CN109901621A - 一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统及编队方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统，包括地面控制端，无线通讯交互模块和多个无人机；地面控制端包含航迹生成单元、指令控制单元及状态显示单元；每个无人机有自己唯一编号，且设有数据传输与解析单元、存储单元、飞行控制器单元、传感器测量及融合导航单元、时钟同步单元、定位单元和状态检测单元；数据传输与解析单元接受航迹生成单元上传的航迹信息，并解析后存储在存储单元中；传感器测量及融合导航单元处理传感器测量的原始状态数据，并结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息；时钟同步单元统一所有无人机的时间，所有无人机在统一时间下，通过飞行控制器单元根据预设的航迹飞行并显示该目标点的灯光颜色。

Description

一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统及编队方法

技术领域

本发明属于无人机编队技术领域，涉及一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统及编队方法。

背景技术

目前，无人机编队在消费级领域应用越来越广泛，最让人熟知的便是灯光秀表演，它特有的科技感、强可塑性和艺术性受到了众多晚会节目、发布会、活动现场、景区表演或婚礼现场的青睐。使用传统的编队算法，比如跟踪或分布式组网，对于这种批量的且密集的无人机编队来说数据量非常巨大，巨大的数据量处理和通信必须要用很多服务器来支持，成本也会相对增加；传统的通讯方式多采用无线通信传输各自的位置速度姿态信息供其它无人机决策，由于目前的无线通信难免存在带宽不足，数据包丢失和数据延迟等问题，而且各个无人机之间无法做到时间同步，这样单纯依赖于无线技术的多机编队方法容易导致编队变换混乱，甚至批量飞机相撞的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统及编队方法，解决了采用传统编队方式中存在的成本高难度大的问题，及采用多机独立编队飞行中队形变换混乱和碰撞的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统，包括地面控制端，无线通讯交互模块和多个无人机，地面控制端和无人机之间通过无线通讯交互模块连接进行数据交互；

地面控制端包括航迹生成单元和指令控制单元；

每个无人机均有自己唯一的区别于其它无人机的编号，且均设有数据传输与解析单元、存储单元、飞行控制器单元、时钟同步单元和定位单元；

航迹生成单元通过无线通讯交互模块与数据传输与解析单元通讯，指令控制单元通过无线通讯交互模块与飞行控制器单元通讯；数据传输与解析单元与存储单元连接，存储单元与飞行控制器单元连接；

航迹生成单元用于根据预期的编队飞行任务，设计变换方案图形，为所有无人机设计连续飞行航迹和航点信息，生成路径文件，并通过无线通讯交互模块上传至无人机；

指令控制单元用于给所有无人机发送控制指令；

数据传输与解析单元用于接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息，解析后将与自身无人机编号对应的数据存储在存储单元中；

飞行控制器单元用于通过实时读取存储单元中的航点数据与导航单元的位置速度信息，并接收指令控制单元发送的控制指令，使无人机能实时到达每个目标航点；

时钟同步单元用于将定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟进行实时同步。

进一步，地面控制端还包括状态显示单元，每个无人机还设有用于检测无人机的状态检测单元，状态显示单元通过无线通讯交互模块与状态检测单元通讯，状态显示单元用于显示状态检测单元检测的状态信息，以供地面站对编队做出决策。

进一步，状态信息包括电量信息和通讯状态，电量信息采用A/D转换器获得；

通讯状态的检测采用1HZ心跳包形式进行数据反馈，若无人机超过时间未收到地面控制端发送的心跳包则表示通讯不正常。

进一步，每个无人机还设有传感器测量单元和融合导航单元，传感器测量单元与融合导航单元连接；传感器测量单元用于测量无人机的原始状态数据；融合导航单元用于处理传感器测量单元测量的原始状态数据，并结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息。

进一步，传感器测量单元包括惯性测量单元、磁场测量单元和气压测量单元。

进一步，惯性测量单元采用MEMS陀螺仪和加速度计，磁场测量单元采用磁力计或电子罗盘，气压测量单元采用气压计。

进一步，航点信息包括航点序号、无人机编号、三维位置和灯光颜色。

进一步，定位单元采用RTK差分定位系统。

本发明还公开了上述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统的编队方法，包括以下步骤：

步骤一：利用航迹生成单元生成预设的连续飞行航迹和航点信息，并通过无线通讯交互模块上传至每架无人机；

步骤二：数据传输与解析单元接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息并存储在存储单元中；

步骤三：时钟同步单元利用定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟不断做时间同步，统一所有无人机的时间，指令控制单元向所有无人机发送控制指令，飞行控制器单元根据控制指令要求启动，所有无人机在统一时间下根据预设的航迹，通过飞行控制器单元飞行并显示目标点对应的灯光颜色。

进一步，地面控制端还包括状态显示单元，每个无人机还设有传感器测量单元、融合导航单元和用于检测无人机的状态检测单元；

状态检测单元实时检测无人机的状态信息，状态显示单元实时显示无人机的状态信息，传感器测量单元测量无人机的原始状态数据，融合导航单元处理传感器测量单元测量的原始状态数据，并结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息；飞行控制器单元根据飞行指令要求，利用航点信息和融合导航单元处理传感器测量单元数据结算的位置速度信息实现对无人机的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，包括地面控制端，无线通讯交互模块和多个无人机；地面控制端包含航迹生成单元和指令控制单元；每个无人机均有自己唯一的区别于其它无人机的编号，且均设有数据传输与解析单元、存储单元、飞行控制器单元、时钟同步单元和定位单元；利用航迹生成单元生成预设的连续飞行航迹和航点信息，并通过无线通讯交互模块上传至每架无人机，无人机的数据传输与解析单元接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息并存储在存储单元中，同时时钟同步单元利用定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟不断做时间同步，统一所有无人机的时间，指令控制单元向所有无人机发送任务启动指令，飞行控制器单元根据飞行指令要求，利用航点信息实现对无人机的控制，所有无人机在统一时间下通过飞行控制器单元根据预设的航迹飞行并显示该目标点的灯光颜色。由于采用数据同时上传，每架无人机只接收与自己编号对应的数据，各个无人机独立飞行，不存在大量数据交互，减少了大量数据运算，降低成本。

传统的通讯方式多采用无线通信传输各自的位置速度姿态信息供其它无人机决策，而本发明中的无人机均按照飞行前上传的航点信息进行自主飞行，不需要利用无线通信进行无人机之间的数据交互，避免了无线通信的丢数据，延迟大等问题。

各个无人机均利用相同的世界时间进行时间同步，这样，无人机根据航点信息与世界时间一一对应，每个确定的时间到达确定的位置，且已经通过航迹生成单元仿真验证，不会出现交叉点，保证了每架无人机的准确到达预设航点，避免编队变换混乱，甚至批量飞机相撞的情况。

进一步，地面控制端还包括状态显示单元，每个无人机还设有用于检测无人机的状态检测单元，状态显示单元能够实时显示无人机的当前飞行状态，供地面控制端作出决策。

进一步，航点信息包括航点序号、无人机编号、三维位置和灯光颜色，航点信息完整，通过航迹生成单元生成，保证了每架无人机的准确到达预设航点。

进一步，传感器测量单元包括惯性测量单元、磁场测量单元和气压测量单元，通过各单元测得无人机的原始状态数据，测量数据完整，为融合导航单元结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息提供保障。

本发明公开的编队方法，首先利用航迹生成单元生成预设的连续飞行航迹和航点信息，并通过无线通讯交互模块上传至每架无人机；无人机的数据传输与解析单元接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息并存储在存储单元中；时钟同步单元利用定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟不断做时间同步，统一所有无人机的时间指令控制单元向所有无人机发送任务启动指令，飞行控制器单元根据飞行指令要求，利用航点信息实现对无人机的控制，所有无人机在统一时间下通过飞行控制器单元根据预设的航迹飞行并显示该目标点的灯光颜色。编队方法逻辑清晰，数据传输处理效率高，各模块之间互相配合，最终保证地面控制端对天空端无人机的精确控制。

附图说明

图1为本发明的预设轨迹的批量无人机密集编队系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，包括地面控制端、无线通讯交互模块和多个无人机；地面控制端包含航迹生成单元和指令控制单元；每个无人机均有自己唯一的区别于其它无人机的编号，且均设有数据传输与解析单元、存储单元、飞行控制器单元、时钟同步单元和定位单元；地面控制端和无人机之间通过无线通讯交互模块连接进行数据交互。

航迹生成单元通过无线通讯交互模块与数据传输与解析单元通讯，指令控制单元通过无线通讯交互模块与飞行控制器单元通讯；数据传输与解析单元与存储单元连接，存储单元与飞行控制器单元连接。

航迹生成单元用于根据预期的编队飞行任务，设计变换方案图形，为所有无人机设计连续飞行航迹和航点信息，生成路径文件，并通过无线通讯交互模块上传至无人机，其中，航点信息包括航点序号、无人机编号、三维位置和灯光颜色。

指令控制单元用于给所有无人机发送控制指令包括起飞，降落，返航，队形变换，任务启动。

数据传输与解析单元用于接受控制单元上传的连续飞行航迹和航点信息，解析后将与自身无人机编号对应的数据存储在存储单元中。

飞行控制器单元用于通过实时读取存储单元中的航点数据与导航单元的位置速度信息，采用经典控制PID算法实现对无人机的精确控制，使无人机能实时到达每个目标航点。

定位单元采用RTK差分定位系统，以获得当前位置，精确度高。时钟同步单元用于将定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟进行实时同步，保证无人机编队的精确性。

更优地，每个无人机还设有传感器测量单元和融合导航单元，传感器测量单元与融合导航单元连接；传感器测量单元用于测量无人机的原始状态数据；融合导航单元用于处理传感器测量单元测量的原始状态数据，并采用扩展卡尔曼滤波算法结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息。传感器测量单元包括惯性测量单元、磁场测量单元和气压测量单元。惯性测量单元采用MEMS陀螺仪和加速度计，磁场测量单元采用磁力计或电子罗盘，气压测量单元采用气压计。

更优地，地面控制端还包括状态显示单元，每个无人机还设有用于检测无人机的状态检测单元，状态显示单元通过无线通讯交互模块与状态检测单元通讯，状态显示单元用于显示无人机通过无线通信交互模块下发给地面站的状态检测单元检测的状态信息，以供地面站对编队做出决策。

状态检测单元用于检测无人机电量信息、通讯状态和运行状态。

电量信息采用A/D转换器将电压模拟信号转为数字信号，与标定过的电池电压进行比较，低于标定最低电压则进行预警；通讯状态采用地面站用1HZ心跳包形式发送给无人机，无人机收到心跳包后进行数据反馈，如果超过时间未收到心跳包则表示通讯不正常；运行状态采用对无人机的各个单元运行时间进行检测，如果有超时则运行不正常。

存储单元采用可快速读取数据的闪存。

无线通讯交互模块采用4G/5G无线通信，利用自定义的串口数据包协议(包括帧头，帧命令，帧长度，数据包及和校验)进行传输。

根据曲线由密集直线组成，两点确定一条直线原理，无人机的航迹由无数密集点组成，从而实现形成平滑曲线的目的。根据位移等于速度与时间之积的关系，并利用世界时间对所有无人机做时间同步，保证所有无人机都能在规定时间内到达同时到达目标位置，实现批量密集编队。

基于上述预设轨迹的批量无人机密集编队系统的编队方法，包括以下步骤：

步骤一：利用航迹生成单元生成预设的连续飞行航迹和航点信息，并通过无线通讯交互模块上传至每架无人机；

步骤二：无人机的数据传输与解析单元接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息并存储在存储单元中；

步骤三：时钟同步单元利用定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟不断做时间同步，统一所有无人机的时间，指令控制单元向所有无人机发送控制指令，飞行控制器单元根据控制指令要求启动，所有无人机在统一时间下根据预设的航迹，通过飞行控制器单元飞行并显示目标点对应的灯光颜色。

飞行过程中，状态检测单元实时检测无人机的状态信息，状态显示单元实时显示无人机的状态信息，传感器测量单元测量无人机的原始状态数据，融合导航单元处理传感器测量单元测量的原始状态数据，并结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息；飞行控制器单元根据飞行指令要求，利用航点信息和融合导航单元处理传感器测量单元数据结算的位置速度信息实现对无人机的控制。

Claims (10)

1.一种预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，包括地面控制端，无线通讯交互模块和多个无人机，地面控制端和无人机之间通过无线通讯交互模块连接进行数据交互；

地面控制端包括航迹生成单元和指令控制单元；

每个无人机均有自己唯一的区别于其它无人机的编号，且均设有数据传输与解析单元、存储单元、飞行控制器单元、时钟同步单元和定位单元；

航迹生成单元通过无线通讯交互模块与数据传输与解析单元通讯，指令控制单元通过无线通讯交互模块与飞行控制器单元通讯；数据传输与解析单元与存储单元连接，存储单元与飞行控制器单元连接；

航迹生成单元用于根据预期的编队飞行任务，设计变换方案图形，为所有无人机设计连续飞行航迹和航点信息，生成路径文件，并通过无线通讯交互模块上传至无人机；

指令控制单元用于给所有无人机发送控制指令；

数据传输与解析单元用于接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息，解析后将与自身无人机编号对应的数据存储在存储单元中；

飞行控制器单元用于通过实时读取存储单元中的航点数据，并接收指令控制单元发送的控制指令，使无人机能实时到达每个目标航点；

时钟同步单元用于将定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟进行实时同步。

2.根据权利要求1所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，地面控制端还包括状态显示单元，每个无人机还设有用于检测无人机的状态检测单元，状态显示单元通过无线通讯交互模块与状态检测单元通讯，状态显示单元用于显示状态检测单元检测的状态信息，以供地面站对编队做出决策。

3.根据权利要求2所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，状态信息包括电量信息和通讯状态，电量信息采用A/D转换器获得；

通讯状态的检测采用1HZ心跳包形式进行数据反馈，若无人机超过时间未收到地面控制端发送的心跳包则表示通讯不正常。

4.根据权利要求1所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，每个无人机还设有传感器测量单元和融合导航单元，传感器测量单元与融合导航单元连接；传感器测量单元用于测量无人机的原始状态数据；融合导航单元用于处理传感器测量单元测量的原始状态数据，并结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息。

5.根据权利要求4所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，传感器测量单元包括惯性测量单元、磁场测量单元和气压测量单元。

6.根据权利要求5所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，惯性测量单元采用MEMS陀螺仪和加速度计，磁场测量单元采用磁力计或电子罗盘，气压测量单元采用气压计。

7.根据权利要求1所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，航点信息包括航点序号、无人机编号、三维位置和灯光颜色。

8.根据权利要求1所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统，其特征在于，定位单元采用RTK差分定位系统。

9.基于权利要求1～8任意一项所述的预设轨迹的批量无人机密集编队系统的编队方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用航迹生成单元生成预设的连续飞行航迹和航点信息，并通过无线通讯交互模块上传至每架无人机；

步骤二：数据传输与解析单元接受航迹生成单元上传的连续飞行航迹和航点信息并存储在存储单元中；

步骤三：时钟同步单元利用定位单元获得的世界时间与无人机自身时钟不断做时间同步，统一所有无人机的时间，指令控制单元向所有无人机发送控制指令，飞行控制器单元根据控制指令要求启动，所有无人机在统一时间下根据预设的航迹，通过飞行控制器单元飞行并显示目标点对应的灯光颜色。

10.根据权利要求9所述的编队方法，其特征在于，地面控制端还包括状态显示单元，每个无人机还设有传感器测量单元、融合导航单元和用于检测无人机的状态检测单元；

状态检测单元实时检测无人机的状态信息，状态显示单元实时显示无人机的状态信息，传感器测量单元测量无人机的原始状态数据，融合导航单元处理传感器测量单元测量的原始状态数据，并结算出无人机自身的三维空间位置速度和姿态信息；飞行控制器单元根据飞行指令要求，利用航点信息和融合导航单元处理传感器测量单元数据结算的位置速度信息实现对无人机的控制。