CN108830450A - 无人机集群调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机控制技术领域，具体提供了无人机集群调度方法及系统，首先生成集群航点任务，发送集群航点任务至无人机集群中的主控无人机，主控无人机将该集群航点任务分解为多个子航点任务，并将子航点任务分配并发送至对应的无人机，无人机接收子航点任务以执行任务内容。该方法及系统在任务层面上，只有集群中的主控无人机与中控系统通信，并且集群任务的分解、分配和发送由主控无人机负责，使得无人机集群分担了一部分中控系统的工作，减轻了中控系统的信息处理压力，给予了无人机集群更大的自由度，也方便了无人机海量数据的管理，优化了编队任务分配的总计算量。

Description

无人机集群调度方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，特别涉及无人机集群调度方法及系统。

背景技术

无人机集群由多台无人机组成，可用于执行编队运输、进行空中表演等任务。目前普遍采取的集群调度方法是：集群控制系统与所有无人机通信，由集群控制系统负责将任务分解、分配后发送给每台无人机，各无人机只负责接收并执行任务。此种方式对集群控制系统的信息处理能力要求较高，在无人机集群较多时，集群控制系统的信息处理压力很大，通信压力也很大，一旦系统崩溃或信息处理不及时，可能会导致任务无法执行，甚至发生安全事故。

发明内容

(一)发明目的

为了解决上述现有技术方案中的至少一种缺陷，减轻集群控制系统的信息处理压力，提供了以下技术方案。

(二)技术方案

作为本发明的第一方面，本发明提供了一种无人机集群调度方法，所述无人机集群包括至少1台主控无人机，以及多台与所述主控无人机通信连接的从属无人机；

所述无人机集群调度方法包括：

生成集群航点任务；

发送所述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机；

所述主控无人机接收所述集群航点任务；

所述主控无人机根据所述集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务；

将所述子航点任务分配并发送至对应的无人机；

无人机接收子航点任务以执行任务内容；其中，

所述集群航点任务包括以下信息中的一种或多种：无人机数量信息、无人机类型要求信息、宏观动作内容信息、位置空域信息、时间内容信息。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述无人机数量信息包括所述主控无人机数量和/或所述从属无人机数量。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述无人机类型要求信息包括参与所述集群航点任务所要求所述主控无人机和/或所述从属无人机达到的执行能力的信息。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述宏观动作内容信息包括所述无人机集群在各动作节点的形状和大小。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述位置空域信息包括所述无人机集群的各动作节点的中心点，所述时间内容信息包括所述无人机集群执行各动作的时间节点。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，在所述集群航点任务包括所述宏观动作内容信息、所述位置空域信息和所述时间内容信息时，所述子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息；其中，所述单机时间信息包括单体无人机执行各动作的时间节点，所述单机位置信息包括单体无人机的各动作节点的位置范围。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，在所述发送所述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机之前，还包括：

根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从各无人机集群中选择一可被调度的无人机集群；或

根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从一个或多个无人机集群中选择一台或多台无人机组成一临时组建的无人机集群；其中，

所述集群调度功能需求包括：满足所述集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息，以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障；所述集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，述无人机集群中的所有无人机均具有相同的集群标识，该集群标识区别于任一其他无人机集群的集群标识。

作为本发明的第二方面，本发明提供了一种无人机集群调度系统，包括中控系统和无人机集群，所述无人机集群包括至少1台主控无人机，以及多台与所述主控无人机通信连接的从属无人机；

所述中控系统包括：

集群任务生成模块，用于生成集群航点任务；以及

集群任务发送模块，用于发送所述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机；

所述主控无人机包括：

集群任务接收模块，用于接收所述集群航点任务；

集群任务分解模块，用于根据所述集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务；以及

子任务分发模块，用于将所述子航点任务分配并发送至对应的无人机；

所述从属无人机包括：

子任务接收模块，用于接收子航点任务；其中，

所述集群航点任务包括以下信息中的一种或多种：无人机数量信息、无人机类型要求信息、宏观动作内容信息、位置空域信息、时间内容信息。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述无人机数量信息包括所述主控无人机数量和/或所述从属无人机数量。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述无人机类型要求信息包括参与所述集群航点任务所要求所述主控无人机和/或所述从属无人机达到的执行能力的信息。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述宏观动作内容信息包括所述无人机集群在各动作节点的形状和大小。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述位置空域信息包括所述无人机集群的各动作节点的中心点，所述时间内容信息包括所述无人机集群执行各动作的时间节点。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，在所述集群航点任务包括所述宏观动作内容信息、所述位置空域信息和所述时间内容信息时，所述子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息；其中，所述单机时间信息包括单体无人机执行各动作的时间节点，所述单机位置信息包括单体无人机的各动作节点的位置范围。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述中控系统还包括：

集群调度模块，用于根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从各无人机集群中选择一可被调度的无人机集群，还用于根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从一个或多个无人机集群中选择一台或多台无人机组成一临时组建的无人机集群；其中，

所述集群调度功能需求包括：满足所述集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息，以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障；所述集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，所述无人机集群中的各无人机均包括：

集群标识模块，用于存储该无人机所属无人机集群的集群标识，该集群标识区别于任一其他无人机集群的集群标识。

(三)有益效果

本发明提供的无人机集群调度方法及系统，在任务层面上，只有集群中的主控无人机与中控系统通信，并且集群任务的分解、分配和发送由主控无人机负责，使得无人机分担了一部分中控系统的工作，减轻了中控系统的信息处理压力，给予了无人机集群更大的自由度，也方便了无人机海量数据的管理，优化了编队任务分配的总计算量。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。

图1是本发明提供的无人机集群调度方法的其中一种实施例的流程示意图；

图2是本发明提供的无人机集群调度方法的另一种实施例的流程示意图；

图3是本发明提供的无人机集群调度系统的其中一种实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

需要说明的是：所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下为本发明提供的无人机集群调度方法的其中一种实施例，为第一实施例。通过该无人机集群调度方法，对无人机以集群为单位进行调度，以控制无人机集群执行编队飞行、空中表演甚至是地形侦查等任务。其中，1个无人机集群包括至少1台主控无人机，以及多台与主控无人机保持通信连接的从属无人机。主控无人机与负责控制该无人机集群的中控系统始终保持通信连接，并负责与中控系统进行任务层面上的通信，同时，主控无人机还给从属无人机发出控制指令，主控无人机具备有更高计算性能和数据处理能力(例如配备了更高级的主控芯片)，因此，主控无人机可以被认为是无人机集群的大脑，而从属无人机类似于无人机集群的四肢，从属无人机受主控无人机的控制，从属无人机与主控无人机共同完成一个针对无人机集群的集群航点任务。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，每个无人机集群都具有自己的集群标识，同一无人机集群内的所有无人机均具有相同的集群标识，该集群标识区别于任一其他无人机集群的集群标识。在无人机通信过程及其他行为活动中，在选择无人机集群时或集群内无人机之间的互相通信时，均可以通过集群标识来识别通信对象是否为同一集群内的成员，以此来防止干扰其他集群内的无人机，便于中控系统只对特定集群进行控制。

图1为本实施例的流程示意图，如图1所示，该无人机集群调度方法包括如下步骤：

步骤100，生成集群航点任务。

在对无人机以集群为单位进行调度时，需要对无人机集群发出指令，以使集群内的各个无人机根据指令执行相应动作，达到控制无人机集群的目的，而上述指令就是集群航点任务。集群航点任务是负责控制无人机集群的中控系统生成的，中控系统的操作人员规划好无人机集群需要执行的任务后，以无人机集群能解析的方式生成集群航点任务。集群航点任务包括以下信息中的一种或多种：无人机数量信息、无人机类型要求信息、宏观动作内容信息、位置空域信息、时间内容信息。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有无人机数量信息，无人机数量信息具体包括：主控无人机数量和从属无人机数量。针对无人机集群需要执行任务的不同，所需要的无人机数量也不同，执行大型任务和复杂任务可能会需要多于1台的主控无人机以及数量较多的从属无人机，而中、小型任务和简单任务可能就只需要1台主控无人机以及数量较少的从属无人机。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有无人机类型要求信息，无人机类型要求信息具体包括：参与集群航点任务所要求主控无人机和/或从属无人机达到的执行能力的信息。各个无人机的任务执行能力的区别普遍可以用无人机的类型或者机型得以区分，根据任务类型和任务性质的不同，需要选择具有执行该任务的能力的无人机集群。例如，某些任务需要主控无人机的数据分析处理能力达到一定要求，则无人机类型要求信息中就会包含有对主控无人机的类型要求，有些任务需要从属无人机的飞行速度达到一定要求或需要从属无人机能够发光发声，则无人机类型要求信息中就会包含有要求从属无人机能够发光发声的信息，还有些任务需要主控无人机和从属无人机的巡航距离超过一定公里数，则无人机类型要求信息中就会包含有要求主控无人机和从属无人机巡航距离的信息。

需要说明的是，一个无人机集群收到一个集群航点任务后，并非该集群内的所有无人机都必定参与任务，而是根据任务要求的无人机数量及无人机类型的不同而变化，主控无人机会根据无人机类型要求信息，选择集群内符合条件的无人机组成无人机集群来执行任务，关于这一方面的具体描述详见第二实施例。

无人机集群的任务多种多样，对于不同的集群航点任务，宏观动作内容信息可能是完全不同的，若集群航点任务为航拍任务或地貌影像采集任务，则宏观动作内容信息会对应改变。因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有宏观动作内容信息，宏观动作内容信息具体包括：无人机集群在各动作节点的形状和大小等信息。例如，集群航点任务为空中表演，例如，无人机集群摆出数字7的造型，且造型长30米宽50米，此时宏观动作内容信息中就会包含有上述造型的长、宽。作为上述技术方案的一种具体实施方式，宏观动作内容信息还可以包括声音信息和发光信息，如在摆出造型的同时播放特定音频并发出周期性彩虹七色循环渐变的光。

集群航点任务包含了宏观动作内容信息，通过宏观动作内容信息来获取无人机集群的宏观动作，还可以包括与该宏观动作对应的动作位置和动作时间，通过动作、时间和位置互相配合来实现动作的正确执行。因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有位置空域信息和时间内容信息。位置空域信息具体包括：无人机集群的各动作节点的中心点，时间内容信具体息包括：无人机集群执行各动作的时间节点。

具体的，根据位置空域信息中的各动作节点的中心点来确定宏观动作内容信息中相应动作的具体执行地点，时间内容信息包含的各动作的时间节点与宏观动作内容信息包含的各动作节点相对应，一个时间节点对应一个动作节点，无人机集群执行集群航点任务的过程，就是随着时间的推移执行相应的动作，在设定时间内执行完所有的宏观动作的过程。例如需要摆出数字7的造型，在获得了造型的形状和大小，获得了摆出造型的具体时间或时间段，获得了在造型的摆出地点，有了以上三种信息，就可以唯一确定无人机集群进行空中表演的具体时间、具体位置、以及具体摆出多大的何种样式的造型。

由于无人机集群在执行动作前还可能需要先在某时间于某空域集合，在集合完毕后于动作开始时间时执行相应动作，并在动作全部完成后在某时间与某空域集合，作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述位置空域信息还包括：无人机集群的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围等信息；上述时间内容信息还包括：无人机集群的动作前集合时间节点和动作完毕后集合时间节点。

当无人机集群在执行任务前后需要集合时，无人机集群会根据位置空域信息和时间内容信息，在执行各动作的时间节点之前的动作前集合时间节点于动作前集合位置范围内集合，并于动作开始的时间节点时开始执行动作内容，在动作完毕后，再在动作完毕后集合时间节点集合于动作完毕后集合位置范围内等待，之后返航或降落，这样使整个任务执行过程更加井然有序。可以理解的是，位置空域信息的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围均可以是在某边界点处。需要说明的是，动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围均为一个位置范围而非一个为位置点，因此只要无人机所处位置在允许的误差范围内，则均可以接受，并且无人机实际所处的具体位置会出现一定偏差，检测得到的无人机所处位置也会出现一定偏差，因此集合位置为一个位置范围，这样无人机执行动作时只要位于一个小的位置范围内即算作按照任务指示到达指定位置了。

步骤200，发送上述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机。

中控系统在生成集群航点任务后，将该任务以无线通信的方式发送给被选中为任务执行方的无人机集群中的主控无人机。

步骤300，主控无人机接收集群航点任务。

主控无人机实时与中控系统通信连接，以实时接收中控系统发送的集群航点任务或其他指令，其他指令可以是紧急降落指令等突发性指令信息。

步骤400，主控无人机根据集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务。

主控无人机接收到中控系统发来的集群航点任务后，需要将该任务分解为多个面向单体无人机的子航点任务，以使无人机集群能够以单体无人机为单位执行整个集群的任务，而分解出的子航点任务数量可以依据集群航点任务中包含的无人机数量信息确定。具体的，例如无人机集群中有1台主控无人机和35台从属无人机，主控无人机接收到集群航点任务后，将其分解为36个子航点任务，其中1个子航点任务是主控无人机自己需要执行的任务，其余35个子航点任务则对应无人机集群内的其余35台从属无人机。需要说明的是，由于从属无人机在正常情况下不与中控系统进行任务层面的通信，因此从属无人机是从主控无人机处接受任务并执行。

在集群航点任务包括宏观动作内容信息、位置空域信息和时间内容信息时，主控无人机和从属无人机的子航点任务也会对应的包括任务执行时间和任务执行动作，因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息等信息。单机时间信息具体包括：单体无人机执行各动作的时间节点；单机位置信息具体包括：单体无人机的各动作节点的位置范围。子航点任务的单机时间信息与集群航点任务的时间内容信息相对应，子航点任务的单机位置信息为集群航点任务的宏观动作内容信息分解后的微观部分，集群内的所有单体无人机在得到子航点任务后，均依据子航点任务指令，在各动作的时间节点位于各动作节点的位置范围内，形成一个执行宏观动作内容的无人机集群。

在位置空域信息还包括无人机集群的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围等信息，并且时间内容信息还包括无人机集群的动作前集合时间节点和动作完毕后集合时间节点时，由于子航点任务为集群航点任务分解后得到的，因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，单机时间信息也相应包括单体无人机的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围等信息时间内容信息也会相应包括动作前集合时间节点和动作完毕后集合时间节点等信息。

单机位置信息内包含的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围则为一个具体的小的位置范围，例如动作完毕后，根据集群航点任务指令，无人机集群需要于以A坐标为中心的范围内集合，具体到子航点任务中时，则是无人机A1位于X1位置范围，无人机A2位于X2位置范围，以此类推，所有单体无人机均位于自己的子航点任务包含的集合位置范围内，使得整个无人机集群位于以A坐标为中心的某一空域内。

需要说明的是，子航点任务并不用包含动作信息，因为对于单体无人机来说，在某个时刻位于某个位置就是在执行动作。可以理解的是，单机位置信息还可以包括与宏观动作内容信息相对应的声音信息和发光信息，前提是集群动作内容信息包含了这些信息。和宏观动作内容信息的各动作节点的形状、大小被分解为单体无人机的各动作节点位置范围相似，该声音信息和发光信息同样是被宏观动作内容信息的声音信息和发光信息分解为单体无人机的声音信息和发光信息，必要时还需配合动作时间节点，例如集群航点任务包含了在A时刻使无人机集群从上到下依次渐变3种不同颜色，则任务分解后为无人机A11至A19在T1时刻发红色光，T2时刻发蓝色光，T3时刻发绿色光，后面时刻以此类推，无人机A21至A29在T1时刻发蓝色光，T2时刻发绿色光，T3时刻发红色光，后面时刻以此类推，无人机A31至A39在T1时刻发绿色光，T2时刻发红色光，T3时刻发蓝色光，后面时刻以此类推。

还需要说明的是，若集群航点任务是使无人机集群表演多个动作的动画表演，则中控系统会生成动画脚本文件，由主控无人机对脚本文件进行分析，然后执行后续的分解、分配、发送给从属无人机等过程。若主控无人机能力不足，则中控系统将会对其进行处理到主控无人机可以分析的程度再进行集群航点任务的发放。

步骤500，将子航点任务分配并发送至对应的无人机。

主控无人机将集群航点任务分解为多个子航点任务后，主控无人机还需要将各子航点任务分配给对应的各从属无人机，即将各子航点任务与各从属无人机配对，然后根据配对的结果，主控无人机将各子航点任务分发给除该主控无人机以外的各其他无人机。

步骤600，无人机接收子航点任务以执行任务内容。

从属无人机接收主控无人机发送的任务中识别出专属于自身的子航点任务，即从属无人机从各子航点任务中领取专属于自己的一个子航点任务，从属无人机接收该子航点任务并执行；所有无人机(主控无人机和从属无人机)同时执行专属于各自的子航点任务的同时，就相当于无人机集群在执行集群航点任务。

具体来说，假设当前有一个具有6架无人机的无人机集群实现的空中数字显示任务，此时控制无人机集群的中控系统根据任务需求生成集群航点任务，集群航点任务中包括：无人机数量信息(需要具备6架无人机的无人机集群)、宏观动作内容信息(例如空中摆出绿色数字7的图案)、时间内容信息(晚20：00开始)、位置空域信息(例如某地某地标建筑上方，此处也可为经纬度等能标识地理位置的信息)。中控系统将该集群航点任务打包发送给具有6架无人机的无人机集群中的主控无人机，主控无人机接收集群航点任务后，将集群航点任务分为6个子航点任务，子航点任务包括：单台无人机在单机动作时间(晚20：00开始)执行单机动作内容(如移动到某地标建筑正上方高100±0.2米处同时发出绿光，不同子航点任务的单机动作内容中的坐标位置范围不同)，并在6个子航点任务和6架无人机之间进行分配，分配完成后，其中1个子航点任务由自己执行，其余5个发送给集群内的5架从属无人机，5架从属无人机接收各自的子航点任务，最后6架无人机分别同时执行各自的子航点任务，例如摆出一个数字7，顶部横排有3架无人机水平排布，3架无人机的最右侧无人机正下方有其余3架无人机竖直排布或沿下斜方向排布，以实现组成绿色数字7的任务。

有利的是，不同于以往的中控系统与所有无人机通信并将任务分解、分配后发送给每台无人机并且无人机只负责执行任务，本发明提供的无人机集群调度方法，在任务层面上，只有集群中的主控无人机与中控系统通信，并负责集群任务的分解、分配和发送，使得无人机集群分担了一部分中控系统的工作，减轻了中控系统的信息处理压力，给予了无人机集群更大的自由度，也方便了无人机海量数据的管理，优化了编队任务分配的总计算量。

以下为本发明提供的无人机集群调度方法的另一种实施例，为第二实施例。本实施例提供的无人机集群调度方法，在将集群航点任务发送至主控无人机之前，先要选取或临时组建无人机集群，之后再将集群航点任务发送至主控无人机，本实施例中的其他步骤以及实施方式与第一实施例相同，在此不做赘述。

图2为本实施例的流程示意图，如图2所示，在将集群航点任务发送给无人机集群的主控无人机之前，还包括如下步骤：

步骤111，根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从各无人机集群中选择一可被调度的无人机集群，或者，

步骤112，根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从一个或多个无人机集群中选择一台或多台无人机组成一临时组建的无人机集群。

由于无人机集群可以有多个，因此需要根据集群航点任务的不同来选择或临时组建最合适的无人机集群并将该集群航点任务分配给该集群，而选择的标准就是集群调度功能需求以及集群调度最优原则。本实施例提供了两种不同的选取无人机集群的方案，两个方案分别对应两种不同情况下的集群航点任务。

对于步骤111，其对应的情况是：当前已有一能够满足集群航点任务的无人机集群，该无人机集群可以单独执行集群航点任务。需要说明的是，此处的单独执行可以是该无人机集群内的全体无人机参与执行，也可以是部分无人机参与执行。此种情况对应的集群航点任务一般为中、小型任务，体量小，对无人机的数量要求不高。

对于步骤112，其对应的情况是：当前没有任一无人机集群能够单独执行集群航点任务，但两个或多个无人机集群的一部分无人机组成的临时组建的无人机集群可以执行集群航点任务，或一个或多个完整的无人机集群和一台或多台其它无人机集群中的部分无人机组成的临时组建的无人机集群可以执行集群航点任务。临时组建的无人机集群可以不包含任一完整的无人机集群，只有从不同无人机集群中抽调出来的部分无人机，也可以包含一个或多个完整的无人机集群以及从其他无人机集群中抽调的出来的部分无人机，也可以只包含一个或多个完整的无人机集群。临时组建无人机集群是在当前没有既符合任务执行需求但又有处于可调度状态的无人机时的执行策略。此种情况对应的集群航点任务一般为大型、超大型任务，体量大，对无人机的数量要求高。

上述集群调度功能需求包括集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障，即需要选择符合无人机类型要求的、数量达标的、无人机电量充足且无故障的无人机集群来执行任务。集群调度功能需求为硬性指标，是必须达到的，否则任务执行过程可能会发生安全事故等危险。因此有的集群航点任务可以只用某一个无人机集群就能单独执行该任务，但该无人机集群中出现了故障无人机，因此数量达不到任务要求，就需要从其他无人机集群内抽调无人机组成一临时组建的无人机集群来执行该集群任务。

若不止一个无人机集群满足集群调度功能需求，则再根据集群调度最优原则进行筛选。集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小，通过上述四个衡量因素在多个无人机集群中选择成本最低的策略，得到符合当前任务的最优集群。无人机损耗成本最小指的是执行该任务会对无人机造成的损坏的量化成本最小，调度难度成本最小指的是无人机能够在最短时间内做好执行任务的准备，例如尽快到达出发地点集合，无人机能源消耗成本最小指的是无人机执行任务过程以及做好执行任务的准备所消耗的电量，电量消耗越多，无人机的剩余巡航距离越短，调度安全成本最小指的是无人机在做好执行任务的准备的过程中发生安全事故的几率最低。

可以理解的是，在上述四个衡量因素中权衡的方式，可以是根据每个衡量因素的重要性赋予权重，根据四个因素进行加权平均来判断哪个无人机集群为最优，或通过其他一些智能算法算出哪个无人机集群为当前任务的最优调度集群。在根据上述内容选择出最终的无人机集群后，才将集群航点任务发送给该集群内的主控无人机。

需要进一步说明的是，无人机集群基本上均为提前组建好的无人机集群，集群包含的无人机数目一般足以完成基本的飞行任务，每个集群的无人机最大数目由管理该集群的中控系统的信息处理能力所决定。

在选出无人机集群后，将集群航点任务发送至无人机集群中的主控无人机，主控无人机接收集群航点任务，并根据集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务，主控无人机再将子航点任务分配并发送至从属无人机，以使从属无人机接收专属于自身的子航点任务，最后主控无人机和从属无人机一起执行各自的任务内容，实现无人机集群执行集群航点任务。

以下为本发明提供的无人机集群调度系统的其中一种实施例，为第三实施例。通过该无人机集群调度系统，对无人机以集群为单位进行调度，以控制无人机集群执行编队飞行、空中表演甚至是地形侦查等任务。图3为本实施例的结构框图，如图3所示，该无人机集群调度系统包括中控系统和无人机集群，无人机集群包括至少1台主控无人机，以及多台与主控无人机通信连接的从属无人机。

主控无人机与负责控制无人机集群的中控系统始终保持通信连接，并负责与中控系统进行任务层面上的通信，同时，主控无人机还给从属无人机发出控制指令，主控无人机具备有更高计算性能和数据处理能力(例如配备了更高级的主控芯片)，因此，主控无人机可以被认为是无人机集群的大脑，而从属无人机类似于无人机集群的四肢，从属无人机受主控无人机的控制，从属无人机与主控无人机共同完成一个针对无人机集群的集群航点任务。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，每个无人机集群都具有自己的集群标识，同一无人机集群内的所有无人机均具有相同的集群标识，该集群标识区别于任一其他无人机集群的集群标识。在无人机通信过程及其他行为活动中，在选择无人机集群时或集群内无人机之间的互相通信时，均可以通过集群标识来识别通信对象是否为同一集群内的成员，以此来防止干扰其他集群内的无人机，便于中控系统只对特定集群进行控制。

中控系统作为控制无人机集群的一方，包括集群任务生成模块和集群任务发送模块。集群任务生成模块用于生成集群航点任务。集群任务发送模块用于发送集群航点任务至无人机集群中的主控无人机。在中控系统的操作人员规划好无人机集群需要执行的任务后，以无人机集群能解析的方式生成集群航点任务。集群航点任务包括以下信息中的一种或多种：无人机数量信息、无人机类型要求信息、宏观动作内容信息、位置空域信息、时间内容信息。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有无人机数量信息，无人机数量信息具体包括：主控无人机数量和从属无人机数量。针对无人机集群需要执行任务的不同，所需要的无人机数量也不同，执行大型任务和复杂任务可能会需要多于1台的主控无人机以及数量较多的从属无人机，而中、小型任务和简单任务可能就只需要1台主控无人机以及数量较少的从属无人机。

作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有无人机类型要求信息，无人机类型要求信息具体包括：参与集群航点任务所要求主控无人机和/或从属无人机达到的执行能力的信息。各个无人机的任务执行能力的区别普遍可以用无人机的类型或者机型得以区分，根据任务类型和任务性质的不同，需要选择具有执行该任务的能力的无人机集群。例如，某些任务需要主控无人机的数据分析处理能力达到一定要求，则无人机类型要求信息中就会包含有对主控无人机的类型要求，有些任务需要从属无人机的飞行速度达到一定要求或需要从属无人机能够发光发声，则无人机类型要求信息中就会包含有要求从属无人机能够发光发声的信息，还有些任务需要主控无人机和从属无人机的巡航距离超过一定公里数，则无人机类型要求信息中就会包含有要求主控无人机和从属无人机巡航距离的信息。

需要说明的是，一个无人机集群收到一个集群航点任务后，并非该集群内的所有无人机都必定参与任务，而是根据任务要求的无人机数量及无人机类型的不同而变化，主控无人机会根据无人机类型要求信息，选择集群内符合条件的无人机组成无人机集群来执行任务，关于这一方面的具体描述详见第二实施例。

无人机集群的任务多种多样，对于不同的集群航点任务，宏观动作内容信息可能是完全不同的，若集群航点任务为航拍任务或地貌影像采集任务，则宏观动作内容信息会对应改变。因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有宏观动作内容信息，宏观动作内容信息具体包括：无人机集群在各动作节点的形状和大小等信息。例如，集群航点任务为空中表演，例如，无人机集群摆出数字7的造型，且造型长30米宽50米，此时宏观动作内容信息中就会包含有上述造型的长、宽。作为上述技术方案的一种具体实施方式，宏观动作内容信息还可以包括声音信息和发光信息，如在摆出造型的同时播放特定音频并发出周期性彩虹七色循环渐变的光。

集群航点任务包含了宏观动作内容信息，通过宏观动作内容信息来获取无人机集群的宏观动作，还可以包括与该宏观动作对应的动作位置和动作时间，通过动作、时间和位置互相配合来实现动作的正确执行。因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述集群航点任务包含有位置空域信息和时间内容信息。位置空域信息具体包括：无人机集群的各动作节点的中心点，时间内容信具体息包括：无人机集群执行各动作的时间节点。

具体的，根据位置空域信息中的各动作节点的中心点来确定宏观动作内容信息中相应动作的具体执行地点，时间内容信息包含的各动作的时间节点与宏观动作内容信息包含的各动作节点相对应，一个时间节点对应一个动作节点，无人机集群执行集群航点任务的过程，就是随着时间的推移执行相应的动作，在设定时间内执行完所有的宏观动作的过程。例如需要摆出数字7的造型，在获得了造型的形状和大小，获得了摆出造型的具体时间或时间段，获得了在造型的摆出地点，有了以上三种信息，就可以唯一确定无人机集群进行空中表演的具体时间、具体位置、以及具体摆出多大的何种样式的造型。

由于无人机集群在执行动作前还可能需要先在某时间于某空域集合，在集合完毕后于动作开始时间时执行相应动作，并在动作全部完成后在某时间与某空域集合，作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述位置空域信息还包括：无人机集群的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围等信息；上述时间内容信息还包括：无人机集群的动作前集合时间节点和动作完毕后集合时间节点。

主控无人机作为集群中负责与中控系统在任务层面上进行通信的一方，包括集群任务接收模块、集群任务分解模块和子任务分发模块。集群任务接收模块用于接收集群航点任务。集群任务分解模块用于根据集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务。子任务分发模块用于将子航点任务分配并发送至对应的无人机。子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息。

从属无人机作为集群中被主控无人机控制的一方，包括子任务接收模块。子任务接收模块用于接收子航点任务。

主控无人机通过集群任务接收模块接收到中控系统发来的集群航点任务后，需要通过集群任务分解模块将该任务分解为多个面向单体无人机的子航点任务，再通过子任务分发模块将子航点任务分发给各无人机，以使无人机集群能够以单体无人机为单位执行整个集群的任务，而分解出的子航点任务数量可以依据集群航点任务中包含的无人机数量信息确定。具体的，例如无人机集群中有1台主控无人机和35台从属无人机，主控无人机接收到集群航点任务后，将其分解为36个子航点任务，其中1个子航点任务是主控无人机自己需要执行的任务，其余35个子航点任务则对应无人机集群内的其余35台从属无人机。

在集群航点任务包括宏观动作内容信息、位置空域信息和时间内容信息时，主控无人机和从属无人机的子航点任务也会对应的包括任务执行时间和任务执行动作，因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，上述子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息等信息。单机时间信息具体包括：单体无人机执行各动作的时间节点；单机位置信息具体包括：单体无人机的各动作节点的位置范围。子航点任务的单机时间信息与集群航点任务的时间内容信息相对应，子航点任务的单机位置信息为集群航点任务的宏观动作内容信息分解后的微观部分，集群内的所有单体无人机在得到子航点任务后，均依据子航点任务指令，在各动作的时间节点位于各动作节点的位置范围内，形成一个执行宏观动作内容的无人机集群。

在位置空域信息还包括无人机集群的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围等信息，并且时间内容信息还包括无人机集群的动作前集合时间节点和动作完毕后集合时间节点时，由于子航点任务为集群航点任务分解后得到的，因此作为上述技术方案的一种具体实施方式，单机时间信息也相应包括单体无人机的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围等信息时间内容信息也会相应包括动作前集合时间节点和动作完毕后集合时间节点等信息。

单机位置信息内包含的动作前集合位置范围和动作完毕后集合位置范围则为一个具体的小的位置范围，例如动作完毕后，根据集群航点任务指令，无人机集群需要于以A坐标为中心的范围内集合，具体到子航点任务中时，则是无人机A1位于X1位置范围，无人机A2位于X2位置范围，以此类推，所有单体无人机均位于自己的子航点任务包含的集合位置范围内，使得整个无人机集群位于以A坐标为中心的某一空域内。

需要说明的是，子航点任务并不用包含动作信息，因为对于单体无人机来说，在某个时刻位于某个位置就是在执行动作。可以理解的是，单机位置信息还可以包括与宏观动作内容信息相对应的声音信息和发光信息，前提是集群动作内容信息包含了这些信息。和宏观动作内容信息的各动作节点的形状、大小被分解为单体无人机的各动作节点位置范围相似，该声音信息和发光信息同样是被宏观动作内容信息的声音信息和发光信息分解为单体无人机的声音信息和发光信息，必要时还需配合动作时间节点，例如集群航点任务包含了在A时刻使无人机集群从上到下依次渐变3种不同颜色，则任务分解后为无人机A11至A19在T1时刻发红色光，T2时刻发蓝色光，T3时刻发绿色光，后面时刻以此类推，无人机A21至A29在T1时刻发蓝色光，T2时刻发绿色光，T3时刻发红色光，后面时刻以此类推，无人机A31至A39在T1时刻发绿色光，T2时刻发红色光，T3时刻发蓝色光，后面时刻以此类推。

还需要说明的是，若集群航点任务是使无人机集群表演多个动作的动画表演，则中控系统会生成动画脚本文件，由主控无人机对脚本文件进行分析，然后执行后续的分解、分配、发送给从属无人机等过程。若主控无人机能力不足，则中控系统将会对其进行处理到主控无人机可以分析的程度再进行集群航点任务的发放。

对于复杂任务，例如需要200台无人机进行的编队运输任务，中控系统将任务的细节和运送路线上的机场信息、航道信息发送给符合要求的无人机集群，集群内部的主控无人机将自主生成运输策略，给各个无人机分配具体的运输子任务同时对运输顺序进行管理，最终自动完成复杂的编队运输任务。

有利的是，不同于以往的中控系统与所有无人机通信并将任务分解、分配后发送给每台无人机并且无人机只负责执行任务，本发明提供的无人机集群调度系统，在任务层面上，只有集群中的主控无人机与中控系统通信，并负责集群任务的分解、分配和发送，使得无人机集群分担了一部分中控系统的工作，减轻了中控系统的信息处理压力，给予了无人机集群更大的自由度，也方便了无人机海量数据的管理，优化了编队任务分配的总计算量。

以下为本发明提供的无人机集群调度系统的另一种实施例，为第四实施例。本实施例中的其他模块以及实施方式与第三实施例相同，在此不做赘述。本实施例提供的无人机集群调度系统中，中控系统还包括集群调度模块。集群调度模块用于根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从各无人机集群中选择一可被调度的无人机集群，还用于根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从一个或多个无人机集群中选择一台或多台无人机组成一临时组建的无人机集群。其中，集群调度功能需求包括：满足集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息，以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障，集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小。

由于无人机集群可以有多个，因此需要根据集群航点任务的不同来选择或临时组建最合适的无人机集群并将该集群航点任务分配给该集群，而选择的标准就是集群调度功能需求以及集群调度最优原则。通过集群调度模块提供了两种不同的选取无人机集群的方案，两个方案分别对应两种不同情况下的集群航点任务。

对于其中一种方案，其对应的情况是：当前已有一能够满足集群航点任务的无人机集群，该无人机集群可以单独执行集群航点任务。需要说明的是，此处的单独执行可以是该无人机集群内的全体无人机参与执行，也可以是部分无人机参与执行。此种情况对应的集群航点任务一般为中、小型任务，体量小，对无人机的数量要求不高。

对于另一种方案，其对应的情况是：当前没有任一无人机集群能够单独执行集群航点任务，但两个或多个无人机集群的一部分无人机组成的临时组建的无人机集群可以执行集群航点任务，或一个或多个完整的无人机集群和一台或多台其它无人机集群中的部分无人机组成的临时组建的无人机集群可以执行集群航点任务。临时组建的无人机集群可以不包含任一完整的无人机集群，只有从不同无人机集群中抽调出来的部分无人机，也可以包含一个或多个完整的无人机集群以及从其他无人机集群中抽调的出来的部分无人机，也可以只包含一个或多个完整的无人机集群。临时组建无人机集群是在当前没有既符合任务执行需求但又有处于可调度状态的无人机时的执行策略。此种情况对应的集群航点任务一般为大型、超大型任务，体量大，对无人机的数量要求高。

上述集群调度功能需求包括集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障，即需要选择符合无人机类型要求的、数量达标的、无人机电量充足且无故障的无人机集群来执行任务。集群调度功能需求为硬性指标，是必须达到的，否则任务执行过程可能会发生安全事故等危险。因此有的集群航点任务可以只用某一个无人机集群就能单独执行该任务，但该无人机集群中出现了故障无人机，因此数量达不到任务要求，就需要从其他无人机集群内抽调无人机组成一临时组建的无人机集群来执行该集群任务。

若不止一个无人机集群满足集群调度功能需求，则再根据集群调度最优原则进行筛选。集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小，通过上述四个衡量因素在多个无人机集群中选择成本最低的策略，得到符合当前任务的最优集群。无人机损耗成本最小指的是执行该任务会对无人机造成的损坏的量化成本最小，调度难度成本最小指的是无人机能够在最短时间内做好执行任务的准备，例如尽快到达出发地点集合，无人机能源消耗成本最小指的是无人机执行任务过程以及做好执行任务的准备所消耗的电量，电量消耗越多，无人机的剩余巡航距离越短，调度安全成本最小指的是无人机在做好执行任务的准备的过程中发生安全事故的几率最低。

可以理解的是，在上述四个衡量因素中权衡的方式，可以是根据每个衡量因素的重要性赋予权重，根据四个因素进行加权平均来判断哪个无人机集群为最优，或通过其他一些智能算法算出哪个无人机集群为当前任务的最优调度集群。在根据上述内容选择出最终的无人机集群后，才将集群航点任务发送给该集群内的主控无人机。

需要进一步说明的是，无人机集群基本上均为提前组建好的无人机集群，集群包含的无人机数目一般足以完成基本的飞行任务，每个集群的无人机最大数目由管理该集群的中控系统的信息处理能力所决定。

在选出无人机集群后，将集群航点任务发送至无人机集群中的主控无人机，主控无人机接收集群航点任务，并根据集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务，主控无人机再将子航点任务分配并发送至从属无人机，以使从属无人机接收专属于自身的子航点任务，最后主控无人机和从属无人机一起执行各自的任务内容，实现无人机集群执行集群航点任务。

当集群航点任务过于复杂，需要多个无人机集群进行协同执行时，无人机集群的服务器之间将会进行数据交互，协同配合完成例如需要1000架无人机参与的任务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种无人机集群调度方法，其特征在于，所述无人机集群包括至少1台主控无人机，以及多台与所述主控无人机通信连接的从属无人机；

所述无人机集群调度方法包括：

生成集群航点任务；

发送所述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机；

所述主控无人机接收所述集群航点任务；

所述主控无人机根据所述集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务；

将所述子航点任务分配并发送至对应的无人机；

无人机接收子航点任务以执行任务内容；其中，

所述集群航点任务包括以下信息中的一种或多种：无人机数量信息、无人机类型要求信息、宏观动作内容信息、位置空域信息、时间内容信息。

2.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，所述无人机数量信息包括所述主控无人机数量和/或所述从属无人机数量。

3.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，所述无人机类型要求信息包括参与所述集群航点任务所要求所述主控无人机和/或所述从属无人机达到的执行能力的信息。

4.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，所述宏观动作内容信息包括所述无人机集群在各动作节点的形状和大小。

5.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，所述位置空域信息包括所述无人机集群的各动作节点的中心点，所述时间内容信息包括所述无人机集群执行各动作的时间节点。

6.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，在所述集群航点任务包括所述宏观动作内容信息、所述位置空域信息和所述时间内容信息时，所述子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息；其中，所述单机时间信息包括单体无人机执行各动作的时间节点，所述单机位置信息包括单体无人机的各动作节点的位置范围。

7.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，在所述发送所述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机之前，还包括：

根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从各无人机集群中选择一可被调度的无人机集群；或

根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从一个或多个无人机集群中选择一台或多台无人机组成一临时组建的无人机集群；其中，

所述集群调度功能需求包括：满足所述集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息，以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障；所述集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小。

8.根据权利要求1所述的无人机集群调度方法，其特征在于，所述无人机集群中的所有无人机均具有相同的集群标识，该集群标识区别于任一其他无人机集群的集群标识。

9.一种无人机集群调度系统，其特征在于，包括中控系统和无人机集群，所述无人机集群包括至少1台主控无人机，以及多台与所述主控无人机通信连接的从属无人机；

所述中控系统包括：

集群任务生成模块，用于生成集群航点任务；以及

集群任务发送模块，用于发送所述集群航点任务至无人机集群中的主控无人机；

所述主控无人机包括：

集群任务接收模块，用于接收所述集群航点任务；

集群任务分解模块，用于根据所述集群航点任务将该集群航点任务分解为多个子航点任务；以及

子任务分发模块，用于将所述子航点任务分配并发送至对应的无人机；

所述从属无人机包括：

子任务接收模块，用于接收子航点任务；其中，

所述集群航点任务包括以下信息中的一种或多种：无人机数量信息、无人机类型要求信息、宏观动作内容信息、位置空域信息、时间内容信息。

10.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，所述无人机数量信息包括所述主控无人机数量和/或所述从属无人机数量。

11.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，所述无人机类型要求信息包括参与所述集群航点任务所要求所述主控无人机和/或所述从属无人机达到的执行能力的信息。

12.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，所述宏观动作内容信息包括所述无人机集群在各动作节点的形状和大小。

13.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，所述位置空域信息包括所述无人机集群的各动作节点的中心点，所述时间内容信息包括所述无人机集群执行各动作的时间节点。

14.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，在所述集群航点任务包括所述宏观动作内容信息、所述位置空域信息和所述时间内容信息时，所述子航点任务包括单机时间信息和单机位置信息；其中，所述单机时间信息包括单体无人机执行各动作的时间节点，所述单机位置信息包括单体无人机的各动作节点的位置范围。

15.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，所述中控系统还包括：

集群调度模块，用于根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从各无人机集群中选择一可被调度的无人机集群，还用于根据集群调度功能需求以及集群调度最优原则从一个或多个无人机集群中选择一台或多台无人机组成一临时组建的无人机集群；其中，

所述集群调度功能需求包括：满足所述集群航点任务中的无人机类型要求信息和无人机数量信息，以及各无人机的剩余电量达到设定值并且各无人机无故障；所述集群调度最优原则包括以下衡量因素：无人机损耗成本最小，调度难度成本最小，无人机能源消耗成本最小，调度安全成本最小。

16.根据权利要求9所述的无人机集群调度系统，其特征在于，所述无人机集群中的各无人机均包括：

集群标识模块，用于存储该无人机所属无人机集群的集群标识，该集群标识区别于任一其他无人机集群的集群标识。