CN110377054B - 一种基于机载平台的无人机集群控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于机载平台的无人机集群控制系统，在每个无人机上均搭载了集群控制系统，并通过自身的传感模块、控制模块和任务管理模块，可以在不依赖GPS等卫星定位信号的情况下完成精准导航及目标摧毁任务，显著提高了无人机的抗干扰能力，同时减少了系统的制造和运行成本；集群控制系统中包括了传感器和大量的处理器，形成了高效完备的处理系统和闭环反馈机制，能够实现无人机集群的协同高效控制；集群导航实现系统基于移动机载平台和无人机之间的信息交互和数据处理，采用了深层计算模型并建立了庞大的数据库，能够保证无人机集群精准定位目标区域并完成导航及目标打击。

Description

一种基于机载平台的无人机集群控制系统及方法

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，特别涉及一种基于机载平台的无人机集群控制系统。

背景技术

最近，使用方越来越多地依靠飞翼无人机技术对潜在的威胁进行监视，侦察和打击，以尽量减少对人员的伤害。同时，也在探索并开发飞翼无人机的功能，包括使飞翼无人机自主地识别对手及其关键资产，自主决定行动方案，以及在没有中央指挥和控制的直接干预下执行任务。

为了实现上述需求，无人机集群技术成为首要选择。无人机集群技术是一种新兴技术，可以为现代战场上的很多问题提供解决方案。集群无人机的优势在于可以通过其绝对数量优势压倒敌方目标，因为目前的敌方防御系统并无抵御数百架无人机进行的大规模攻击的功能。例如，集群无人机可以通过控制大量无人机来摧毁目标(例如敌方防御系统)，从而在破坏敌方重要战略资源中发挥关键作用。在监视任务中，集群无人机可以快速绘制敌人活动区域，并提供实时和关键的情报。集群技术还支持搜索和救援任务，集群无人机能够在一个区域中快速搜索处于危险中的人员，并将信息传递回救援队。

但是，现有的无人机集群技术受到多方面的限制。一方面，无人机集群通信技术非常依赖卫星定位信号，用以识别无人机个体的位置以及目标位置。然而，敌方防御系统可以通过各种电子对抗手段对卫星定位信号进行干扰。当集群无人机无法正常接收定位信号时，集群控制系统处于失效状态。另一方面，现有的集群无人机技术需要个体无人机在飞行中进行信息交互，这大大增加了无人机和控制系统的制造、运行和维护成本。

发明内容

为解决现有无人机集群技术过度依赖卫星定位信号和无人机个体信息交互的技术问题，本发明提出了一种基于机载平台的无人机集群控制系统，在不依赖卫星定位信号的情况下能够精确高效地完成导航及打击任务。

本发明的技术方案为：

所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：包括安装在无人机上的集群控制系统，以及布置在移动机载平台上的地图数据库和路径规划模块；所述移动机载平台能够存储并释放由多个无人机组成的无人机集群；

所述地图数据库和路径规划模块用于构建空间网格结构和目标区域网格结构，引导无人机向目标区域靠近；所述集群控制系统实现无人机群的飞行控制，引导无人机接近并摧毁目标。

进一步的，所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述地图数据库和路径规划模块构建空间网格结构和目标区域网格结构时，首先在地图数据库中选择目标区域，地图数据库将目标区域信息传输至路径规划模块；路径规划模块在移动机载平台和目标区域之间划分网格结构，并依据局部最优路径规划算法，在网格结构中规划路径；所述网格结构是由平行于地面的网格和垂直于地面的网格叠加而成的三维空间网格结构；无人机集群在被释放前从移动机载平台下载规划路径信息，并依据该信息依次经过网格结构中指定的网格单元，最后到达代表目标区域的网格位置处。

进一步的，所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述集群控制系统包括传感模块、控制模块和任务管理模块；其中传感模块为视觉传感器；控制模块包括图像处理器、导航模块、目标摧毁模块以及引导和控制处理器；任务管理模块为任务管理器；

所述控制模块在无人机未到达目标区域网格时，内部的引导和控制处理器产生控制指令，使无人机按照预先下载的规划路径向目标区域网格移动；任务管理器根据规划路径和网格数据实时记录无人机的位置数据；此时不激活图像处理器、导航模块、目标摧毁模块；

所述控制模块在无人机到达目标区域网格时，激活传感模块以及控制模块中的图像处理器、导航模块和目标摧毁模块；任务管理器向目标摧毁模块和导航模块传递无人机实时位置数据；

所述传感模块接收到激活指令后，视觉传感器开始工作；视觉传感器收集无人机周围图像，并将获得的图像传输至图像处理器，进行取样和量化处理，得到数字化图像数据；

所述导航模块接收来自图像处理器的数据，并与内部导航数据库中存储的图像进行图像匹配和目标确认，得到目标的期望位置，通过对比目标的期望位置和无人机的当前位置，得到位置误差值，并将位置误差值传递给引导和控制处理器；引导和控制处理器根据接收的位置误差值，通过飞行控制算法计算，得到飞控输出信号并传递给任务管理器，任务管理器输出飞控指令传至无人机飞控执行器，同时任务管理器向视觉传感器发出任务指令，收集下一周期的图像信息；

所述目标摧毁模块接收来自图像处理器的数据，并与从移动机载平台上下载目标数据进行匹配，若匹配成功，则向无人机武器执行器传递指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给控制任务管理器。

进一步的，所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述导航模块包括导航数据库、特征提取层、数据处理层；其中导航数据库的数据来自于移动机载平台上的地图数据库；

导航模块接收图像处理器传递的数字化图像数据，识别图像中的地形和地标，与导航数据库的图像进行图像匹配，得到确认的目标图像并传至特征提取层；特征提取层对目标图像进行图像特征提取处理，并将图像特征与导航数据库目标特征对比匹配，若匹配成功，则将激活数据处理层；数据处理层向导航数据库获取该目标的具体位置信息，同时向任务管理器获取无人机当前位置，通过对比目标的位置与无人机当前位置，得到位置误差数据。

进一步的，所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述目标摧毁模块包括检测形态滤波器、降维全局特征匹配模块、降维轮廓匹配模块、终端特征匹配和执行模块；

目标摧毁模块接收图像处理器传递的数字化图像数据，启动检测形态滤波器，根据下载的目标数据对得到的数字化图像数据进行图像滤波处理，得到消除噪声后的图像并传至降维全局特征匹配模块；降维全局特征匹配模块对图像进行特征识别、特征匹配和特征验证处理，若图像特征与目标特征符合，则将图像继续传至降维轮廓匹配模块进行轮廓提取、轮廓匹配、目标验证，并将验证结果传至终端特征匹配和执行模块；终端特征匹配和执行模块进行最终图像匹配验证，若验证通过，终端特征匹配和执行模块向无人机武器执行器传递控制指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给任务管理器。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的一种基于机载平台的无人机集群控制系统，在每个无人机上均搭载了集群控制系统，并通过自身的传感模块、控制模块和任务管理模块，可以在不依赖GPS等卫星定位信号的情况下完成精准导航及目标摧毁任务，显著提高了无人机的抗干扰能力，同时减少了系统的制造和运行成本；集群控制系统中包括了传感器和大量的处理器，形成了高效完备的处理系统和闭环反馈机制，能够实现无人机集群的协同高效控制；集群导航实现系统基于移动机载平台和无人机之间的信息交互和数据处理，采用了深层计算模型并建立了庞大的数据库，能够保证无人机集群精准定位目标区域并完成导航及目标打击。

本发明中移动机载平台扮演总控制中心的角色，能够调动各无人机协同动作，且移动机载平台可以视无人机类型和工作任务灵活选择；并且移动机载平台中通过构建空间网格结构和目标交战区域网格结构来实现无人机的精准定位。在单个无人机中，导航模块中包括了多个层次，通过深层的数据传递和处理能够更有效地识别空间网格和目标地形，并据此实时控制无人机的飞行参数；而目标摧毁模块能够准确快速地提取目标特征信息，有助于目标点跟踪并对目标进行高效打击。

采用本发明的无人机集群控制系统，其中的无人机可达上百个，能够通过其绝对的数量优势压倒敌方目标，目前的敌方防御系统并无抵御数百架飞翼布局无人机进行的大规模攻击的功能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为基于机载平台的无人机集群控制系统的功能框架图；

图2为无人机集群从移动机载平台释放并飞向指定目标交战区域的战争场景；

图3为无人机上的集群控制系统图；

图4为导航模块的工作过程图；

图5为目标摧毁模块的工作过程图。

其中，10为战争场景，12为目标交战区域，14为移动机载平台(本实施例中为B2轰炸机)，16为无人机，18为空间网格结构，20为空间网格单元，22为目标交战区域网格结构，24为目标交战区域网格单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1和图2，本发明提出的一种基于机载平台的无人机集群控制系统，包括安装在无人机上的集群控制系统，以及布置在移动机载平台上的地图数据库和路径规划模块；移动机载平台能够存储并释放由多个无人机组成的无人机集群。

所述地图数据库和路径规划模块用于构建空间网格结构和目标区域网格结构，引导无人机向目标区域靠近；所述集群控制系统实现无人机群的飞行控制，引导无人机接近并摧毁目标。

无人机集群从移动机载平台释放并飞向指定的目标交战区域，特别地，目标交战区域是由移动机载平台(B2轰炸机)标定的。虽然这里的移动机载平台为B2轰炸机，但是其他能够存储和部署大量小型无人机的移动机载平台是也是适用的，这里仅是以B2轰炸机为例进行说明。目标交战区域可以是任何需要摧毁的敌方目标区域，包括雷达装置，防空系统，敌方坦克等。B2轰炸机在接近目标交战区域的某预设距离内(例如50-200km)释放一个无人机集群，例如数百个飞翼布局无人机。

地图数据库和路径规划模块构建空间网格结构和目标区域网格结构，空间网格结构是由叠加在一起的空间网格单元组成的，目标交战区域网格结构是由叠加在一起的目标交战区域网格单元组成的，空间网格结构和目标交战区域网格结构并不是战争场景的一部分，仅为了便于问题描述而采用。地图数据库和路径规划模块构建空间网格结构和目标区域网格结构时，首先在地图数据库中选择目标区域，地图数据库将目标区域信息传输至路径规划模块；路径规划模块在移动机载平台和目标区域之间划分网格结构，并依据局部最优路径规划算法，在网格结构中规划路径；所述网格结构是由平行于地面的网格和垂直于地面的网格叠加而成的三维空间网格结构。

无人机集群在释放之前，个体飞翼布局无人机从B2轰炸机上下载目标信息和规划路径信息，并识别目标交战区域中的特定目标位置。提供给每个个体飞翼布局无人机的信息使其飞过空间网格结构中的特定空间网格单元，并朝向目标交战区域飞行，最后到达目标交战区域网格结构中的一个特定目标交战区域网格单元。网格结构中的每个单元可以用于一个飞翼无人机或多个飞翼无人机，也可以处于空置状态。

参照图1和图3，集群控制系统包括传感模块、控制模块和任务管理模块；其中传感模块为视觉传感器；控制模块包括图像处理器、导航模块、目标摧毁模块以及引导和控制处理器；任务管理模块为任务管理器。

所述控制模块在无人机未到达目标区域网格时，内部的引导和控制处理器产生控制指令，使无人机按照预先下载的规划路径向目标区域网格移动；任务管理器根据规划路径和网格数据实时记录无人机的位置数据；此时不激活图像处理器、导航模块、目标摧毁模块。

所述控制模块在无人机到达目标区域网格时，激活传感模块以及控制模块中的图像处理器、导航模块和目标摧毁模块；任务管理器向目标摧毁模块和导航模块传递无人机实时位置数据。

所述传感模块接收到激活指令后，视觉传感器开始工作；视觉传感器收集无人机周围图像，并将获得的图像传输至图像处理器，进行取样和量化处理，将图像数据转化为适合计算机处理的数字化图像数据；

所述导航模块接收来自图像处理器的数据，并与内部导航数据库中存储的图像进行图像匹配和目标确认，得到目标的期望位置，通过对比目标的期望位置和无人机的当前位置，得到位置误差值，并将位置误差值传递给引导和控制处理器；引导和控制处理器根据接收的位置误差值，通过飞行控制算法计算，得到飞控输出信号并传递给任务管理器，任务管理器输出飞控指令传至无人机飞控执行器，同时任务管理器向视觉传感器发出任务指令，收集下一周期的图像信息。

参照图1、图3和图4，所述导航模块包括导航数据库、特征提取层、数据处理层；其中导航数据库的数据来自于移动机载平台上的地图数据库。

导航模块接收图像处理器传递的数字化图像数据，识别图像中的地形和地标，与导航数据库的图像进行图像匹配，得到确认的目标图像并传至特征提取层；特征提取层对目标图像进行图像特征提取处理，并将图像特征与导航数据库目标特征对比匹配，若匹配成功，则将激活数据处理层；数据处理层向导航数据库获取该目标的具体位置信息，同时向任务管理器获取无人机当前位置，通过对比目标的位置与无人机当前位置，得到位置误差数据。

所述目标摧毁模块接收来自图像处理器的数据，并与从移动机载平台上下载目标数据进行匹配，若匹配成功，则向无人机武器执行器传递指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给控制任务管理器。

参照图1、图3和图5，所述目标摧毁模块包括检测形态滤波器、降维全局特征匹配模块、降维轮廓匹配模块、终端特征匹配和执行模块。

目标摧毁模块接收图像处理器传递的数字化图像数据，启动检测形态滤波器，根据下载的目标数据对得到的数字化图像数据进行图像滤波处理，得到消除噪声后的图像并传至降维全局特征匹配模块；降维全局特征匹配模块对图像进行特征识别、特征匹配和特征验证处理，若图像特征与目标特征符合，则将图像继续传至降维轮廓匹配模块进行轮廓提取、轮廓匹配、目标验证，并将验证结果传至终端特征匹配和执行模块；终端特征匹配和执行模块进行最终图像匹配验证，若验证通过，终端特征匹配和执行模块向无人机武器执行器传递控制指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给任务管理器。

参照图1～图5，本发明提出的一种基于机载平台的无人机集群控制方法，包括如下步骤：

步骤1：移动机载平台上的地图数据库和路径规划模块构建空间网格结构和目标区域网格结构。首先在地图数据库中选择目标区域，地图数据库将目标区域信息传输至路径规划模块；路径规划模块依据局部最优路径规划算法，在机载平台和目标区域之间划分网格结构，并在网格结构中规划路径；

步骤2：无人机在启动之前从移动机载平台下载路径规划信息，并依据该信息依次经过网格结构中指定的单元，完成飞行和目标摧毁任务；

无人机在飞行过程中，如未到达目标区域网格，集群控制系统控制模块中的引导和控制处理器产生控制指令，使无人机按照预先下载的规划路径向目标区域网格移动；任务管理器根据规划路径和网格数据实时记录无人机的位置数据；此时不激活图像处理器、导航模块、目标摧毁模块；

当无人机到达目标区域网格时，激活传感模块以及控制模块中的图像处理器、导航模块和目标摧毁模块；任务管理器向目标摧毁模块和导航模块传递无人机实时位置数据；

步骤3：传感模块接收到激活指令后，视觉传感器开始工作；视觉传感器收集无人机周围图像，并将获得的图像传输至图像处理器，进行取样和量化处理，得到数字化图像数据；

导航模块接收来自图像处理器的数据，并与内部导航数据库中存储的图像进行图像匹配和目标确认，得到目标的期望位置，通过对比目标的期望位置和无人机的当前位置，得到位置误差值，并将位置误差值传递给引导和控制处理器；引导和控制处理器根据接收的位置误差值，通过飞行控制算法计算，得到飞控输出信号并传递给任务管理器，任务管理器输出飞控指令传至无人机飞控执行器，同时任务管理器向视觉传感器发出任务指令，收集下一周期的图像信息；

目标摧毁模块接收来自图像处理器的数据，并与从移动机载平台上下载目标数据进行匹配，若匹配成功，则向无人机武器执行器传递指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给控制任务管理器。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：包括安装在无人机上的集群控制系统，以及布置在移动机载平台上的地图数据库和路径规划模块；所述移动机载平台能够存储并释放由多个无人机组成的无人机集群；

所述地图数据库和路径规划模块用于构建空间网格结构和目标区域网格结构，引导无人机向目标区域靠近；所述集群控制系统实现无人机群的飞行控制，引导无人机接近并摧毁目标；

所述集群控制系统包括传感模块、控制模块和任务管理模块；其中传感模块为视觉传感器；控制模块包括图像处理器、导航模块、目标摧毁模块以及引导和控制处理器；任务管理模块为任务管理器；

所述控制模块在无人机未到达目标区域网格时，内部的引导和控制处理器产生控制指令，使无人机按照预先下载的规划路径向目标区域网格移动；任务管理器根据规划路径和网格数据实时记录无人机的位置数据；此时不激活图像处理器、导航模块、目标摧毁模块；

所述控制模块在无人机到达目标区域网格时，激活传感模块以及控制模块中的图像处理器、导航模块和目标摧毁模块；任务管理器向目标摧毁模块和导航模块传递无人机实时位置数据；

所述传感模块接收到激活指令后，视觉传感器开始工作；视觉传感器收集无人机周围图像，并将获得的图像传输至图像处理器，进行取样和量化处理，得到数字化图像数据；

所述导航模块接收来自图像处理器的数据，并与内部导航数据库中存储的图像进行图像匹配和目标确认，得到目标的期望位置，通过对比目标的期望位置和无人机的当前位置，得到位置误差值，并将位置误差值传递给引导和控制处理器；引导和控制处理器根据接收的位置误差值，通过飞行控制算法计算，得到飞控输出信号并传递给任务管理器，任务管理器输出飞控指令传至无人机飞控执行器，同时任务管理器向视觉传感器发出任务指令，收集下一周期的图像信息；

所述目标摧毁模块接收来自图像处理器的数据，并与从移动机载平台上下载目标数据进行匹配，若匹配成功，则向无人机武器执行器传递指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给控制任务管理器。

2.根据权利要求1所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述地图数据库和路径规划模块构建空间网格结构和目标区域网格结构时，首先在地图数据库中选择目标区域，地图数据库将目标区域信息传输至路径规划模块；路径规划模块在移动机载平台和目标区域之间划分网格结构，并依据局部最优路径规划算法，在网格结构中规划路径；所述网格结构是由平行于地面的网格和垂直于地面的网格叠加而成的三维空间网格结构；无人机集群在被释放前从移动机载平台下载规划路径信息，并依据该信息依次经过网格结构中指定的网格单元，最后到达代表目标区域的网格位置处。

3.根据权利要求1所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述导航模块包括导航数据库、特征提取层、数据处理层；其中导航数据库的数据来自于移动机载平台上的地图数据库；

导航模块接收图像处理器传递的数字化图像数据，识别图像中的地形和地标，与导航数据库的图像进行图像匹配，得到确认的目标图像并传至特征提取层；特征提取层对目标图像进行图像特征提取处理，并将图像特征与导航数据库目标特征对比匹配，若匹配成功，则将激活数据处理层；数据处理层向导航数据库获取该目标的具体位置信息，同时向任务管理器获取无人机当前位置，通过对比目标的位置与无人机当前位置，得到位置误差数据。

4.根据权利要求1所述一种基于机载平台的无人机集群控制系统，其特征在于：所述目标摧毁模块包括检测形态滤波器、降维全局特征匹配模块、降维轮廓匹配模块、终端特征匹配和执行模块；

目标摧毁模块接收图像处理器传递的数字化图像数据，启动检测形态滤波器，根据下载的目标数据对得到的数字化图像数据进行图像滤波处理，得到消除噪声后的图像并传至降维全局特征匹配模块；降维全局特征匹配模块对图像进行特征识别、特征匹配和特征验证处理，若图像特征与目标特征符合，则将图像继续传至降维轮廓匹配模块进行轮廓提取、轮廓匹配、目标验证，并将验证结果传至终端特征匹配和执行模块；终端特征匹配和执行模块进行最终图像匹配验证，若验证通过，终端特征匹配和执行模块向无人机武器执行器传递控制指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给任务管理器。

5.一种采用权利要求1所述系统进行基于机载平台的无人机集群控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：移动机载平台上的地图数据库和路径规划模块构建空间网格结构和目标区域网格结构：首先在地图数据库中选择目标区域，地图数据库将目标区域信息传输至路径规划模块；路径规划模块依据局部最优路径规划算法，在机载平台和目标区域之间划分网格结构，并在网格结构中规划路径；

步骤2：无人机在启动之前从移动机载平台下载路径规划信息，并依据该信息依次经过网格结构中指定的单元，完成飞行和目标摧毁任务；

无人机在飞行过程中，如未到达目标区域网格，集群控制系统控制模块中的引导和控制处理器产生控制指令，使无人机按照预先下载的规划路径向目标区域网格移动；任务管理器根据规划路径和网格数据实时记录无人机的位置数据；此时不激活图像处理器、导航模块、目标摧毁模块；

当无人机到达目标区域网格时，激活传感模块以及控制模块中的图像处理器、导航模块和目标摧毁模块；任务管理器向目标摧毁模块和导航模块传递无人机实时位置数据；

步骤3：传感模块接收到激活指令后，视觉传感器开始工作；视觉传感器收集无人机周围图像，并将获得的图像传输至图像处理器，进行取样和量化处理，得到数字化图像数据；

导航模块接收来自图像处理器的数据，并与内部导航数据库中存储的图像进行图像匹配和目标确认，得到目标的期望位置，通过对比目标的期望位置和无人机的当前位置，得到位置误差值，并将位置误差值传递给引导和控制处理器；引导和控制处理器根据接收的位置误差值，通过飞行控制算法计算，得到飞控输出信号并传递给任务管理器，任务管理器输出飞控指令传至无人机飞控执行器，同时任务管理器向视觉传感器发出任务指令，收集下一周期的图像信息；

目标摧毁模块接收来自图像处理器的数据，并与从移动机载平台上下载目标数据进行匹配，若匹配成功，则向无人机武器执行器传递指令，执行目标摧毁任务，并将完成目标摧毁的信号反馈给控制任务管理器。

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