CN111722644A - 基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置 - Google Patents

基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置 Download PDF

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黄博浩
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Abstract

本发明公开了一种基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置，其中，该方法包括：通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；通过任务决策层获取通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；通过行为规划层对决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；通过感知执行层获取飞行指令信息，根据飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。该方法可以利用无人机实现通信容量高、覆盖范围广并且生存能力强的应急临时网络进行通信。

Description

基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置
技术领域
本发明涉及无人机集群控制技术和网络通信技术领域，特别涉及一种基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置。
背景技术
在发生大规模自然灾害，如地震、泥石流、森林大火等情况下，以及战场环境中，原有的移动基站通信极有可能遭到毁坏，如果同时缺乏卫星通信，就极有可能导致通信中断，影响救援和作战效率。目前已有的应急临时通信方法包括卫星通信方法和单无人机通信方法。
卫星通信技术是应用最为广泛的一种应急通信技术，主要是利用通信卫星作为数据中继，来实现各地球站或地球站跟航天器之间的通信。一般情况下，不会受到地球表面的突发事件的影响，并且覆盖范围广，能够很好地满足在应急通信的广度方面存在的需求。
无人机技术为应急临时通信提供了一种新的方法，目前使用较为广泛的是单无人机通信的方法，原理上与卫星通信技术基本相似，都是利用无人机上所载基站设备作为数据中继，以保证通信畅通。
卫星通信中，通信卫星的飞行轨道相对固定，机动能力差，如果是在战争背景下应用，容易被具备反卫星能力的敌对势力实施定点清除。同时卫星通信技术的通信容量有一定的限制，并且花费的成本较高。一般情况下的应急通信场景所需的覆盖面积不需要达到卫星通信那么大的规模，但是在信息应用大规模实现的背景下，通信容量的限制则会限制许多如视频回传这样的应用。
单无人机通信的方法成本较卫星通信而言，其所需花费远远小于卫星通信，同时通信容量也能够满足一些大通信容量的应用的要求。但是单个无人机通信存在着通信范围覆盖面积较小，存在信号死角的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于无人机集群的应急临时网络通信方法，该方法可以利用无人机实现通信容量高、覆盖范围广并且生存能力强的应急临时网络进行通信。
本发明的另一个目的在于提出一种基于无人机集群的应急临时网络通信装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于无人机集群的应急临时网络通信方法，包括：
S1，通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；
S2，通过任务决策层获取所述通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；
S3，通过行为规划层对所述决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；
S4，通过感知执行层获取所述飞行指令信息，根据所述飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于无人机集群的应急临时网络通信装置，包括：
信息传递模块，用于通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；
决策模块，用于通过任务决策层获取所述通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；
生成模块，用于通过行为规划层对所述决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；
控制模块，通过感知执行层获取所述飞行指令信息，根据所述飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。
本发明实施例的基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置的有益效果为：
利用无人机作为网络中继的节点，实现其集群化，可以满足在较低成本的情况下，实现兼具灵活部署和对大范围的区域实现应急的临时通信的能力；
采用了自组织的分布式集群控制算法，每一架无人机之间的地位相同，这样的去中心化结构能够保证在失去部分节点时仍然能够保持通信的畅通；
无人机集群具有集群传感能力，在进行移动时，对于障碍物的识别基于的是多架无人机对一致变量的共识算法，能够保证飞行过程中的安全性。
本发明附加的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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的无人机集群应急网络通信示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于无人机集群的应急临时网络通信方法流程图；
图3为根据本发明一个实施例的无人机集群控制的系统架构结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的单架无人机安装示意图；
图5为根据本发明一个实施例的任务决策层和行为规划层工作流程图；
图6为根据本发明一个实施例的基于无人机集群的应急临时网络通信装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于无人机集群的应急临时网络通信方法及装置。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于无人机集群的应急临时网络通信方法。
本发明的实施例为利用多架无人机组建一个稳定的无人机集群，其中的无人机个体能够实现相互之间的连通性保持和碰撞防止。同时在维持集群稳定的情况下，基于MANET(mobile ad hoc network，移动ad hoc网络)技术，来实现一个所有移动终端地位平等的，多跳、临时、无中心网络。由此，移动终端便可通过无人机集群的中继功能来实现覆盖范围内的高质量通信，如图1所示。
图2为根据本发明一个实施例的基于无人机集群的应急临时网络通信方法流程图。
如图2所示，该基于无人机集群的应急临时网络通信方法包括以下步骤：
步骤S1，通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息。
其中，中央控制器下达的任务包括集群整体的飞行目的地、势函数的引力/斥力参数。
需要说明的是，在本申请的实施例中，对于无人机群的构建，采用了一种分布式系统架构。
在步骤S1之前，先构建一个分布式系统，如图3所示，该系统的单元子系统包括通信层、任务决策层、行为规划层和感知执行层。在构建的分布式系统上实现应急临时网络通信。
具体地，各架无人机之间的地位平等，相互之间通过通信层传递各自的飞行状态信息(如飞行速度和位置)以及一致性变量(如障碍物的估计位置)。
步骤S2，通过任务决策层获取通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息。
进一步地，任务决策层利用势函数法进行决策，势函数法为设定无人机和无人机之间在特定距离范围内以及无人机和障碍物周围存在斥力势，若无人机和无人机之间的距离超过特定距离范围，则产生引力势。
分布式系统的任务决策层包括一致性模块和协同模块，一致性模块用于让无人机群中的个体协商，确定特定的一致性变量；协同模块用于通过势函数保证无人机之间引力和斥力的相互平衡。
具体地，任务决策层接受来自通信层的信息输入，对单架无人机的任务和状态进行衡量并进行决策，保证无人机集群的稳定，其核心算法是一种势函数法。算法的原理是假设无人机和无人机间在特定的距离范围内以及无人机和障碍物周围存在斥力势，同时，若无人机和无人机之间的距离超过了特定的范围，则又会产生引力势，这样无人机之间就由这种类似于分子间受力的情况得到一个稳定的集群结构。可以设计一个目标点，对所有的无人机都进行吸引，这样无人机集群就能够稳定在某一位置。对目标点进行设置，就能使得整个无人机集群能够按照设置的目标点进行平移。
步骤S3，通过行为规划层对决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息。
具体地，把任务决策的信息，包括无人机下一时刻的目标状态(如位置、速度等)输入到行为规划层里，通过行为规划层的解算，即可生成可以由飞控系统直接使用的飞行指令信息。
步骤S4，通过感知执行层获取飞行指令信息，根据飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。
具体地，由处于无人机飞控系统的感知执行层接收飞行指令信息，借助无人机系统的传感器感知信息，从而将控制量传输到执行器中，实现对单个无人机的控制。
S5，通过远程的中央控制器与无人机通信，进行协作规划、任务分配及系统监控。
在整个无人机集群的顶端，存在一个远程的中央控制器，这个控制器可以和无人机进行通信，实现如协作规划、任务分配、系统监控的功能。
进一步地，在整个通信中，采用MANET技术，在实际实现时，可以使用带有Ad-hoc功能的无线网卡。MANET技术具有所有的移动终端地位相同、可以快速构建、不需要现有信息基础网络设备的优点，是一个多跳、临时、无中心的网络。由于其在类型上兼具多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络、对等网络的特点，因此可以满足分布式架构的无人机集群对于无人机可以自组织和自由替换的要求。
如图4所示，图4为根据本发明一个实施例的单架无人机安装示意图，1为TP-LINKTL-WN722N无线网卡、2为DJI450无人机套件、3为Pixhawk飞行控制器、4为树莓派微型计算机。其中，TP-LINK TL-WN722N无线网卡1与树莓派微型计算机4通过USB接口相连。Pixhawk飞行控制器3与树莓派微型计算机4通过串口相连。Pixhawk飞行控制器3、树莓派微型计算机4通过机械连接与DJI450无人机套件2相连。
在具体地分布式系统架构中，通信层的实现采用支持Ad-hoc模式的无线网卡TP-LINKTM TL-WN722N，将其插入树莓派微型计算机中并设置为Ad-hoc模式，同时终端设备则使用笔记本电脑，同样插入TL-WN722N无线网卡，并设置为Ad-hoc模式。这样就可以实现无人机之间和无人机与终端之间的ip协议通信。
任务决策层和行为规划层实现中，采用树莓派微型电脑作为硬件，安装UbuntuLinux操作系统，并使用ROS(Robot Operation System，机器人操作系统)中专门用于实现无人机通信协议MAVLINK的开发包MAVORS作为软件开发基础。任务决策层的软件架构包括两层：一致性模块和协同模块。一致性模块用于让整个无人机集群中的个体相互协商，从而确定某个特定的一致性变量，如障碍物的位置。这些一致变量将与邻居无人机的飞行状态，如飞行的速度和位置等信息一道，输入到协同模块中。协同模块使用的是如下的势函数：
Figure BDA0002558470540000051
上述势函数能够保证无人机之间引力和斥力的相互平衡，从而实现集群结构的稳定。在任务决策层中还将对无人机的飞行状态进行监视，如果出现飞行电量不足或者其他故障情况，将会下达返航指令。任务决策层输出的是下一时刻无人机期望的位置、速度以及任务状态也就是协同变量。
行为规划层接受来自任务决策层的输入，使用ROS的飞行轨迹设计功能，求解为了达到期望位置和速度的路径的操作变量。完成行为规划层任务之后，将通过通信层发布无人机当前飞行信息。上述关于任务决策层和行为规划层的流程如图5所示。
感知执行层依赖Pixhawk飞控来实现，来自树莓派的操作变量通过115200bps波特率的串口通信，发送到Pixhawk飞控中。飞控使用PX4飞行固件作为感知和执行的软件，并将飞行模式设置为Offboard。在接收到操作变量之后，飞行固件就会参考从感知部分得到的无人机状态和控制算法，输出控制量到执行器，即四个电机中，从而实现对无人机速度和位置的控制。
根据本发明实施例提出的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；通过任务决策层获取通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；通过行为规划层对决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；通过感知执行层获取飞行指令信息，根据飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。由此，利用无人机实现通信容量高、覆盖范围广并且生存能力强的应急临时网络进行通信。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于无人机集群的应急临时网络通信装置。
图6为根据本发明一个实施例的基于无人机集群的应急临时网络通信装置结构示意图。
如图6所示，该基于无人机集群的应急临时网络通信装置包括：信息传递模块100、决策模块200、生成模块300和控制模块400。
信息传递模块100，用于通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；
决策模块200，用于通过任务决策层获取所述通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；
生成模块300，用于通过行为规划层对所述决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；
控制模块400，通过感知执行层获取所述飞行指令信息，根据所述飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：
远程控制模块，用于通过远程的中央控制器与无人机通信，进行协作规划、任务分配及系统监控。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：构建模块，用于构建分布式控制系统；
分布式控制系统的单元子系统包括：通信层、任务决策层、行为规划层和感知执行层。
需要说明的是，前述对基于无人机集群的应急临时网络通信方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于无人机集群的应急临时网络通信装置，通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；通过任务决策层获取通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；通过行为规划层对决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；通过感知执行层获取飞行指令信息，根据飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。由此，利用无人机实现通信容量高、覆盖范围广并且生存能力强的应急临时网络进行通信。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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 (10)

1.一种基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；
S2，通过任务决策层获取所述通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；
S3，通过行为规划层对所述决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；
S4，通过感知执行层获取所述飞行指令信息，根据所述飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。
2.根据权利要求1所述的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，还包括：
S5，通过远程的中央控制器与无人机通信，进行协作规划、任务分配及系统监控。
3.根据权利要求1所述的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：
S0，构建分布式控制系统；
所述分布式控制系统的单元子系统包括：通信层、任务决策层、行为规划层和感知执行层。
4.根据权利要求3所述的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，所述任务决策层包括一致性模块和协同模块，
所述一致性模块用于让无人机群中的个体协商，确定特定的一致性变量；
所述协同模块用于通过势函数保证无人机之间引力和斥力的相互平衡。
5.根据权利要求1所述的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，在步骤S2中，所述任务决策层利用势函数法进行决策，所述势函数法为设定无人机和无人机之间在特定距离范围内以及无人机和障碍物周围存在斥力势，若无人机和无人机之间的距离超过所述特定距离范围，则产生引力势。
6.根据权利要求1所述的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，所述决策信息包括：
无人机下一时刻的目标状态，所述目标状态包括无人机的位置和速度。
7.根据权利要求1所述的基于无人机集群的应急临时网络通信方法，其特征在于，还包括：
通过任务决策层对无人机的飞行状态进行监视，在无人机出现飞行电量不足或者故障情况时，下达返航指令。
8.一种基于无人机集群的应急临时网络通信装置，其特征在于，包括：
信息传递模块，用于通过通信层传递各架无人机的飞行状态信息和一致性变量，以及广播由中央控制器下达的任务及控制信息；
决策模块，用于通过任务决策层获取所述通信层的信息，根据获取的信息对单架无人机的任务和状态进行衡量和决策，生成决策信息；
生成模块，用于通过行为规划层对所述决策信息进行解算，生成无人机的飞行指令信息；
控制模块，通过感知执行层获取所述飞行指令信息，根据所述飞行指令信息对无人机进行控制，并感知自身飞行状态和障碍物所在位置，通过通信层与其他无人机进行交互。
9.根据权利要求8所述的基于无人机集群的应急临时网络通信装置，其特征在于，还包括：
远程控制模块，用于通过远程的中央控制器与无人机通信，进行协作规划、任务分配及系统监控。
10.根据权利要求8所述的基于无人机集群的应急临时网络通信装置，其特征在于，还包括：构建模块，用于构建分布式控制系统；
所述分布式控制系统的单元子系统包括：通信层、任务决策层、行为规划层和感知执行层。
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