CN110888456A - 一种无人机与无人车的自主协同侦察控制方法 - Google Patents
一种无人机与无人车的自主协同侦察控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于无人系统协同控制技术领域，公开了一种无人机与无人车的自主协同侦察控制方法。该方法首先无人机自主飞往指定侦察区域，将自主侦察到的目标物图像及坐标位置发送给地面站，然后地面站转发目标位置信息给无人车，无人车自主导航至目标位置，进行近距离侦察。最后完成侦察任务，地面站下发任务结束指令，无人机和无人车自主返航。本发明以无人机‑地面站‑无人车三个分系统的自主协同控制形式，通过搭载多种传感器设备，对特定目标进行自主侦察，利用无线电进行信息交互，实现数据共享，同时，利用自主导航的相关技术途径，实现无人机与无人车的自主导航，实现自主协同侦察，减轻操控人员的负担，提高空地协同侦察的智能化水平。
Description
技术领域
本发明属于无人系统协同控制技术领域，具体涉及无人机与无人车的自主协同侦察控制方法。
背景技术
随着无人系统技术的发展，包括无人机和无人车在内的自主导航控制技术日趋成熟，且被广泛研究和应用，如区域目标自主侦察、人员自动搜救等。在区域目标自主侦察中，单一无人系统往往受限，如无人机能够从空中进行大范围搜索，进而发现疑似目标，却难以有效捕捉近距离信息；无人车可以抵进目标附近进行侦察，但对于未知场景，往往需要花费大量时间进行区域遍历。利用两种无人系统的互补性，开展协同侦察，可以有效提高搜索效率，同时捕捉清晰的目标信息。
现有的无人机与无人车的协同控制系统往往需要人工操作，通过人的介入，完成无人机与无人车的信息交互，并通过人工控制的方式，遥控无人车或者无人机抵进目标区域。这种以人员操控为主的协同控制手段，需要多名人员分别操控无人机和无人车，一方面加重了操作人员的作业负担，另一方面，对操作人员提出了环境熟悉性的要求，需要保证侦察区域的有效遍历，以保证目标的有效侦察。现有的以人工介入为主的无人机与无人车协同侦察控制系统，存在着浪费人力资源、侦察效率低下、自主化程度低等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种无人机与无人车的自主协同侦察控制系统，以无人机-地面站-无人车三个分系统的自主协同控制形式，通过搭载多种传感器设备，对特定目标进行自主侦察，利用无线电进行信息交互，实现数据共享。同时，利用自主导航的相关技术途径，实现无人机与无人车的自主导航，实现自主协同侦察，减轻操控人员的负担，提高空地协同侦察的智能化水平。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明一个方面提供了一种无人机与无人车的自主协同侦察方法，包括如下步骤：
步骤1：各系统就绪，等待操作人员下发任务启动指令。地面站接收自主协同侦察指令，转步骤2；
步骤2：根据操作人员输入的侦察区域中心经纬度坐标及搜索的半径范围，地面站系统通过无线电通信向无人机下发任务启动指令和侦察信息，转步骤3；
步骤3：无人机自主起飞，完成起飞，转步骤4；
步骤4：根据区域中心经纬度坐标，无人机自主抵进飞行，到达区域中心，转步骤5；
步骤5：按照直线循环推进进行区域遍历飞行，并实时回传侦察图像，同时地面站系统对侦察图像进行目标识别，识别到目标，转步骤6；
步骤6：地面站系统向无人机下发发现目标指令，转步骤7；
步骤7：若目标移动，转步骤8；若目标保持静止，无人机悬停在目标物正上方，回传当前无人机的经纬度坐标位置给地面站，转步骤9；
步骤8：无人机进行移动目标跟踪，若目标静止，转步骤7；
步骤9：地面站系统向无人车下发任务启动指令和目标经纬度位置信息，转步骤10；
步骤10：无人车进行全局路径规划，转步骤11；
步骤11：无人车进行根据全局路径规划结果进行自主导航，若接收到地面站系统转发的目标位置移动信息，转步骤10；若抵近目标，转步骤12；
步骤12：无人车停车等待，进入近距目标侦察状态，实时回传侦察图像至地面站系统，地面站系统进行近距侦察目标识别，确认后，地面站向无人车和无人机分别下发任务结束指令，转步骤13；
步骤13：无人机和无人车自主返航，无人车到达地面站系统，向地面站发送返航成功指令；无人机返回地面站系统，完成自主降落，向地面站系统发送返航成功指令，转步骤14；
步骤14：地面站接收无人机和无人车返航确认信息，任务结束。
本发明另一个方面还提供了一种无人机与无人车的自主协同侦察控制系统，其特征在于，包括无人机系统、无人车系统、地面站系统三部分组成；
无人机系统包括旋翼式无人机平台、搭载云台的监控相机、卫星接收机、无线电设备；所述的旋翼式无人机平台用于搭载搭载云台的监控相机、卫星接收机、无线电设备；无线电设备实时监听地面站无线电，接收地面站系统发送的指令和目标坐标及区域范围，并向地面站系统发送信息；搭载云台的监控相机用于目标跟踪，将侦察图像实时回传地面站系统，发送无人机当前位置给地面站系统；卫星接收机接收到地面站指令；
所述的无人车系统包括无人车平台、侦察相机、激光雷达、组合导航设备、无线电设备、计算处理单元；侦察相机、激光雷达、组合导航设备、无线电设备、计算处理单元布置在无人车平台上；无线电设备实时监听地面站无线电，接收任务启动指令和目标坐标；组合导航设备用于无人车的自主导航，利用雷达感知进行局部道路通行和避障规划；侦察相机用于目标侦察，实时回传侦察图像至地面站系统；激光雷达用于感知道路通行中障碍物；计算处理单元是各系统程序软件运行的载体，负责逻辑计算，负责相机、雷达、组合导航设备等传感器的数据处理和逻辑计算。
所述的地面站系统包括无线电设备、计算处理单元，计算处理单元负责人机交互、指令解析等逻辑运算。所述无线电设备由三个子模块构成：无人机通信模块、无人车通信模块和侦察目标识别模块；其中无人机通信模块负责与无人机系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；无人车通信模块负责与无人车系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；侦察目标识别模块负责由无人车/无人机回传的侦察图像中目标物的自动识别。
进一步的，所述的无人机系统、无人车系统、地面站系统之间通过无线电通信，无线电通信分为两条互不干扰的链路通信：无人机系统-地面站系统链路和无人车系统-地面站系统链路，各链路之间为双工通信，同时地面站系统为两条链路的通信接口。
进一步的，无人机通信模块、无人车通信模块和侦察目标识别模块之间通过路由设备进行通信。
本发明的优点：
本发明以无人机-地面站-无人车三个分系统的自主协同控制形式，通过搭载多种传感器设备，对特定目标进行自主侦察，利用无线电进行信息交互，实现数据共享。同时，利用自主导航的相关技术途径，实现无人机与无人车的自主导航，实现自主协同侦察，减轻操控人员的负担，提高空地协同侦察的智能化水平。
附图说明
图1为无人机与无人车自主协同侦察流程图；
图2为地面站工作人员的工作状态图；
图3为无人机系统状态图；
图4为区域直线循环推进遍历；
图5为无人车系统状态图；
图6为地面站系统状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种无人机与无人车自主协同侦察控制系统，主要由无人机系统、无人车系统、地面站系统三部分组成；
无人机系统包括旋翼式无人机平台、搭载云台的监控相机、卫星接收机、无线电设备；旋翼式无人机平台用于搭载搭载云台的监控相机、卫星接收机、无线电设备；无线电设备实时监听地面站无线电，接收地面站系统发送的指令和目标坐标及区域范围，并向地面站系统发送信息；搭载云台的监控相机用于目标跟踪，将侦察图像实时回传地面站系统，发送无人机当前位置给地面站系统；卫星接收机接收到地面站指令。
无人机系统的工作状态如图3所示，具体如下：
步骤1：无人机相关设备就绪，进入任务启动等待状态，实时监听地面站无线电，接收到任务启动指令和目标坐标及区域范围，转步骤2；
步骤2：启动无人机任务执行，进入起飞状态。起飞完成，转步骤3：
步骤3：自主飞行至目标坐标，到达目标位置，转步骤4；
步骤4：根据区域范围，按照直线循环推进进行区域遍历，如图4所示，并将侦察图像实时回传地面站。地面站进行目标的图像识别，发现目标后下达悬停指令，转步骤5；
步骤5：无人机悬停至目标物上方，并保持侦察相机处于目标跟踪模式，发送无人机当前位置给地面站。目标移动，转步骤6；接收到地面站任务结束指令，转步骤7；
步骤6：无人机对移动目标进行跟踪，目标静止，转步骤5；
步骤7：无人机返航至地面站，到达地面站，转步骤8；
步骤8：无人机自主降落，降落完成，转步骤9；
步骤9：无人机任务结束，向地面站发送返航确认信息。
无人车系统包括无人车平台、侦察相机、激光雷达、组合导航设备、无线电设备、计算处理单元。侦察相机、激光雷达、组合导航设备、无线电设备、计算处理单元布置在无人车平台上。无线电设备实时监听地面站无线电，接收到任务启动指令和目标坐标；计算处理单元进行全局路径规划；组合导航设备用于无人车的自主导航，利用雷达感知进行局部道路通行和避障规划；侦察相机用于目标侦察，实时回传侦察图像至地面站系统；激光雷达用于感知道路通行中障碍物；计算处理单元是各系统程序软件运行的载体，负责逻辑计算，负责相机、雷达、组合导航设备等传感器的数据处理和逻辑计算。
无人车系统的工作状态如图5所示，具体如下：
步骤1：无人车相关设备就绪，进入任务启动等待状态，实时监听地面站无线电，接收到任务启动指令和目标坐标，启动无人车任务执行，转步骤2；
步骤2：进行全局路径规划，完成，转步骤3；
步骤3：无人车进行自主导航，利用雷达感知进行局部道路通行和避障规划，接收到目标位置变化指令，转步骤2；抵进目标位置，转步骤4；
步骤4：停车等待，进入目标侦察状态，实时回传侦察图像至地面站，接收到任务结束指令，转步骤5；
步骤5：无人车返航至地面站，达到地面站，转步骤6；
步骤6：无人车任务结束，向地面站发送返航确认信息。
地面站系统包括无线电设备、计算处理单元，计算处理单元负责人机交互、指令解析等逻辑运算。所述无线电设备由三个子模块构成：无人机通信模块、无人车通信模块和侦察目标识别模块，三个子模块之间通过路由设备进行通信。其中无人机通信模块负责与无人机系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；无人车通信模块负责与无人车系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；侦察目标识别模块负责由无人车/无人机回传的侦察图像中目标物的自动识别。
地面站系统的工作状态如图6所示，具体如下：
步骤1：地面站相关设备就绪，进入任务启动等待状态，等待操作人员下发指令。接收到任务启动指令和输入的目标坐标及区域范围，转步骤2；
步骤2：进入任务执行状态。该状态主要由三个子模块构成：无人机通信模块、无人车通信模块和侦察目标识别模块，三个子模块之间通过路由设备进行通信。其中无人机通信模块负责与无人机系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；无人车通信模块负责与无人车系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；侦察目标识别模块负责由无人车/无人机回传的侦察图像中目标物的自动识别。接收到无人车与无人机返航确认信息，转步骤3；
步骤3：任务结束。
各分系统之间通过无线电通信，无线电分为两条互不干扰的链路通信：无人机-地面站链路和无人车-地面站链路，各链路之间为双工通信，同时地面站为两条链路的通信接口。
本发明还提供了一种无人机与无人车的自主协同侦察方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：各系统就绪，等待操作人员下发任务启动指令。地面站接收自主协同侦察指令，转步骤2；
步骤2：根据操作人员输入的侦察区域中心经纬度坐标及搜索的半径范围，地面站系统通过无线电通信向无人机下发任务启动指令和侦察信息，转步骤3；
步骤3：无人机自主起飞，完成起飞，转步骤4；
步骤4：根据区域中心经纬度坐标，无人机自主抵进飞行，到达区域中心，转步骤5；
步骤5：按照直线循环推进进行区域遍历飞行，并实时回传侦察图像，同时地面站系统对侦察图像进行目标识别，识别到目标，转步骤6；
步骤6：地面站系统向无人机下发发现目标指令，转步骤7；
步骤7：若目标移动，转步骤8；若目标保持静止，无人机悬停在目标物正上方，回传当前无人机的经纬度坐标位置给地面站，转步骤9；
步骤8：无人机进行移动目标跟踪，若目标静止，转步骤7；
步骤9：地面站系统向无人车下发任务启动指令和目标经纬度位置信息，转步骤10；
步骤10：无人车进行全局路径规划，转步骤11；
步骤11：无人车进行根据全局路径规划结果进行自主导航，若接收到地面站系统转发的目标位置移动信息，转步骤10；若抵近目标，转步骤12；
步骤12：无人车停车等待，进入近距目标侦察状态，实时回传侦察图像至地面站系统，地面站系统进行近距侦察目标识别，确认后，地面站向无人车和无人机分别下发任务结束指令，转步骤13；
步骤13：无人机和无人车自主返航，无人车到达地面站系统，向地面站发送返航成功指令；无人机返回地面站系统，完成自主降落，向地面站系统发送返航成功指令，转步骤14；
步骤14：地面站接收无人机和无人车返航确认信息，任务结束。
其中，地面站人员在整个系统中的角色为决策者和系统状态监督者，具体包括下发任务启动指令、各系统工作状态监督(包括地面站系统、无人机系统、无人车系统的工作状态)及异常状态介入、无人机和无人车侦察图像中关于目标的确认、任务完成确认，如图2所示。
通过本发明提供的无人机与无人车自主协同侦察控制系统，实现了空中-地面-无人系统的自主协同侦察，极大解放了操作人员的工作负担，将操作人员的角色由无人平台的操纵者转变为系统运行的监督者，同时提高了空地无人系统的自主化侦察水平。
Claims (4)
1.一种无人机与无人车的自主协同侦察方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：各系统就绪，等待操作人员下发任务启动指令。地面站接收自主协同侦察指令，转步骤2；
步骤2：根据操作人员输入的侦察区域中心经纬度坐标及搜索的半径范围，地面站系统通过无线电通信向无人机下发任务启动指令和侦察信息，转步骤3；
步骤3：无人机自主起飞，完成起飞，转步骤4；
步骤4：根据区域中心经纬度坐标，无人机自主抵进飞行，到达区域中心，转步骤5；
步骤5：按照直线循环推进进行区域遍历飞行，并实时回传侦察图像，同时地面站系统对侦察图像进行目标识别，识别到目标，转步骤6；
步骤6：地面站系统向无人机下发发现目标指令，转步骤7；
步骤7：若目标移动，转步骤8；若目标保持静止，无人机悬停在目标物正上方，回传当前无人机的经纬度坐标位置给地面站，转步骤9；
步骤8：无人机进行移动目标跟踪，若目标静止，转步骤7；
步骤9：地面站系统向无人车下发任务启动指令和目标经纬度位置信息，转步骤10；
步骤10：无人车进行全局路径规划，转步骤11；
步骤11：无人车进行根据全局路径规划结果进行自主导航，若接收到地面站系统转发的目标位置移动信息，转步骤10；若抵近目标，转步骤12；
步骤12：无人车停车等待，进入近距目标侦察状态，实时回传侦察图像至地面站系统，地面站系统进行近距侦察目标识别，确认后，地面站向无人车和无人机分别下发任务结束指令，转步骤13；
步骤13：无人机和无人车自主返航，无人车到达地面站系统，向地面站发送返航成功指令；无人机返回地面站系统，完成自主降落，向地面站系统发送返航成功指令，转步骤14；
步骤14：地面站接收无人机和无人车返航确认信息，任务结束。
2.一种实现权利要求1所述的无人机与无人车的自主协同侦察方法的自主协同侦察控制系统，其特征在于，包括无人机系统、无人车系统、地面站系统三部分组成；
无人机系统包括旋翼式无人机平台、搭载云台的监控相机、卫星接收机、无线电设备；所述的旋翼式无人机平台用于搭载搭载云台的监控相机、卫星接收机、无线电设备；无线电设备实时监听地面站无线电，接收地面站系统发送的指令和目标坐标及区域范围，并向地面站系统发送信息；搭载云台的监控相机用于目标跟踪，将侦察图像实时回传地面站系统，发送无人机当前位置给地面站系统；卫星接收机接收到地面站指令；
所述的无人车系统包括无人车平台、侦察相机、激光雷达、组合导航设备、无线电设备、计算处理单元；侦察相机、激光雷达、组合导航设备、无线电设备、计算处理单元布置在无人车平台上；无线电设备实时监听地面站无线电，接收任务启动指令和目标坐标；组合导航设备用于无人车的自主导航，利用雷达感知进行局部道路通行和避障规划；侦察相机用于目标侦察，实时回传侦察图像至地面站系统；激光雷达用于感知道路通行中障碍物；计算处理单元是各系统程序软件运行的载体，负责逻辑计算，负责相机、雷达、组合导航设备等传感器的数据处理和逻辑计算；
所述的地面站系统包括无线电设备、计算处理单元，计算处理单元负责人机交互、指令解析等逻辑运算；所述无线电设备由三个子模块构成：无人机通信模块、无人车通信模块和侦察目标识别模块；其中无人机通信模块负责与无人机系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；无人车通信模块负责与无人车系统的数据通信，包括下发任务启动指令和相关侦察目标位置信息、下发任务结束指令、接收侦察图像等；侦察目标识别模块负责由无人车/无人机回传的侦察图像中目标物的自动识别。
3.如权利要求2所述的自主协同侦察控制系统，其特征在于，所述的无人机系统、无人车系统、地面站系统之间通过无线电通信，无线电通信分为两条互不干扰的链路通信：无人机系统-地面站系统链路和无人车系统-地面站系统链路，各链路之间为双工通信，同时地面站系统为两条链路的通信接口。
4.如权利要求3所述的自主协同侦察控制系统，其特征在于，无人机通信模块、无人车通信模块和侦察目标识别模块之间通过路由设备进行通信。
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