CN109917767A - 一种分布式无人机集群自主管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机集群自主管理系统及控制方法，该自主管理系统通过通用化的接口，分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和自身的集群通信链路等模块相连，并可根据需要外接高精度导航、图像处理、电气控制单元等模块；各无人机之间依靠信息交互进行任务决策和协调控制，实现集群任务分解、编队飞行、目标跟踪、自主避障等机间协同功能。与现有技术相比，搭载本发明的无人机可在简单的集群任务装订后，实现已有技术无法实现的全自主编队集结与保持、区域协同搜索、运动目标协同跟踪、快速俯冲抵近等集群飞行任务，使无人机集群获得良好的鲁棒性、灵活性和扩展性。

Description

一种分布式无人机集群自主管理系统及控制方法

技术领域

本发明涉及无人机管理领域，特别的，涉及一种采用分布式的无人机集群自主管理系统及控制方法。

背景技术

随着无人机自主化能力的不断提高，无人机在蜂群作战、应急救援、精细农业等军民领域的地位日益提升。单架无人机由于探测、载荷能力等因素限制，难以完成复杂的飞行任务。采用无人机集群方式，机间利用互通链路共享感知信息、任务信息和状态信息，通过相互感知、能力互补和行动协调，实现集群整体任务能力提升。

现有无人机集群飞行管理以集中式为主。在集中式无人机集群中，存在中心规划单元(主控无人机)，该单元可通过无线通信获取系统中所有无人机的位置、速度等飞行状态信息和任务环境状况，为集群中所有无人机规划出航迹或控制指令，实现预定集群飞行任务，同时避免无人机之间的冲突。集中式无人机集群管理系统对于管理无人机数目较少的集群比较有效，但随着无人机数目的增加，集群系统规模增大，集群管理问题将变得极其复杂，中心规划单元的计算资源难以满足无人机集群应用的实时性要求。同时，对无人机集群系统，很多情况下并不存在集中式规划节点，且无法保证全部无人机都能与规划节点可靠通信。

例如，现有技术中国专利申请CN108490975A，发明名称为“无人机集群的飞控方法、主控无人机及计算机存储介质”，在该专利申请中具有主控无人机，该主控无人机收到集群航点任务后，将该集群航点任务进行分层处理，形成层级任务，并将分层后的层级任务分配给集群内的其他主控无人机进行协同计算处理，其他主控无人机处理完成后将结果返回给该主控无人机进行综合计算处理，由该主控无人机最终形成各个单无人机航点任务。分层处理的目的是为了更快地进行计算，利用多个主控无人机对经分层后的复杂集群航点任务进行协同计算处理，从而提高计算效率，节省时间。

又例如，现有技术中国专利申请CN201810062953.9，发明名称为“一种无人机集群控制系统及方法”，该专利申请提供了一种无人机集群控制系统及方法，该方法包括：通过对所有无人机进行任务规划，并将任务规划内容发送给主机和从机，而在主机执行任务进行飞行时将自身的位置和速度信息发送给其他所有从机，对应地，从机根据任务规划跟随主机飞行。与其它现有技术相比，该申请能够实现同一时刻一个操控人员对多架无人机的控制，能够完成单一无人机所无法实现的编队表演、大范围搜索或测绘等任务。

但上述的现有技术均具有如下缺点：

1.均属于集中式无人机集群管理技术，需要无人机集群中存在高性能计算节点(主控无人机)，随着无人机数目的增加，集群系统规模增大，集群管理问题将变得极其复杂，中心规划单元的计算资源难以满足无人机集群应用的实时性要求。

2.若主控无人机损毁或无法保证全部无人机都能与主控无人机可靠通信，集群系统将无法正常工作，鲁棒性、灵活性差；

3.除主控无人机外的其他无人机均是遥控模式，缺乏自主性，无法处理区域搜索、目标跟踪等复杂飞行任务

因此，如何降低分解无人机集群规划问题，降低单节点计算压力，提升集群中无人机单元的自主管理能力，成为无人机集群管理亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种分布式无人机集群自主管理系统。该系统摒弃传统的地面测控站集中控制模式，采用分布式体系架构，无中心规划节点，可在已有无人机设备上安装。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种无人机集群自主管理系统，其特征在于：包括控制器、存储器和通用接口；其中所述控制器通过所述通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和数据链路进行连接，

具体而言，

其中所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态；通过所述通用接口从所述任务载荷获取所采集的信息；通过所述数据链路进行机间数据交换与其它无人机通信获取邻居无人机的飞行任务和飞行姿态；通过所述数据链路获取地面测控站的任务装订和/或应急处理指令；

从而使得所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，以获取无人机平台在每个决策周期内的飞行控制指令，并传输给无人机的所述导航与飞行控制系统，使得导航与飞控系统更新并执行所述无人机集群自主管理系统发来的飞行控制指令，控制无人机平台运动，完成编队飞行、目标搜索和/或跟踪。

可选的，所述任务载荷能够将所采集的信息，输入所述分布式无人机集群自主管理系统中，为飞行任务提供指导，同时所述采集的信息还通过数据链路发送至地面测控站，进行进一步的融合处理和统一呈现，所述无人机集群自主管理系统根据从任务载荷获取的目标位置、本机与目标的相对位置，从而进行自主决策获得任务载荷的控制指令，并通过通用接口发往所述任务载荷。

可选的，所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态能够包括以下参数中的多个：无人机的自检状态、飞行阶段、飞行状态、故障状态、系统时钟、GPS时钟、发动机转速、经度、纬度、高程、X/Y/Z轴速度、X/Y/Z轴加速度、横滚角、俯仰角、航向角、横滚角速度、俯仰角速度、航向角速度、空速和气压高；

所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，传输给所述导航与飞行控制系统的飞行控制指令，包括飞行控制操纵和飞行控制操纵方式设置。

可选的，所述无人机集群自主管理系统通过状态信息帧、任务协调帧和任务确认帧与其它无人机进行指令和数据的交互；

所述状态信息帧，用于传递无人机之间交互飞行阶段位置、速度、航向和飞机状态的协同决策必须的信息；

所述任务协调帧，用于搜索结束后多机协调任务执行前，向其它无人机通报决策结果，避免不完全信息条件下的决策可能带来的冲突；

所述任务确认帧，用于收到其他无人机发来的任务协调帧后，对任务协调的响应。

可选的，所述存储器包括RAM存储器、FLASH存储器和存储卡，其中RAM存储器用于数据的保存和部分非实时程序的运行，Flash存储器作为程序和固化数据存储器，存储卡作为机载数据记录仪；和/或，

所述通用接口包括串口、SCI、SPI、CAN；和/或，

所述无人机集群自主管理系统还通过所述通用接口与启动器相连。

本发明进一步公开了一种利用上述的无人机集群自主管理系统进行无人机控制的方法，包括如下步骤：

初始化步骤S110:对所述无人机平台和分布式无人机集群自主管理系统上电，完成相关设备初始化，接收地面测控站传来的统一的集群任务装订；

起飞步骤S120：收到起飞指令后，向启动器发送指令，各无人机序贯起飞，加速爬升，各无人机满足起飞阶段结束条件，起飞阶段结束；

飞行监控步骤S130:对无人机的飞行状态进行全过程监测：包括飞行速度、飞行姿态、电池电量、发动机转速、载荷状态、机载传感器状态和与其他无人机之间的飞行距离，当发生特情时，即时向地面测控站报警，同时根据特情严重程度中断飞行任务，进入特情处理阶段；

飞行任务执行步骤S140：未发生特情时，执行当前集群飞行任务；

回收步骤S150：集群飞行任务执行结束，且下一飞行任务为回收，进入回收阶段，各无人机自主决定回收顺序，序贯在回收点上空盘旋降高、盘旋减速、触地回收。

可选的，在初始化步骤S110中，所述分布式无人机集群自主管理系统还对任务合法性进行判定，若任务合法，自主决策对任务进行初始分配，等待起飞指令；和/或，

所述集群任务装订包括起飞任务、编队飞行任务、区域搜索任务、目标跟踪任务、快速递进任务、回收点设置、回收点选择和特情处理功能开关，在任务装订中的任务参数任务类型、经度、纬度、海拔高度、相对高度和飞行速度。

可选的，在飞行监控步骤S130中，

所述特情处理方式包括以下中的一种或多种：

(1)飞行速度过高/过低：采取强制减速、加速手段，使飞机回到安全运行速度，同时向地面测控站报警，并继续执行既定飞行任务；

(2)飞行姿态失稳：当无人机横滚、俯仰姿态波动过大，无法继续飞行时，无人机副翼和方向舵归零、升降舵打满，将无人机强行拉至失速，此后升降舵放平，自由落地回收；

(3)电池电量过低：机载电池电量剩余低电量预警水平以下，向地面测控站发出低电警告，继续执行飞行任务；电量剩余低电量回收水平以下，无人机提前进入回收阶段飞抵目标点，降高、减速触地回收；电量剩余极低电量回收水平以下，无人机降高、减速，就地回收；

(4)发动机转速过低或停车：向地面测控站发出警告，无人机降高、减速，就地回收；

(5)载荷故障：载荷故障无法继续提供目标信息时，该无人机提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(6)机载传感器故障：当发生GPS长时间失锁以及其他传感器故障不能继续执行飞行任务时，该无人机提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(7)通信故障：当长时间失去与其它无人机的通信链接，向地面测控站报警，飞行高度降低，提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(8)存在碰撞风险：当无人机与其他邻居之间的飞行距离过近，存在碰撞风险时，机动能力较强或剩余电量较多的无人机降高，并调整与邻居无人机的水平距离，当风险解除后，降高的无人机爬升至安全飞行高度。

可选的，在飞行任务执行步骤S140中，

当前集群任务为编队飞行时，进入编队飞行与保持控制，各无人机以有效通信无人机的位置、速度和航向为参考，逐步形成飞行编队，并保持编队，如满足任务切出条件，切换至下一集群任务；

当前集群任务为目标区域搜索时，无人机集群保持“一”字型编队在目标区域进行搜索；当某无人机发现目标后，编队中若干无人机将自主地由搜索阶段切换至跟踪阶段，其余无人机则继续执行对目标区域的搜索任务；对目标区域形成完整覆盖后，还处在搜索子阶段的无人机切换至跟踪阶段，自主选择目标加入跟踪序列；如对区域中多个目标执行跟踪任务的无人机数目不同，则选择跟踪无人机数目较少、且距跟踪无人机较近的目标进行跟踪；若其他处于“跟踪”阶段的无人机已平均分配给每个目标，则选择距离最近的目标进行跟踪；

无人机进入目标跟踪任务后，若目标速度较小，则对目标进行盘旋跟踪；若目标速度大较大，则转为对目标的平飞跟踪；若有敏感目标需抵近侦察，处于跟踪阶段的若干无人机进入快速抵近任务；

无人机进入快速抵近任务后，瞄准目标快速俯冲下滑，并在执行高度掠过目标上空后爬升；如满足任务切出条件，切换至下一集群任务。

本发明还公开了一种无人机，所述无人机包括无人机平台、导航与飞行控制系统、任务载荷和上述的无人机集群自主管理系统；

其中所述无人机集群自主管理系统通过通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷进行连接，

所述无人机集群自主管理系统执行上述的无人机控制方法。

本发明通过通用化的接口，分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和自身的集群通信链路等模块相连，并可根据需要外接高精度导航、图像处理、电气控制单元等模块；各无人机之间依靠信息交互进行任务决策和协调控制，实现集群任务分解、编队飞行、目标跟踪、自主避障等机间协同功能。

与现有技术相比，搭载本发明的无人机可在简单的集群任务装订后，实现已有技术无法实现的全自主编队集结与保持、区域协同搜索、运动目标协同跟踪、快速俯冲抵近等集群飞行任务，使无人机集群获得良好的鲁棒性、灵活性和扩展性。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的分布式无人机集群自主管理系统的硬件构架图；

图2是根据本发明具体实施例的分布式无人机集群自主管理系统的数据信息交互图；

图3是根据本发明具体实施例的搭载分布式无人机集群自主管理系统的无人机控制方法的流程图；

图4是根据本发明具体实施例的搭载分布式无人机集群自主管理系统的无人机控制方法的另一个具体流程示例。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、控制器；2、存储器；21、RAM存储器；22、FLASH存储器；23、存储卡；3、通用接口；4、导航与飞行控制系统；5、任务载荷；6、数据链路；7、电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明面向无人机集群，所述无人机集群组成包括：

(1)若干无人机

无人机系统主要由飞行器平台、导航与飞行控制系统、任务载荷和选配设备组成；各无人机之间无主从之分，在集群系统中处于平等地位；每架无人机上均搭载本发明所提供的无人机集群自主管理系统和支持机间数据交互的通信系统；

(2)集群地面测控站

因全部集群规划均在本发明所提供的无人机集群自主管理系统上完成，集群地面测控站主要在集群任务执行前对编队飞行、区域位置、回收点等任务参数进行装订，实时监控集群飞行状态进行，并对回传的载荷信息进行实时处理，并在必要条件下对集群或单机进行干预控制。

本发明在于：在普通的无人机上加载无人机集群自主管理系统，该无人机集群自主管理系统以控制器为核心，配置存储器和外接电源，通过通用接口与无人机上的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷进行连接，通过自身的数据链路与地面基站和其它无人机进行通信，获取当前无人机的导航信息和飞行状态，邻居无人机的飞行状态，根据地面测控站的任务装订、应急处理等各种指令，以及从任务载荷获取的目标位置的环境资料，自主决策以获得无人机平台在每个决策周期内的指令，通过导航与飞行控制系统控制无人机平台运动，从而完成编队飞行、目标搜索、跟踪等任务。

具体的，参见图1、图2，分别示出了根据本发明具体实施例的分布式无人机集群自主管理系统的硬件框架图和数据信息交互图。

该无人机集群自主管理系统包括控制器1、存储器2和通用接口3，

其中所述控制器通过所述通用接口3分别与无人机的导航与飞行控制系统4、无人机的任务载荷5、和数据链路6进行连接，

具体而言，

其中所述控制器通过所述通用接口3从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态；

通过所述通用接口3从所述任务载荷5获取所采集的信息，例如目标位置、图像等；

通过所述数据链路进行机间数据交换与其它无人机通信获取邻居无人机的飞行任务和飞行姿态；

通过所述数据链路获取地面测控站的任务装订和/或应急处理指令；

从而使得所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，以获取无人机平台在每个决策周期内的飞行控制指令，并传输给无人机的所述导航与飞行控制系统，使得导航与飞控系统更新并执行所述无人机集群自主管理系统发来的飞行控制指令，控制无人机平台运动，完成编队飞行、目标搜索和/或跟踪等各种任务。

所述通用接口包括串口、SCI、SPI、CAN等各种通用的数据接口。

在图2的示例中，示出了与无人机的导航与飞行控制系统4、无人机的任务载荷5、和数据链路6连接的通用接口的具体类型。

在图2中，本发明所述分布式无人机集群自主管理系统通过串口与导航与飞行控制计算机相连，通过串口与数据链路相连，通过串口/SCI/SPI/CAN/GPIO等接口与任务载荷、启动器等其他无人机载设备相连。本发明所述启动器包括但不限于弹射架、固体/液体助推器、手抛、滑跑。上述仅为示例，只要能够实现相应的数据传输的接口均在本发明的保护范围内。

所述分布式无人机集群自主管理系统还具有电源及晶振电路，通过直流电源7进行供电。

在一个具体的实施例中，所述存储器包括RAM存储器21、FLASH存储器22和存储卡23，其中外扩的RAM存储器21用于数据的保存和部分非实时程序的运行，外扩的Flash存储器22作为程序和固化数据存储器，外扩的存储卡23作为机载数据记录仪。

进一步的，无人机的任务载荷能够将所采集的信息，如目标位置、图像等，输入所述分布式无人机集群自主管理系统中，为飞行任务提供指导，同时所述采集的信息还通过数据链路发送至地面测控站，进行进一步的融合处理和统一呈现，所述无人机集群自主管理系统根据从任务载荷获取的目标位置、本机与目标的相对位置，从而进行自主决策获得任务载荷的控制指令，并通过通用接口发往所述任务载荷。

进一步的，在一个可选的实施例中，其中，所述控制器通过所述通用接口3从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态能够包括以下参数中的多个：无人机的自检状态、飞行阶段、飞行状态、故障状态、系统时钟、GPS时钟、发动机转速、经度、纬度、高程、X/Y/Z轴速度、X/Y/Z轴加速度、横滚角、俯仰角、航向角、横滚角速度、俯仰角速度、航向角速度、空速和气压高。

上述参数的具体定义如表1所示。

表1无人机导航信息与飞行状态

在一个可选的实施例中，所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，传输给所述导航与飞行控制系统的飞行控制指令，包括飞行控制操纵和飞行控制操纵方式设置。

具体的，可以如表2所示。

表2无人机集群自主管理系统输入导航与飞行控制系统指令

所述无人机集群自主管理系统通过数据链与其他无人机之间、与地面测控站之间进行指令和数据的交互。

在一个可选的实施例中，所述无人机集群自主管理系统通过状态信息帧、任务协调帧和任务确认帧与其它无人机进行指令和数据的交互。

所述状态信息帧，用于传递无人机之间交互飞行阶段位置、速度、航向和飞机状态的协同决策必须的信息。可选的，所述状态信息帧能够周期性发送。

所述任务协调帧，用于搜索结束后多机协调任务执行前，例如跟踪目标选择、回收阶段中着陆顺序的排列等，向其它无人机通报决策结果，避免不完全信息条件下的决策可能带来的冲突。可选的，所述任务协调帧为非周期性发送。

所述任务确认帧，用于收到其他无人机发来的任务协调帧后，对任务协调的响应，如对回收阶段的着陆次序没有异议。可选的，所述任务确认帧为非周期性发送。

在表3-表5中，示例性的示出了状态信息帧、任务协调帧和任务确认帧的格式，但该格式仅仅为本发明的一种实施例，其他帧格式，例如增添、减少数据、调换字节顺序，更改校验方式等，均在本发明的保护范围内。

表3状态信息帧格式

表4任务协调帧格式

表5任务确认帧格式

参见图3，本发明进一步公开了利用本发明的无人机集群自主管理系统进行无人机控制的方法，包括如下步骤：

初始化步骤S110:对所述无人机平台和分布式无人机集群自主管理系统上电，完成相关设备初始化，接收地面测控站传来的统一的集群任务装订。

每架无人机接收到的集群任务装订完全相同。所述集群任务装订包括但不限于起飞任务、编队飞行任务、区域搜索任务、目标跟踪任务、快速递进任务、回收点设置、回收点选择和特情处理功能开关，在任务装订中的任务参数包括但不限于任务类型、经度、纬度、海拔高度、相对高度和飞行速度。

进一步的，在所述初始化步骤中，所述分布式无人机集群自主管理系统还对任务合法性进行判定，若任务合法，自主决策对任务进行初始分配，等待起飞指令。

起飞步骤S120：收到起飞指令后，向启动器发送指令，各无人机序贯起飞，加速爬升，各无人机满足起飞阶段结束条件，起飞阶段结束。

飞行监控步骤S130:对无人机的飞行状态进行全过程监测：包括飞行速度、飞行姿态、电池电量、发动机转速、载荷状态、机载传感器状态和与其他无人机之间的飞行距离，当发生特情时，即时向地面测控站报警，同时根据特情严重程度中断飞行任务，进入特情处理阶段。

所述特情处理方式包括但不限于以下中的一种或多种：

(1)飞行速度过高/过低：采取强制减速、加速手段，使飞机回到安全运行速度，同时向地面测控站报警，并继续执行既定飞行任务；

(2)飞行姿态失稳：当无人机横滚、俯仰姿态波动过大，无法继续飞行时，无人机副翼和方向舵归零、升降舵打满，将无人机强行拉至失速，此后升降舵放平，自由落地回收；

(3)电池电量过低：机载电池电量剩余低电量预警水平以下，向地面测控站发出低电警告，继续执行飞行任务；电量剩余低电量回收水平以下，无人机提前进入回收阶段飞抵目标点，降高、减速触地回收；电量剩余极低电量回收水平以下，无人机降高、减速，就地回收；

(4)发动机转速过低或停车：向地面测控站发出警告，无人机降高、减速，就地回收；

(5)载荷故障：载荷故障无法继续提供目标信息时，该无人机提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(6)机载传感器故障：当发生GPS长时间失锁以及其他传感器故障不能继续执行飞行任务时，该无人机提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(7)通信故障：当长时间失去与其它无人机的通信链接，向地面测控站报警，飞行高度降低，提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(8)存在碰撞风险：当无人机与其他邻居之间的飞行距离过近，存在碰撞风险时，机动能力较强或剩余电量较多的无人机降高，并调整与邻居无人机的水平距离，当风险解除后，降高的无人机爬升至安全飞行高度。

飞行任务执行步骤S140：未发生特情时，执行当前集群飞行任务；

当前集群任务为编队飞行时，进入编队飞行与保持控制，各无人机以有效通信无人机的位置、速度和航向为参考，逐步形成飞行编队，并保持编队，如满足任务切出条件，切换至下一集群任务；

当前集群任务为目标区域搜索时，无人机集群保持“一”字型编队在目标区域进行搜索；当某无人机发现目标后，编队中若干无人机将自主地由搜索阶段切换至跟踪阶段，其余无人机则继续执行对目标区域的搜索任务；对目标区域形成完整覆盖后，还处在搜索子阶段的无人机切换至跟踪阶段，自主选择目标加入跟踪序列；如对区域中多个目标执行跟踪任务的无人机数目不同，则选择跟踪无人机数目较少、且距跟踪无人机较近的目标进行跟踪；若其他处于“跟踪”阶段的无人机已平均分配给每个目标，则选择距离最近的目标进行跟踪；

无人机进入目标跟踪任务后，若目标速度较小，则对目标进行盘旋跟踪；若目标速度大较大，则转为对目标的平飞跟踪；若有敏感目标需抵近侦察，处于跟踪阶段的若干无人机进入快速抵近任务；

无人机进入快速抵近任务后，瞄准目标快速俯冲下滑，并在执行高度掠过目标上空后爬升；如满足任务切出条件，切换至下一集群任务。

回收步骤S150：集群飞行任务执行结束，且下一飞行任务为回收，进入回收阶段，各无人机自主决定回收顺序，序贯在回收点上空盘旋降高、盘旋减速、触地回收。

参见图4，在一个具体实施例的搭载分布式无人机集群自主管理系统的无人机控制方法的具体流程示例。

本发明进一步公开了一种无人机，所述无人机包括无人机平台、导航与飞行控制系统、任务载荷和上述的无人机集群自主管理系统，其中所述无人机集群自主管理系统通过通用接口3分别与无人机的导航与飞行控制系统4、无人机的任务载荷5进行连接，所述无人机集群自主管理系统执行上述的控制方法。

本发明进一步公开了一种无人机集群，所述无人机集群包括上述的加载了无人机集群自主管理系统的多个无人机。

本发明具有如下优点：

(1)本发明所述分布式无人机集群自主管理系统及控制方法采用完全分布式工作模式，随着无人机数目的增加，集群管理问题复杂性不会有较大提升，从而降低对无人机载计算能力的要求，具有普适性，可在具有不同计算能力的计算平台上进行实现，特别适用于性能受限的嵌入式设备，也可应用于机载计算机、工控机。

(2)因为本发明所述分布式无人机集群自主管理系统及方法完全分布工作，集群中任何一架无人机或地面测控站损毁，其他无人机任务执行能力均不受影响；

(3)集群中每架无人机的飞行管理和控制均在本发明所述分布式无人机集群自主管理系统上自主、在线执行，具有较高的自动化程度和较好的安全性，能够为定制的集群飞行任务提供一键式解决方案；

(4)已有方法大多需要在起飞前对集群中每架无人机分别设计、装订任务或航迹点，工作量大，对环境和任务的适应能力差；而本发明所述分布式无人机集群自主管理系统及方法的集群任务装订仅需为所有无人机装订完全相同的任务即可，如何顺利完成该集群任务则由分布式无人机集群自主管理系统实时、在线规划，减少了预规划的工作，灵活性高，对环境和任务的适应能力强。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机集群自主管理系统，其特征在于：

包括控制器、存储器和通用接口，

其中所述控制器通过所述通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和数据链路进行连接，

具体而言，

其中所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态；

通过所述通用接口从所述任务载荷获取所采集的信息；

通过所述数据链路进行机间数据交换与其它无人机通信获取邻居无人机的飞行任务和飞行姿态；

通过所述数据链路获取地面测控站的任务装订和/或应急处理指令；

从而使得所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，以获取无人机平台在每个决策周期内的飞行控制指令，并传输给无人机的所述导航与飞行控制系统，使得导航与飞控系统更新并执行所述无人机集群自主管理系统发来的飞行控制指令，控制无人机平台运动，完成编队飞行、目标搜索和/或跟踪。

2.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：

所述任务载荷能够将所采集的信息，输入所述分布式无人机集群自主管理系统中，为飞行任务提供指导，同时所述采集的信息还通过数据链路发送至地面测控站，进行进一步的融合处理和统一呈现，所述无人机集群自主管理系统根据从任务载荷获取的目标位置、本机与目标的相对位置，从而进行自主决策获得任务载荷的控制指令，并通过通用接口发往所述任务载荷。

3.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：

所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态能够包括以下参数中的多个：无人机的自检状态、飞行阶段、飞行状态、故障状态、系统时钟、GPS时钟、发动机转速、经度、纬度、高程、X/Y/Z轴速度、X/Y/Z轴加速度、横滚角、俯仰角、航向角、横滚角速度、俯仰角速度、航向角速度、空速和气压高；

所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，传输给所述导航与飞行控制系统的飞行控制指令，包括飞行控制操纵和飞行控制操纵方式设置。

4.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：

所述无人机集群自主管理系统通过状态信息帧、任务协调帧和任务确认帧与其它无人机进行指令和数据的交互；

所述状态信息帧，用于传递无人机之间交互飞行阶段位置、速度、航向和飞机状态的协同决策必须的信息；

所述任务协调帧，用于搜索结束后多机协调任务执行前，向其它无人机通报决策结果，避免不完全信息条件下的决策可能带来的冲突；

所述任务确认帧，用于收到其他无人机发来的任务协调帧后，对任务协调的响应。

5.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：

所述存储器包括RAM存储器、FLASH存储器和存储卡，其中RAM存储器用于数据的保存和部分非实时程序的运行，Flash存储器作为程序和固化数据存储器，存储卡作为机载数据记录仪；和/或，

所述通用接口包括串口、SCI、SPI、CAN；和/或，

所述无人机集群自主管理系统还通过所述通用接口与启动器相连。

6.一种利用权利要求1-5中任意一项所述的无人机集群自主管理系统进行无人机控制的方法，包括如下步骤：

初始化步骤S110:对所述无人机平台和分布式无人机集群自主管理系统上电，完成相关设备初始化，接收地面测控站传来的统一的集群任务装订；

起飞步骤S120：收到起飞指令后，向启动器发送指令，各无人机序贯起飞，加速爬升，各无人机满足起飞阶段结束条件，起飞阶段结束；

飞行监控步骤S130:对无人机的飞行状态进行全过程监测：包括飞行速度、飞行姿态、电池电量、发动机转速、载荷状态、机载传感器状态和与其他无人机之间的飞行距离，当发生特情时，即时向地面测控站报警，同时根据特情严重程度中断飞行任务，进入特情处理阶段；

飞行任务执行步骤S140：未发生特情时，执行当前集群飞行任务；

回收步骤S150：集群飞行任务执行结束，且下一飞行任务为回收，进入回收阶段，各无人机自主决定回收顺序，序贯在回收点上空盘旋降高、盘旋减速、触地回收。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

在初始化步骤S110中，所述分布式无人机集群自主管理系统还对任务合法性进行判定，若任务合法，自主决策对任务进行初始分配，等待起飞指令；和/或，

所述集群任务装订包括起飞任务、编队飞行任务、区域搜索任务、目标跟踪任务、快速递进任务、回收点设置、回收点选择和特情处理功能开关，在任务装订中的任务参数任务类型、经度、纬度、海拔高度、相对高度和飞行速度。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

在飞行监控步骤S130中，

所述特情处理方式包括以下中的一种或多种：

(1)飞行速度过高/过低：采取强制减速、加速手段，使飞机回到安全运行速度，同时向地面测控站报警，并继续执行既定飞行任务；

(2)飞行姿态失稳：当无人机横滚、俯仰姿态波动过大，无法继续飞行时，无人机副翼和方向舵归零、升降舵打满，将无人机强行拉至失速，此后升降舵放平，自由落地回收；

(3)电池电量过低：机载电池电量剩余低电量预警水平以下，向地面测控站发出低电警告，继续执行飞行任务；电量剩余低电量回收水平以下，无人机提前进入回收阶段飞抵目标点，降高、减速触地回收；电量剩余极低电量回收水平以下，无人机降高、减速，就地回收；

(4)发动机转速过低或停车：向地面测控站发出警告，无人机降高、减速，就地回收；

(5)载荷故障：载荷故障无法继续提供目标信息时，该无人机提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(6)机载传感器故障：当发生GPS长时间失锁以及其他传感器故障不能继续执行飞行任务时，该无人机提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(7)通信故障：当长时间失去与其它无人机的通信链接，向地面测控站报警，飞行高度降低，提前进入回收阶段，飞抵目标点，降高、减速触地回收；

(8)存在碰撞风险：当无人机与其他邻居之间的飞行距离过近，存在碰撞风险时，机动能力较强或剩余电量较多的无人机降高，并调整与邻居无人机的水平距离，当风险解除后，降高的无人机爬升至安全飞行高度。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

在飞行任务执行步骤S140中，

当前集群任务为编队飞行时，进入编队飞行与保持控制，各无人机以有效通信无人机的位置、速度和航向为参考，逐步形成飞行编队，并保持编队，如满足任务切出条件，切换至下一集群任务；

当前集群任务为目标区域搜索时，无人机集群保持“一”字型编队在目标区域进行搜索；当某无人机发现目标后，编队中若干无人机将自主地由搜索阶段切换至跟踪阶段，其余无人机则继续执行对目标区域的搜索任务；对目标区域形成完整覆盖后，还处在搜索子阶段的无人机切换至跟踪阶段，自主选择目标加入跟踪序列；如对区域中多个目标执行跟踪任务的无人机数目不同，则选择跟踪无人机数目较少、且距跟踪无人机较近的目标进行跟踪；若其他处于“跟踪”阶段的无人机已平均分配给每个目标，则选择距离最近的目标进行跟踪；

无人机进入目标跟踪任务后，若目标速度较小，则对目标进行盘旋跟踪；若目标速度大较大，则转为对目标的平飞跟踪；若有敏感目标需抵近侦察，处于跟踪阶段的若干无人机进入快速抵近任务；

无人机进入快速抵近任务后，瞄准目标快速俯冲下滑，并在执行高度掠过目标上空后爬升；如满足任务切出条件，切换至下一集群任务。

10.一种无人机，其特征在于：

所述无人机包括无人机平台、导航与飞行控制系统、任务载荷和权利要求1-5中任意一项所述的无人机集群自主管理系统；

其中所述无人机集群自主管理系统通过通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷进行连接，

所述无人机集群自主管理系统执行权利要求6-9中任意一项所述的无人机控制方法。