)；
其中，J表示经度，W表示纬度，H表示高度，即，(J，W，H)表示卫星信号，R表示地球半径，而表示无人机的球坐标，具体地，在球坐标系O-XYZ中，r表示原点与无人机之间的径向距离，θ表示原点与无人机的连线与球坐标系中Z轴的夹角，亦称(90°-θ)为无人机在球坐标系中的高低角，表示原点与无人机的连线在XY-面上的投影线与X-轴之间的夹角，亦称为无人机在球坐标系中的方位角。
7.根据权利要求1至6之一所述的系统，其特征在于，所述坐标获得模块(123112)先进行如式(4)～(6)所示处理，以获得任务机(11)在以地心为原点的笛卡尔坐标系O-XYZ中的直角坐标(xA、yA、zA)：
zA＝rB·cosθB+rA-B·cosθA-B 式(6)；
其中，在式(4)～(6)中:
在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，表示辅助机的球坐标，具体地：rB表示原点与辅助机之间的径向距离；θB表示原点O与辅助机的连线与Z轴之间的夹角，亦称(90°-θB)为辅助机在O-XYZ中的高低角；表示原点与辅助机的连线在XY-面的投影线，与X-轴之间的夹角，亦称为辅助机在O-XYZ中的方位角。
8.根据权利要求1至7之一所述的系统，其特征在于，所述坐标获得模块(123112)再进行如式(7)～(9)所示处理，以获得任务机(11)在以地心为原点的球坐标系的球坐标
9.一种无人机协同作业方法，优选地，所述方法采用权利要求1至8所述无人机协同作业系统进行，其中，所述方法如下进行：
步骤(1)、当任务机(11)丢失卫星信号或卫星信号较弱时，任务机操作台(21)向辅助机操作台(22)发送求助信号，辅助机操作台(22)接收到任务机操作台发送的求助信号后调控辅助机(12)使其靠近任务机(11)，并利用激光发射模块(123241)向任务机(11)发射激光，任务机(11)接收到辅助机(12)发射的激光，并对激光进行反射；
步骤(2)、辅助机(12)接收到任务机(11)反射的激光信号，并利用数据获得模块(123243)以及陀螺仪(12323)进行处理，得到任务机与辅助机的在球坐标中的相对位置球坐标
步骤(3)、利用辅助机(12)的数据处理与转发装置(12311)获得任务机(11)的卫星信号，并将所述卫星信号转发至任务机(11)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤(3)包括以下子步骤：
步骤(3.1)、利用信息转换模块(123111)对辅助机的卫星信号(JB，WB，HB)进行转换处理，得到辅助机在以地心为原点的球坐标系中的球坐标
步骤(3.2)、利用坐标获得模块(123112)对辅助机的球坐标和任务机与辅助机在球坐标中的相对位置球坐标进行处理，获得任务机(11)在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)，
步骤(3.3)、利用坐标获得模块(123112)对任务机(11)在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)进行处理，得到任务机(11)在以地心为原点的求坐标系中的球坐标
步骤(3.4)、利用信息转换模块(123111)对任务机(11)的球坐标进行处理，将球坐标转换为卫星信号，即获得任务机的卫星信号(JA，WA，HA)，
步骤(3.5)、利用信息转发模块(123113)将获得的任务机(11)的卫星信号转发至任务机(11)；
和/或
在步骤(3)之后进行以下步骤(4)或步骤(4’)：
步骤(4)、当任务机(11)成功接收到辅助机(12)发送的卫星信号后，任务机(11)重新恢复正常工作，并将接收状态反馈给任务机操作台(21)，任务机操作台(21)又将任务机(11)的反馈信息转发给辅助机操作台(22)，辅助操作台(22)停止激光发射，
步骤(4’)、若在步骤任务机(11)没有成功接收到辅助机(12)发送的卫星信号，则辅助机操作台(22)接收不到任务机(11)的反馈信息，则其继续调控辅助机(12)飞向任务机(11)，直至任务机(11)能够成功接收到激光并获得卫星信号。
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