CN110231814A - 一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法，该控制系统包括：底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。该方法为基于上述控制系统的控制方法。本发明具有原理简单、适用范围广、规模可扩展性好、能够支持任务多样性等优点。

Description

一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法

技术领域

本发明主要涉及到无人机领域，特指一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法。

背景技术

无人机集群通常是由大规模相对简单的无人机组成的、通过无人机个体之间的局部协作实现全局协同行为的群体系统。近年来，无人机集群以其独有优势在全球范围内受到了空前重视，在军事和民用领域具有巨大的应用与经济价值。国内外针对无人机集群领域做了大量探索性工作，例如编队飞行、任务规划、目标跟踪等，但是很少有针对无人机集群体系架构研究的报道。然而，采用何种方式将无人平台、载荷、功能模块等要素组织起来，从而发挥集群更大的效能，是构建集群系统要解决的关键问题。

现有研究大多采用集中式架构的方式，即存在一个中心节点在收集其他节点的状态信息后进行集中决策，并将决策结果发送到各节点进行执行。例如，Grabe等提出一种异构无人机集群的端到端控制框架Telekyb，该方案将高层任务（例如任务规划等）集中运行在地面端，并将规划结果通过无线网络发送到各节点中执行，该类型的方法，信息交互多，具有单点失效的威胁，可扩展性有限，不适合大规模集群。现有研究也有采用分布式架构的方式，即不存在中心节点，各节点与邻居进行交互，并根据局部邻居信息进行决策。例如，Sanchez-Lopez等针对多无人机系统提出了一种混合反应/慎思式的开源体系架构AeroStack，包含了反应、执行、慎思、反思和社会等五层。然而，它为非实时架构，无法应用于时敏性强的底层控制（例如姿态控制、执行器控制等），可能无法满足无人机高速运动的实时性要求。Boskovic等提出无人机群的六层分层结构CoMPACT，有效结合了任务规划、动态重分配、反应式运动规划和突发式生物启发群体行为等。然而，CoMPACT将任务执行分为任务、功能、团队、班排、无人机等级别，每级别都需设计与它机协同的管理者，可能显著增加了任务管理的负担。

特别需要指出的是，前述工作均主要针对小规模四旋翼无人机集群，并没有针对固定翼无人机设计。相比之下，Chung等提出了一个群体系统并演示了多达50个固定翼无人机的实时飞行实验。然而，该工作更多地集中在无人机集群的系统实现设计，包括自主发射、起降和飞行等，不支持集体行为和任务协调等。因此，目前集群架构设计主要针对旋翼集群，还欠缺适宜于执行多样化任务的大规模固定翼无人机集群的体系架构。

综上所述，现有技术中的所有方法均存在一些不足，限制了其在无人机集群系统效能的有效发挥：

（1）规模可扩展性不足。现有公开的体系架构大多采用集中式架构，并只在小规模系统（通常2到5）进行验证。随着规模增加，不论在理论还是系统实现上，集群系统的构建难度将会指数上升，体系结构设计也更有挑战。虽然目前存在百架规模的固定翼无人机集群飞行演示，但是现有研究主要为基于预先规划航线的无人机集群飞行，并未针对集群系统的体系架构提出设计方法。

（2）任务多样性不足。现有体系架构方案通常只关注单一任务，尚缺乏可以支持多种任务灵活扩展的无人机集群体系架构。然而，支持多样化任务是集群系统高度自主化的重要需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、适用范围广、规模可扩展性好、能够支持任务多样性的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其包括：

底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；

高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；

通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；

人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。

作为本发明的进一步改进：所述底层行为控制层接受高层协同控制层的制导控制指令，所述底层行为控制层中的姿态控制模块将结合制导控制指令的要求对生成姿态控制信号，并由控制分配模块根据无人机平台类型生成作动器的控制信号。

作为本发明的进一步改进：所述高层协同控制层包括：

高维感知处理模块，运用高维感知载荷对环境进行高维感知，并对感知图像进行分析处理；

任务管理与分配模块，用来负责任务分解、任务分配、任务调度和进度监视业务；

任务规划模块，用来负责根据子任务要求，生成规划序列；

制导控制模块，用来负责根据规划序列要求，生成制导控制指令。

作为本发明的进一步改进：所述通信层包括三条通信链路：

a.控制链路，用于传输时延性要求高带宽需求低的业务；

b.数据链路，用于传输感知图像带宽要求高时延需求相对较低的业务；

c.遥控链路，用于操作手对无人机进行远程遥控，在出现意外情况下进行应急保护。

作为本发明的进一步改进：所述人机交互层为指挥控制站。

本发明进一步提供一种基于上述控制系统的控制方法，其流程包括：

指挥控制站发送指控命令及数据给指定无人机，接收无人机回传的任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息；

机载管理模块发送任务请求给任务管理与分配模块，发送感知载荷控制请求给高维感知处理模块，发送任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息给指挥控制站，接收指挥控制站发送的指控命令，接收其他无人机发送的任务状态信息和飞行状态信息，接收任务管理模块发送的任务状态信息，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块发送的飞行状态信息；

任务管理与分配模块发送子任务请求给任务规划模块，发送任务状态信息给机载管理模块，接收机载管理模块的任务请求，接收任务规划模块的任务状态信息；

高维感知处理模块发送感知图像信息给机载管理模块、任务规划模块和制导控制模块，接收机载管理模块发送的载荷控制指令，接收底层控制模块发送的飞行状态信息；

任务规划模块发送规划序列给制导控制模块，发送任务状态信息到任务管理与分配模块，接收任务管理与分配模块的子任务请求，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块的飞行状态信息，接收制导控制模块的制导状态信息；

制导控制模块发送制导控制信息给底层控制模块，发送制导状态信息给任务规划模块，接收任务规划模块发送的规划序列，接收底层控制模块飞行状态信息，接收高维感知处理模块的感知图像信息；

底层控制模块发送控制信号给无人机平台，发送飞行状态信息给制导控制模块，发送飞行状态信息给任务规划模块，发送飞行状态信息给高维感知处理模块，发送飞行状态信息给机载管理模块，接收制导控制模块发送制导序列，接收机载传感器发送的传感器信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用软件模块化的思想，将集群系统分为人机交互层、通信层、高层控制层和底层行为层四个层次，以及视觉感知、任务协调、任务规划、制导控制、飞行控制、通信管理等多个模块化组件。各模块组件可视为定义了输入输出接口的黑盒，模块之间通过输入输出接口进行交互，软件开发人员可以专注于所负责组件的开发工作而不需要了解其他组件的实现细节，有利于降低大系统构建的复杂度。同时，本发明基于工厂设计模式，设计统一的工厂类接口，并基于工厂类接口为不同的任务分别构建不同的实现类，便于新任务的灵活扩展。

2、本发明采用分布式架构，各节点接受局部邻居信息，并自主进行“感知-判断-决策-行为”全流程决策控制，不依赖中心节点进行协调。同时，基于mavlink协议建立了标准化的机间通信协议，并针对不同时敏要求建立两种不同类型的通信链路，从而有效提高了集群系统的规模可扩展性。

附图说明

图1是本发明主要面向的无人机集群系统示意图。

图2是本发明的控制系统在具体应用实例中的示意图。

图3是本发明的控制方法在具体应用实例中的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

无人机集群系统是由大量无人机组成，通过相互通信与协作，共同执行任务的群体系统。本发明主要面向的无人机集群系统如图1所示，主要包括无人机平台、机载航电系统、指挥控制站，通信链路等部分。其中，无人机平台为无人机飞行器的机身，机载航电系统为无人机的大脑。机载航电系统主要包括计算/存储单元、传感器、控制系统、任务载荷、通信载荷等组件。通过挂载机载航电系统，无人机可具备一定自主能力，可实现环境感知、任务规划、飞行控制等功能。指挥控制站对无人机集群系统进行状态监视和指挥控制。通信链路是无人机之间以及无人机与指挥控制站之间的信息交互的通路。为了使得具备一定自主能力的大量无人机更好地进行协作，完成编队飞行、分布式侦察、目标协同跟踪等复杂任务，需要设计集群体系架构将无人机集群系统中的各部分进行高效地组织与集成。对此，本发明提出一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法。

本发明固定翼无人机集群的分层分布式控制系统的体系架构如图2所示，其包括底层行为控制层、高层协同控制层、通信层和人机交互层，底层行为控制层及高层协同控制层共同完成无人机集群的自主协同控制功能。其中：

（1）底层行为控制层；

底层行为控制层主要用来负责姿态控制、信息融合、控制分配等飞行控制业务，在第三方自驾系统的基础上进行功能扩展与实现。这类业务实时性要求较高，计算量需求不大，本发明将其部署于实时操作系统之上，能够保证系统中断及线程切换时延。

底层行为控制层接受高层协同控制层的制导控制指令，控制指令内容为：<俯仰速率、滚转速率、偏航速率、油门>。接受到制导控制指令后，底层行为控制层中的姿态控制模块将结合制导控制指令的要求对生成姿态控制信号，并由控制分配模块根据无人机平台类型生成作动器的控制信号。当底层行为控制层检测到异常情况时，例如在飞行过程中制导控制指令中断，应急响应模块将对异常情况进行处理，导引无人机返航。

（2）高层协同控制层；

高层协同控制层主要负责高维感知与处理、任务管理与分配、任务规划、制导控制等协同控制业务。这类业务对计算及存储的性能需求大，实时性要求相对飞行控制业务较低，本发明将其部署于高性能处理板上，能够保证无人机的计算及存储能力。高层协同控制层包括高维感知处理模块、任务管理与分配模块、任务规划模块和制导控制模块，其中：

高维感知处理模块运用高维感知载荷，例如光电、SAR雷达、红外灯，对环境进行高维感知，并对感知图像进行分析处理。主要包括目标识别、目标定位、障碍检测、感知载荷管理业务。其中，目标识别指通过感知图像对目标所属类型进行识别。目标定位指结合图像坐标及无人机姿态进行目标的定位。障碍检测指的是通过感知图像对障碍进行检测。感知载荷管理是对挂载的载荷进行接收图像、转动控制等进行管理。

任务管理与分配模块主要负责任务分解、任务分配、任务调度和进度监视业务，其中，任务分解指将接受到的任务分解为多个子任务，比如多目标跟踪任务会分解为目标1跟踪、目标2跟踪和目标N跟踪等多个子任务，任务分配指将子任务在邻居无人机中进行分配，例如目标1跟踪由无人机1负责，目标2跟踪由无人机2和无人机3负责等，任务调度指将分配给所在无人机自身的子任务进行调度执行。状态监视指对子任务执行过程中的邻居及自身状态进行监视，若发生子任务执行与其他无人机子任务冲突，可进行任务重分配进行消解。

任务规划模块主要负责根据子任务要求，生成规划序列，主要包括邻居信息处理、规划生成、状态监视等业务。其中，邻居信息处理是指接受自身无人机及其他无人机的状态信息。规划生成指根据自身无人机及其他无人机的状态信息进行规划，生成规划序列。状态监视指对子任务执行过程中的邻居及自身状态进行监视，若发生子任务执行冲突，可进行任务重规划进行消解。

制导控制模块主要负责根据规划序列要求，生成制导控制指令，主要包括邻居信息处理、制导生成、状态监视等业务。其中，邻居信息处理是指接受自身无人机及其他无人机的状态信息。制导生成指根据自身无人机及其他无人机的状态信息进行制导控制，生成制导控制指令，<俯仰速率、滚转速率、偏航速率、油门>。状态监视指对子任务执行过程中的邻居及自身状态进行监视，若发生意外事件，例如无人机机间距离小于安全距离，则进行应急制导控制。

（3）通信层；

通信层主要负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务，主要包括在硬件层面上通信方式的设计，以及在软件层面上通信协议的设计。

为了满足不同类型信息对带宽、时延等网络质量的不同要求，通信层利用不同类型无线技术，设计了3条通信链路。第一，控制链路，主要用于传输指令和协同状态信息等时延性要求高带宽需求低的业务；第二，数据链路，主要用于传输感知图像带宽要求高时延需求相对较低的业务；第三，遥控链路，主要用于操作手对无人机进行远程遥控，在出现意外情况下进行应急保护。

此外，本发明在微型空中飞行器链路通讯协议Mavlink协议的基础上，扩展设计了一套可用于任务协同的通信协议。该协议主要包括指控命令报文、任务信息报文、飞行状态信息报文、感知图像信息报文等。

（4）人机交互层；

人机交互层主要负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，主要包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。人机交互层一般由指挥控制站实现。由于无人机集群是由大量无人机组成，海量的状态信息会使得指挥控制站的指控人员难以捕捉到重要信息，不能高效地对无人机集群进行指挥控制。

因此在本发明中的人机交互层具有以下特点：

状态及环境可视化接口方面：1）状态信息和感知图像在显示时，需进行分析处理，对重要信息进行强调；2）显示窗口、工作面板、内容条目可以由指控人员动态打开或关闭。

指控命令接口方面：1）可选择语音助手进行当前状态播报和命令下达；2）提供高层任务指令，例如，编队飞行、目标搜索、目标跟踪等；3）提供任务序列管理，例如，起飞->盘旋->编队飞行->目标搜索。

由上可知，本发明通过将无人机集群自主协同控制划分为底层行为控制层、高层协同控制层，并部署于两种实时性及计算能力不同的处理板之上，能够在保证飞行控制业务实时性需求的同时，还能为协同控制业务提供强大的算力支撑。此外，这种分层控制结构，还将对无人机的安全性保证提供一定的支持。原因在于即使高层协同控制层出现故障或者意外，不会影响底层飞行控制层的执行。当底层飞行控制层发现与高层协同控制层的协作异常时，将会触发应急响应机制，导引无人机返航，保证无人机的安全。

本发明将集群系统分为人机交互层、通信层、高层控制层和底层行为层四个层次，以及视觉感知、任务协调、任务规划、制导控制、飞行控制、通信管理等多个模块化组件，有利于降低集群系统构建的复杂度，并利于多样化任务的灵活扩展；此外，各节点接受邻居信息，并自主进行“感知-判断-决策-行为”全流程决策控制，不依赖中心节点进行协调，能有效提高集群系统的规模可扩展性。同时，为了满足无人机集群控制的计算性能需求及实时性需求，本发明提出了将无人机集群控制划分为高层控制和底层控制两个回路，其中，高层控制模块采用高性能处理器并部署于非实时操作系统中，负责视觉感知、任务规划、制导控制等计算需求高的功能，而底层控制模块采用低功耗微处理器并部署于实时操作系统中，主要负责姿态控制等实时性高的功能。高层控制会根据任务给底层控制输出制导控制指令，底层控制将制导控制指令转化为姿态控制，实现无人机的飞行控制。

如图3所示，本发明基于上述控制系统提出了一种控制方法，其流程包括：

指挥控制站发送指控命令及数据给指定无人机，接收无人机回传的任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息。

机载管理模块发送任务请求给任务管理与分配模块，发送感知载荷控制请求给高维感知处理模块，发送任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息给指挥控制站，接收指挥控制站发送的指控命令，接收其他无人机发送的任务状态信息和飞行状态信息，接收任务管理模块发送的任务状态信息，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块发送的飞行状态信息。

任务管理与分配模块发送子任务请求给任务规划模块，发送任务状态信息给机载管理模块，接收机载管理模块的任务请求，接收任务规划模块的任务状态信息。

高维感知处理模块发送感知图像信息给机载管理模块、任务规划模块和制导控制模块，接收机载管理模块发送的载荷控制指令，接收底层控制模块发送的飞行状态信息。

任务规划模块发送规划序列给制导控制模块，发送任务状态信息到任务管理与分配模块，接收任务管理与分配模块的子任务请求，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块的飞行状态信息，接收制导控制模块的制导状态信息。

制导控制模块发送制导控制信息给底层控制模块，发送制导状态信息给任务规划模块，接收任务规划模块发送的规划序列，接收底层控制模块飞行状态信息，接收高维感知处理模块的感知图像信息。

底层控制模块发送控制信号给无人机平台，发送飞行状态信息给制导控制模块，发送飞行状态信息给任务规划模块，发送飞行状态信息给高维感知处理模块，发送飞行状态信息给机载管理模块，接收制导控制模块发送制导序列，接收机载传感器发送的传感器信息。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：包括：

底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；

高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；

通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；

人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。

2.根据权利要求1所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述底层行为控制层接受高层协同控制层的制导控制指令，所述底层行为控制层中的姿态控制模块将结合制导控制指令的要求对生成姿态控制信号，并由控制分配模块根据无人机平台类型生成作动器的控制信号。

3.根据权利要求1所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述高层协同控制层包括：

高维感知处理模块，运用高维感知载荷对环境进行高维感知，并对感知图像进行分析处理；

任务管理与分配模块，用来负责任务分解、任务分配、任务调度和进度监视业务；

任务规划模块，用来负责根据子任务要求，生成规划序列；

制导控制模块，用来负责根据规划序列要求，生成制导控制指令。

4.根据权利要求1或2或3所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述通信层包括三条通信链路：

a.控制链路，用于传输时延性要求高带宽需求低的业务；

b.数据链路，用于传输感知图像带宽要求高时延需求相对较低的业务；

c.遥控链路，用于操作手对无人机进行远程遥控，在出现意外情况下进行应急保护。

5.根据权利要求1或2或3所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述人机交互层为指挥控制站。

6.一种基于上述权利要求1-5中任意一项固定翼无人机集群的分层分布式控制系统的控制方法，其特征在于，其流程包括：

指挥控制站发送指控命令及数据给指定无人机，接收无人机回传的任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息；

机载管理模块发送任务请求给任务管理与分配模块，发送感知载荷控制请求给高维感知处理模块，发送任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息给指挥控制站，接收指挥控制站发送的指控命令，接收其他无人机发送的任务状态信息和飞行状态信息，接收任务管理模块发送的任务状态信息，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块发送的飞行状态信息；

任务管理与分配模块发送子任务请求给任务规划模块，发送任务状态信息给机载管理模块，接收机载管理模块的任务请求，接收任务规划模块的任务状态信息；

高维感知处理模块发送感知图像信息给机载管理模块、任务规划模块和制导控制模块，接收机载管理模块发送的载荷控制指令，接收底层控制模块发送的飞行状态信息；

任务规划模块发送规划序列给制导控制模块，发送任务状态信息到任务管理与分配模块，接收任务管理与分配模块的子任务请求，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块的飞行状态信息，接收制导控制模块的制导状态信息；

制导控制模块发送制导控制信息给底层控制模块，发送制导状态信息给任务规划模块，接收任务规划模块发送的规划序列，接收底层控制模块飞行状态信息，接收高维感知处理模块的感知图像信息；

底层控制模块发送控制信号给无人机平台，发送飞行状态信息给制导控制模块，发送飞行状态信息给任务规划模块，发送飞行状态信息给高维感知处理模块，发送飞行状态信息给机载管理模块，接收制导控制模块发送制导序列，接收机载传感器发送的传感器信息。