CN113115267B - 多机协同作业方法、多机协同作业装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多机协同作业方法、多机协同作业装置和系统，涉及无人机多机协作技术领域。该多机协同作业方法包括搭载子无人机飞行至预设位置，在预设位置释放子无人机；发射5G信号并进行组网，子无人机在组网范围内执行任务；其中，组网方法包括：发送组网广播信号，记为第一逻辑层；记录子无人机接收到组网广播信号的逻辑ID，记为第二逻辑层；根据逻辑ID生成路由表；根据路由表建立蛛网逻辑拓扑网，以代替通信协议部分层网络；制定蛛网逻辑拓扑网的自动路由协议，完成组网，定义网络覆盖范围。通过组网后，多机通信连接在网络覆盖范围内协同作业，可高效完成复杂任务，在民用救援等方面有着广阔的市场前景。

Description

多机协同作业方法、多机协同作业装置和系统

技术领域

本发明涉及无人机多机协作技术领域，具体而言，涉及一种多机协同作业方法、多机协同作业装置和系统。

背景技术

多无人机协作已成为目前研究的热点领域，多无人机搭载异构设备相互协作完成复杂任务已成为一种趋势。近年，很多地区出现洪涝、地震、山体滑坡和森林大火等自然灾害，严重威胁到人民群众的生命和财产安全。无人机搜救在民用救援方面发挥着重要作用。

传统的多机协作中，大多采用树状结构进行组网，虽然组网稍快，但一旦某个设备出现问题，属于该链路下的所有设备都无法进行正常工作，严重影响执行效率。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种多机协同作业方法、多机协同作业装置和系统，其能够实现多机的快速组网，网络结构稳定，覆盖范围大，多机在组网覆盖范围内协同作业，高效完成复杂任务。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种多机协同作业方法，包括：

搭载子无人机飞行至预设位置，在所述预设位置释放所述子无人机；

发射5G信号并进行组网，所述子无人机在所述组网范围内执行任务；

其中，所述组网方法包括：

发送组网广播信号，记为第一逻辑层；

记录所述子无人机接收到所述组网广播信号的逻辑ID，记为第二逻辑层；

根据所述逻辑ID生成路由表；

根据所述路由表建立蛛网逻辑拓扑网，以代替通信协议部分层网络；

制定所述蛛网逻辑拓扑网的自动路由协议，完成组网，定义网络覆盖范围。

在可选的实施方式中，所述组网方法还包括：

选择所述第一逻辑层或所述第二逻辑层继续扩展蛛网逻辑拓扑网，直至所有节点接入所述蛛网逻辑拓扑网。

在可选的实施方式中，所述组网方法还包括：重复发送组网广播信号，以降低数据误码率。

在可选的实施方式中，所述子无人机在所述蛛网逻辑拓扑网内执行任务的步骤还包括：

所述子无人机进行电量检测，当实际电量达到预警值，所述子无人机返回充电；

其余所述子无人机重新定义所述网络覆盖范围。

在可选的实施方式中，还包括中心平台，所述中心平台搭载5G基站，所述子无人机在所述蛛网逻辑拓扑网内执行任务的步骤还包括：

定义搜索范围，在所述搜索范围内优化各个所述子无人机的飞行路径；

以所述5G基站为主基站，多个所述子无人机通过蛛网算法模式在网状结构区域固定点与所述主基站建立联系；

所述主基站移动时，多个所述子无人机跟随移动，以使得所述网状结构区域范围内均有5G信号覆盖；

所述子无人机搜寻目标信号，并将所述目标信号发送至所述中心平台；所述中心平台获取所述目标信号位置并根据所述目标信号位置生成区域路线图。

在可选的实施方式中，还包括监控所述中心平台的飞行状态，以优化动力分配；其中：

若检测所述中心平台处于起飞阶段，控制燃油发动机提供动力；

若检测所述中心平台处于悬停阶段，控制电机提供动力；

若检测所述中心平台处于水平飞行阶段，控制燃油发动机提供动力。

第二方面，本发明提供一种多机协同作业装置，适用于前述实施方式中任一项所述的多机协同作业方法，所述多机协同作业装置包括中心平台和多个子无人机；

所述中心平台用于搭载所述子无人机飞行至预设位置，并在所述预设位置释放所述子无人机；所述中心平台还用于发射5G信号并与所述子无人机进行组网；

所述子无人机用于在所述组网范围内执行任务。

在可选的实施方式中，所述中心平台设有第一充电端，所述子无人机设有第二充电端，所述子无人机搭载于所述中心平台，所述第一充电端与所述第二充电端连接，所述中心平台对所述子无人机充电。

在可选的实施方式中，所述中心平台包括混合动力模块和机翼，所述混合动力模块包括燃油发动机和电机，所述燃油发动机和所述电机分别与所述机翼连接。

第三方面，本发明提供一种多机协同作业系统，包括控制总台和前述实施方式中任一项所述的多机协同作业装置，所述中心平台与所述控制总台通信连接。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本发明实施例提供的多机协同作业方法，先将子无人机搭载至预设位置，释放子无人机，发射5G信号将多个子无人机进行组网，组网方法采用蛛网算法，能够实现拓扑冗余的效果，并且多个子无人机之间的协同能力更强，网络结构更加稳定，有利于实现多机协同高效作业，以完成复杂任务。

本发明实施例提供的多机协同作业装置，包括中心平台和多个子无人机，中心平台和多个子无人机之间进行快速组网，采用基于5G信号的蛛网算法网络结构，确保多机之间的网络通畅、稳定，信号交互及时、高效，尤其在一些紧急的救援场景中能发挥巨大优势。

本发明实施例提供的多机同作业系统，包括控制总台和上述的多机同作业装置，通过控制总台的指令控制能够更加精确、快速地控制多机，以高效完成复杂的任务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的多机协同作业方法的步骤框图；

图2为本发明实施例提供的多机协同作业方法的组网方法的步骤框图；

图3为本发明实施例提供的多机协同作业装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的多机协同作业装置的动力分配流程示意图；

图5为本发明实施例提供的多机协同作业系统的组成框图。

图标：10-子无人机；20-中心平台；30-控制总台；100-多机协同作业装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

第一实施例

传统方式大多采用树状结构进行组网，虽然组网稍快，但一旦其中某个设备出现故障，属于该链路下的所有设备都不能正常工作，严重影响协同效率。为了克服现有技术的不足，本实施例提供了一种多机协同作业方法，基于蛛网算法进行组网，仿生蛛网构成的网络结构能够实现拓扑冗余的效果，并且设备的协同能力更强。

请参考图1，本实施例提供了一种多机协同作业方法，包括：

S1：搭载子无人机10飞行至预设位置，在预设位置释放子无人机10。可选地，中心平台20接收到控制总台30的任务指令后，控制无人机平台搭载子无人机10飞行出仓，到达救援作业现场。到达预设位置后，根据控制总台30的指令，中心平台20释放子无人机10，子无人机10脱离中心平台20后各自飞行到达指定位置。

S2：发射5G信号并进行组网，子无人机10在组网范围内执行任务。可选地，中心平台20上搭载有5G基站，以5G基站作为主基站发射5G信号，子无人机10上的5G芯片接收5G信号，多个子无人机10与中心平台20建立组网，并且由子无人机10扩大5G信号范围，各个子无人机10在5G信号覆盖的范围内进行搜索任务。本实施例中，中心平台20与子无人机10之间的组网方法主要包括：

请参照图2，中心平台20作为网关，网关节点发送组网广播信号，中心平台20记为第一逻辑层，为中心节点。记录人工控制的子无人机10接收到组网广播信号的逻辑ID，记为第二逻辑层；根据逻辑ID生成路由表。这里的人工控制可以理解为可选择指定的子无人机10进行组网工作及任务。根据路由表建立蛛网逻辑拓扑网，以代替通信协议部分层网络；制定蛛网逻辑拓扑网的自动路由协议，完成组网，定义网络覆盖范围。可选地，实际组网过程中，可重复前面的发送组网广播信号，以降低数据误码率，直到次逻辑层所有节点均接入拓扑网络。需要说明的是，接收到组网广播信号的子无人机10作为第二逻辑层的节点，可以继续随意选择其中一个节点作为下一层逻辑层的中心节点，以继续扩展网络拓扑结构，实现组网。这种基于蛛网算法的组网方式，通过仿生蛛网构成的网络结构能够实现拓扑冗余的效果，并且设备的协同能力更强。

可选地，子无人机10在蛛网逻辑拓扑网内执行任务的步骤还包括：

子无人机10进行电量检测，当实际电量达到预警值，比如实际电量低于10％，当然，该剩余电量的预警值可以根据实际情况灵活设定，这里不作具体限定。当实际电量达到预警值，子无人机10返回充电。可以理解，子无人机10返回至中心平台20，实现中心平台20对子无人机10进行无线充电。可选地，中心平台20设有第一充电端，子无人机10设有第二充电端，子无人机10返回至中心平台20，第一充电端与第二充电端连接，中心平台20对子无人机10充电，充电方式包括但不限于触点连通充电或无线充电。当有子无人机10返回充电的情况下，原来组网的网络覆盖范围会有所变化，其余子无人机10将重新定义网络覆盖范围。当子无人机10充电完成，再次脱离中心平台20，重新回到信号覆盖范围内进行工作，并进一步扩大5G信号覆盖范围。

子无人机10在蛛网逻辑拓扑网内执行任务的过程中，子无人机10上设有航拍相机，通过航拍相机拍摄实地环境，将实地环境的图文信号传递至中心平台20，通过中心平台20返回图文形信息到控制总台30，操作人员可在地面的控制总台30进行查看。控制总台30根据实际接收的图文形信息制定搜索策略，控制子无人机10进行搜索任务，定义搜索范围，子无人机10在搜索范围内移动，通过信号搜索装置搜寻目标信号。可以理解，控制总台30可以直接向各个子无人机10发送控制指令，也可以向中心平台20发送控制指令，中心平台20再将控制指令分发至各子无人机10，这里不作具体限定。

可选的，控制总台30定义搜索范围后，还可以在搜索范围内优化各个子无人机10的飞行路径，以优化搜索策略。此外，子无人机10电量不足时，控制总台30也可以为子无人机10制定出返回中心平台20的最优路径。当然，在其它的可选实施方式中，子无人机10搜寻目标信号，并将目标信号发送至中心平台20；中心平台20获取目标信号位置并根据目标信号位置生成区域路线图。

本实施例中，以中心平台20上的5G基站为主基站，多个子无人机10通过蛛网算法模式在网状结构区域固定点与主基站建立联系；当主基站移动时，多个子无人机10跟随移动，以使得网状结构区域范围内均有5G信号覆盖，确保网络结构的稳定性，以使数据传达、信号交互等及时、畅通。

可选地，该多机协同作业方法还包括监控中心平台20的飞行状态，以优化动力分配。若检测中心平台20处于起飞阶段，控制燃油发动机提供动力；若检测中心平台20处于悬停阶段，控制电机提供动力；若检测中心平台20处于水平飞行阶段，控制燃油发动机提供动力。根据不同的飞行状态，采用不同的动力供给方式，能够实现动力的最优分配，以降低能耗，节约能源，延长中心平台20和子无人机10的作业时间，提高作业效率。

本实施例提供的多机协同作业方法，当中心平台20搭载子无人机10一起进入森林、山地等救援区域中，中心平台20收到外界指令(如控制总台30发出的指令)到达指定场所后，整体装置即中心平台20和多个子无人机10使用5G LET通信技术，快速高效实时地进行中心平台20和子无人机10的快速组网，优化算法，主要运用于中心平台20和子无人机10之间进行蛛网分布和蛛网链接，中心平台20激活并释放子无人机10，并将二级指令下放至各子无人机10，使多个子无人机10按照蛛网状进行散布，中心平台20搭载5G基站，作为整个无人机群组(包括中心平台20和子无人机10)的中心放射基站，即主基站，多个子无人机10作为无人机组网的外部覆盖连线，通过蛛网算法模式在网状结构区域固定点与主基站建立联系，在主基站移动时进行跟随移动使得网状结构区域范围内均有信号覆盖。多个子无人机10组分散至各指定位置，同时与中心平台20使用5G频段交流组网。无人机群组的组网完成对区域进行5G信号覆盖及信号捕捉，无人机群组中的信号发射器与信号接受器进行快速全时段的信号处理分析，得出信号源位置信息，生成区域路线图并实时将数据反馈到控制总台30。

当有子无人机10电量不足时，可返回至中心平台20，中心平台20能够及时为子无人机10充电，以补充子无人机10的电量，延长子无人机10的工作时长，提高作业效率。有一个或多个子无人机10退出或重新返回网络覆盖范围时，中心平台20与子无人机10之间建立的蛛网联系会实时变化，以确保所有子无人机10均在5G信号网络覆盖范围内工作。该多机协同作业方法通过建立基于蛛网算法的组网方式，网络结构更加稳定，组网迅速，能保持多个子无人机10之间、以及子无人机10与中心平台20之间信号交互的及时性和有效性。

第二实施例

请参考图3，本发明实施例还提供一种多机协同作业装置100，包括中心平台20和多个子无人机10。中心平台20用于搭载子无人机10飞行至预设位置，并在预设位置释放子无人机10；中心平台20还用于发射5G信号并与子无人机10进行组网；子无人机10用于在组网范围内执行任务。可选地，中心平台20与多个子无人机10之间的组网基于5G信号的蛛网算法，构件的网络结构更加稳定，覆盖范围更广。并且，基于蛛网算法进行组网，仿生蛛网构成的网络结构能够实现拓扑冗余的效果，并且设备的协同能力更强。

可选地，中心平台20设有第一充电端，子无人机10设有第二充电端，子无人机10搭载于中心平台20，第一充电端与第二充电端连接，中心平台20对子无人机10充电。充电方式包括但不限于触点连通充电或无线充电，本实施例中，中心平台20与子无人机10之间采用无线充电方式。无线充电模块属于现有技术，这里不对无线充电原理进行介绍。

中心平台20包括混合动力模块和机翼，混合动力模块包括燃油发动机和电机，燃油发动机和电机分别与机翼连接。可选地，燃油发动机包括四冲程活塞机，四冲程活塞机与机翼连接，利用四冲程活塞机驱动机翼转动，实现中心平台20的飞行。电机通过传动轴带动机翼转动，实现中心平台20的飞行。

可选地，请参考图4，若中心平台20处于起飞状态，燃油发动机启动，提供主要动力源。若中心平台20处于垂直起飞状态，燃油发动机采用低功率运行，电机提供主要动力源。若中心平台20处于悬停状态，燃油发动机关闭，电机提供动力。若中心平台20处于水平飞行状态，燃油发动机提供主要动力源，电机采用低功率运行。若中心平台20需要长距离飞行，燃油发动机处于半功率运转，电机处于半功率运转；若中心平台20需要短距离飞行，燃油发动机提供动力，电机关闭。当中心平台20需要搭载多个子无人机10整体移动时，燃油发动机工作，电机停止。需要说明的是，当燃油发动机工作中有剩余能量溢出，可通过带动发电机转动实现发电，将发电机输出的电能储存到锂电池中，实现存储电能以备用，锂电池可直接驱动电机转动，或为子无人机10充电。通过在中心平台20不同的飞行状态下，进行动力的优化分配，以此达到节约能量，增大无人机续航时间的目的。

请参考图5，本发明实施例还提供一种多机协同作业系统，包括控制总台30和前述实施方式中任一项的多机协同作业装置100，子无人机10与中心平台20通信连接，中心平台20与控制总台30通信连接。可选地，控制总台30可以直接向中心平台20发送控制指令，也可以直接向各个子无人机10发送控制指令，或者对中心平台20以及子无人机10进行远程遥控。

本实施例中未提及的其它部分内容，与第一实施例中描述的内容相似，这里不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供了一种多机协同作业方法、多机协同作业装置100和系统，具有以下几个方面的有益效果：

本发明实施例提供的多机协同作业方法，可用于紧急快速救援装置上，采用蛛网算法快速组网，利用子无人机10和中心平台20的三维飞行能力，采用优化方法规划路径，能够使其在救援任务中比地面车辆以更短的时间到达救援区域，提高救援效率。针对真实的地理环境进行航线规划，制定搜救策略，以高效完成复杂的搜救工作。中心平台20搭载多个子无人机10，中心平台20为5G基站暨小型空中充电站，以增加空中续航时间，通过无人机群组在空中组网对一定区域内实行5G信号覆盖和信号捕捉处理反馈，为特殊地形、信号薄弱区等搜救服务提供有力帮助，在民用救援方面有着广阔的市场前景。

本发明实施例提供的多机协同作业装置100和系统，充分利用无人机群组的优势，在洪涝、地震、山体滑坡和森林大火等突发情况出现时，能及时控制无人机群组，覆盖组成5G信号网络覆盖，利用子无人机10体积小、灵活、易部署等优势，多机协作完成复杂任务，具有续航时间长、组网范围广、信号稳定、安全可靠的特点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多机协同作业方法，其特征在于，包括：

中心平台搭载子无人机飞行至预设位置，在所述预设位置释放所述子无人机；其中，所述中心平台搭载5G基站；所述中心平台设有第一充电端，所述子无人机设有第二充电端，所述子无人机搭载于所述中心平台，所述第一充电端与所述第二充电端连接，所述中心平台对所述子无人机充电；

所述中心平台包括混合动力模块和机翼，所述混合动力模块包括燃油发动机和电机，所述燃油发动机和所述电机分别与所述机翼连接；监控所述中心平台的飞行状态，以优化动力分配：

若中心平台处于垂直起飞状态，燃油发动机采用低功率运行，电机提供主要动力源；若中心平台处于悬停状态，燃油发动机关闭，电机提供动力；若中心平台处于水平飞行状态，燃油发动机提供主要动力源，电机采用低功率运行；若中心平台需要长距离飞行，燃油发动机处于半功率运转，电机处于半功率运转；若中心平台需要短距离飞行，燃油发动机提供动力，电机关闭；当中心平台需要搭载多个子无人机整体移动时，燃油发动机工作，电机停止；当燃油发动机工作中有剩余能量溢出，则通过带动发电机转动实现发电，将发电机输出的电能储存到锂电池中，实现存储电能以备用，锂电池用于直接驱动电机转动，或为子无人机充电；

所述5G基站发射5G信号并进行组网，所述子无人机在所述组网范围内执行任务；

其中，所述组网方法包括：

所述中心平台发送组网广播信号，记为第一逻辑层；

记录所述子无人机接收到所述组网广播信号的逻辑ID，记为第二逻辑层；

将所述第二逻辑层中的任一节点作为下一层逻辑层的中心节点，继续扩展网络拓扑结构；选择所述第一逻辑层或所述第二逻辑层继续扩展蛛网逻辑拓扑网，直至所有节点接入所述蛛网逻辑拓扑网；

根据所述逻辑ID生成路由表；

根据所述路由表建立蛛网逻辑拓扑网，以代替通信协议部分层网络；

制定所述蛛网逻辑拓扑网的自动路由协议，完成组网，定义网络覆盖范围；

若有一个或多个子无人机退出或重新返回网络覆盖范围时，中心平台与子无人机之间建立的蛛网联系会实时变化，以确保所有子无人机均在5G信号网络覆盖范围内工作；当有子无人机返回充电的情况下，原来组网的网络覆盖范围会有所变化，其余子无人机将重新定义网络覆盖范围；当子无人机充电完成，再次脱离中心平台，重新回到信号覆盖范围内进行工作，并进一步扩大5G信号覆盖范围；

所述子无人机在所述蛛网逻辑拓扑网内执行任务的步骤还包括：

定义搜索范围，在所述搜索范围内优化各个所述子无人机的飞行路径；其中，通过航拍相机拍摄实地环境，将实地环境的图文信号传递至中心平台，通过中心平台返回图文形信息到控制总台，控制总台根据实际接收的图文形信息制定搜索策略，控制子无人机进行搜索任务，定义搜索范围，子无人机在搜索范围内移动，通过信号搜索装置搜寻目标信号；

以所述5G基站为主基站，多个所述子无人机通过蛛网算法模式在网状结构区域固定点与所述主基站建立联系；

所述主基站移动时，多个所述子无人机跟随移动，以使得所述网状结构区域范围内均有5G信号覆盖；

所述子无人机搜寻目标信号，并将所述目标信号发送至所述中心平台；所述中心平台获取所述目标信号位置并根据所述目标信号位置生成区域路线图；控制总台直接向各个子无人机发送控制指令，或者，控制总台向中心平台发送控制指令，中心平台再将控制指令分发至各子无人机。

2.根据权利要求1所述的多机协同作业方法，其特征在于，所述组网方法还包括：重复发送组网广播信号，以降低数据误码率。

3.根据权利要求1所述的多机协同作业方法，其特征在于，所述子无人机在所述蛛网逻辑拓扑网内执行任务的步骤还包括：

所述子无人机进行电量检测，当实际电量达到预警值，所述子无人机返回充电；

其余所述子无人机重新定义所述网络覆盖范围。

4.一种多机协同作业装置，其特征在于，适用于权利要求1至3中任一项所述的多机协同作业方法，所述多机协同作业装置包括中心平台和多个子无人机；

所述中心平台用于搭载所述子无人机飞行至预设位置，并在所述预设位置释放所述子无人机；所述中心平台还用于发射5G信号并与所述子无人机进行组网；

所述子无人机用于在所述组网范围内执行任务。

5.一种多机协同作业系统，其特征在于，包括控制总台和权利要求4所述的多机协同作业装置，所述中心平台与所述控制总台通信连接。

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