CN113190035B - 基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法及系统，所述方法包括：多个子编队的地面站之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；每个子编队中的地面站与该地面站所属子编队的多个无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构；所述多个子编队的地面站中的第一地面站创建主编队任务，其余地面站加入所述主编队任务，所述第一地面站设定所述多个子编队的所有无人机的主编队任务数据并将所述主编队任务数据发送给所述其余地面站。本发明可以减小单台地面站的运算负担，每台地面站所控制的无人机形成一个子编队，实现了多台地面站联合控制多架无人机子编队。

Description

基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，特别涉及一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法及系统。

背景技术

无人机具有体积小、重量轻、机动性高、隐蔽性强、造价低和无人员伤亡等特点，在商业领域以及军事领域都有着非常广阔的应用前景。随着无人机应用的不断扩张、使用要求的不断提高，一次仅使用一架无人机在载荷、续航上难以符合要求，而同时使用多架无人机组建无人机编队则可以有效的解决载荷、续航的问题并具备诸多优点。

无人机编队是指两架及两架以上无人机分工、协同共同完成飞行任务的一种方式。传统无人机编队的控制方法采用一套地面站设备控制多组无人机，因此地面站的数据处理压力较大，易产生数据处理阻塞的现象，甚至产生同一编队下无人机相撞、坠机事件发生。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法及系统，可以实现多台地面站联合控制多个无人机子编队，减小了单台地面站的运算负担。

具体而言，包括以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法，所述无人机编队包括多个子编队，每个子编队包括一台地面站和由所述地面站控制的多架无人机，所述方法包括：

所述多个子编队的地面站之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；

每个子编队中的地面站与该地面站所属子编队的多个无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构；

所述多个子编队的地面站中的第一地面站创建主编队任务，其余地面站加入所述主编队任务，所述第一地面站设定所述多个子编队的所有无人机的主编队任务数据并将所述主编队任务数据发送给所述其余地面站。

可选地，所述多个子编队的地面站之间建立通信连接，包括：

将所述多个子编队的地面站连接到同一台交换机上。

可选地，所述其余地面站加入所述主编队任务之后，还包括：

基于所述第一地面站的时间，校准所述其余地面站的时间。

可选地，所述主编队任务数据包括所述多个子编队的所有无人机的任务航线、起始点的位置、任务航点的位置、飞行高度、飞行速度、最大速度、最大加速度、每个航点停留时间、载荷执行任务点、同步或异步执行任务、每个子编队中的无人机之间的最小控制距离和相邻子编队的无人机之间的最小控制距离。

可选地，所述的方法还包括：

在所述多个子编队之间设置动态电子围栏。

可选地，所述多个子编队的地面站之间通过UDP协议相互访问。

第二方面，本发明实施例提供一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制系统，所述系统用于执行所述的方法，所述系统包括多台地面站和由每台地面站控制的多架无人机。

可选地，所述地面站包括处理器、存储器、电源管理模块和数据传输模块。

可选地，所述无人机包括飞控单元和数据传输模块，所述飞控单元包括控制与导航模块、传感器模块和任务与编队模块。

可选地，所述多台地面站之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；每台地面站与其所控制的多个无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本发明通过使多台地面站建立通信连接而形成网状拓扑结构，每台地面站控制多架无人机而形成树状拓扑结构，这种混合结构可以减小单台地面站的运算负担，每台地面站所控制的无人机形成一个子编队，每台地面站可以对其控制的无人机规划航线、发送控制指令，多台地面站之间可以交互信息，实现多台地面站联合控制多架无人机子编队。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为根据本发明实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法的流程图。

图2为根据本发明另一实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法的流程图。

图3为根据本发明实施例的无人机编队的示意图。

图4示出了基于PID算法的无人机的控制框图。

图5和图6为根据本发明实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制系统的结构框图。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为根据本发明实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法，无人机编队包括多个子编队，每个子编队包括一台地面站和由地面站控制的多架无人机，所述方法包括：

步骤S101：多个子编队的地面站之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；

其中，可选地，可以将多个子编队的地面站连接到同一台交换机，使多台地面站之间建立通信连接，多台地面站之间可以通过交换机互相访问。

可选地，多台地面站之间可以采用UDP协议相互访问。

多台地面站之间的相互访问使多台地面站形成网状拓扑结构。

步骤S102：每个子编队中的地面站与该地面站所属子编队的多个无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构；

地面站获取其所属子编队的目标无人机的位置信息和速度信息，接收同一子编队下相邻无人机发送的相对位置信息，获取地面惯性坐标系下的目标无人机所属子编队的位置信息和速度信息。

根据目标无人机的位置信息和速度信息，以及目标无人机所属子编队的位置信息和速度信息计算出目标无人机的期望加速度，用期望加速度调整目标无人机达到目标位置和目标速度。通过目标无人机子编队的位置信息和速度信息，以及目标无人机相邻无人机的相对位置和相对速度信息，调整目标无人机的加速度。

子编队地面站根据其编队中所有无人机位置计算出一个三维区域，并将其实时发送给所有其他子编队，作为其他子编队的动态电子围栏，保证子编队间互不侵入。

步骤S103：多个子编队的地面站中的第一地面站创建主编队任务，其余地面站加入主编队任务，第一地面站设定多个子编队的所有无人机的主编队任务数据并将主编队任务数据发送给其余地面站。

其中，可选地，其余地面站加入主编队任务之后，还包括：基于第一地面站的时间，校准其余地面站的时间。

其中，可选地，主编队任务数据包括多个子编队的所有无人机的任务航线、起始点的位置、任务航点的位置、飞行高度、飞行速度、最大速度、最大加速度、每个航点停留时间、载荷执行任务点、同步或异步执行任务、每个子编队中的无人机之间的最小控制距离和相邻子编队的无人机之间的最小控制距离。

其中，每台地面站都可以建立主编队，控制其他子编队的地面站通过交换机建立的局域网络加入主编队。

本发明通过使多台地面站建立通信连接而形成网状拓扑结构，每台地面站控制多架无人机而形成树状拓扑结构，这种混合结构可以减小单台地面站的运算负担，每台地面站所控制的无人机形成一个子编队，每台地面站可以对其控制的无人机规划航线、发送控制指令，多台地面站之间可以交互信息，实现多台地面站联合控制多架无人机子编队。

图2为根据本发明另一实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法的流程图。

如图2所示，根据本发明另一实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法，无人机编队包括四个子编队，每个子编队包括一台地面站和由地面站控制的三架无人机，所述方法包括：

步骤S201：四台地面站之间通过交换机建立通信连接，以形成网状拓扑结构；

步骤S202：每个子编队中的地面站与该地面站所属子编队的三架无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构；

步骤S203：四个子编队的地面站中的第一地面站创建主编队任务，其余地面站加入主编队任务，第一地面站设定四个子编队的所有无人机的主编队任务数据并将主编队任务数据发送给其余地面站。

如图3所示，创建主编队任务的第一地面站编号为C01，其余三台地面站的编号为C02、C03、C04，第一地面站C01所控制的子编队编号为01,所包括的三架无人机的编号为H01-001、H01-002、H01-003，第二地面站C02控制子编队编号为02，所包括的三架无人机的编号为H02-001、H02-002、H02-003，第三地面站C03所控制的子编队03，所包括的无人机的编号为H03-001、H03-002、H03-003，第四地面站C04所控制的子编队编号为04，所包括的无人机的编号为H04-001、H04-002、H04-004。

第二地面站C02、第三地面站C03和第四地面站C04加入主编队后，按照第一地面站C01的时间校准第二地面站C02、第三地面站C03和第四地面站C04的时间。

第一地面站C01可规划所有子编队中无人机的任务航线以及任务参数，包括起始点的位置、任务航点的位置和高度、飞行速度、每个航点停留时间、载荷执行任务点、同步或异步执行任务以及子编队中无人机间最小控制距离和不同子编队的无人机之间的最小控制距离等参数。

第一地面站C01规划好任务后，将保存的任务提交到其自身的主任务中，并发送到其他已加入主编队的第二地面站C02、第三地面站C03、第四地面站C04的主任务中。如果提交到主任务中的航线与已提交的任务距离小于编队间最小控制距离，那么系统拒绝该任务，并提示用户任务提交失败及失败原因。每个子编队地面站的任务提交成功后，主任务建立成功。

地面站可以将无人机参数上传到无人机的存储设备中，包括子编队中每架无人机的最大速度、最大加速度、控制参数(增益、积分、微分参数)等。

确认好每架无人机的控制参数后，地面站可将提交成功的子任务中多个飞行任务分配并上传给连接到该地面站的无人机。

可设置同步或异步执行，如果主任务设置为同步执行，各子编队中无人机依次启动，到达各自的任务起始点后向地面站发出Ready信号，地面站接收到所有无人机的Ready信号后向其他地面站发送Ready信号，地面站收到所有地面站的Ready信号后，向所有其控制下无人机发出执行任务Excute命令，主编队下所有无人机同时开始执行任务。

如果主任务设置为异步执行，子任务可设置为同步执行或异步执行，如果子任务设置为同步执行，各子编队中无人机到达各自的任务起始点后向地面站发出Ready信号，地面站接收到所有无人机的Ready信号后向所有无人机发出执行任务Excute命令，即开始执行子编队任务，而不需要等待其他地面站的Ready信号。

如果主任务设置为异步执行，子任务也设置为异步执行，主编队下所有无人机不会等待执行任务Excute命令，直接执行地面站分配并上传到该无人机的任务。

任务执行过程中，无人机根据自身的实时动态测量(RTK,Real-Time Kinematic)设备与超声波传感器融合位置信息，并上传给地面站。

无人机根据已上传的任务和融合位置计算期望加速度，并根据期望加速度是否超过设定的无人机最大加速度参数以及无人机当前速度是否超过最大速度参数，来调整期望速度。

无人机的控制采用改进的PID算法，理想的PID控制规律PID：

采用不完全微分PID控制算法，使用带惯性的微分环节来克服常规PID在信号突变时，可能产生的微分项输出控制量过大的情况，防止微分项陡增引起的震荡。图4示出了基于PID算法的无人机的控制框图。

图5和图6为根据本发明实施例的基于混合型拓扑结构的无人机编队控制系统的结构框图。

如图5和图6所示，本发明实施例提供一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制系统，该系统用于执行图1所示的方法，该系统包括多台地面站10(本例中为三台地面站)和由每台地面站控制的多架无人机20(本例中为三架无人机)。

其中，三台地面站10之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；每台地面站10与其所控制的三架无人机20之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构。

地面站10包括处理器、存储器、电源管理模块和数据传输模块。

无人机包括飞控单元和数据传输模块，飞控单元包括控制与导航模块、传感器模块和任务与编队模块。

传感器模块包括惯性导航模块、磁罗盘模块、气压计模块、GNSS模块等，用于获取飞机的状态数据；控制与导航模块负责基于传感器数据解算飞机状态，并完成无人机的姿态、位置控制，实现无人机的稳定飞行及位置姿态控制；任务与编队模块负责根据数据传输模块接收的数据计算无人机的位置与姿态控制指令。数据传输模块分组使用，每组数据传输模块中，同一组内的数据传输模块可工作在组网通讯模式(如图5所示)，也可工作在点对点通讯模式(如图6所示)。无论工作在哪种模式下，同一组中每架无人机均可获得其他同组无人机状态信息，地面站也可获得同一组中所有无人机信息。组网模式下，可直接通过数据传输获得其他无人机信息；点对点通讯模式下，可通过地面站转发获得其他无人机信息。

执行编队飞行任务时，基于任务需求、无人机空间位置、地面站能力、通信链路能力等将无人机分为m组，每个分组内有n架无人机和1台地面站，每个分组内的无人机与地面站使用同一组无线链路，各个地面站间可以通过有线链路连接。

根据图5和图6所示的系统可以基于以下示例性的步骤来进行编队任务，包括：

获取主编队任务需求；

基于任务需求、无人机空间位置、地面站能力、通信链路能力等将无人机分为3组，每个分组内有3架无人机和1台地面站；

在地面站上使用地面站软件进行编队任务规划，确定每架飞机的飞行航线或编队飞行航线；

将规划结果分发到每个地面站；

各个地面站分别向地面站所在组(子编队)的无人机上传任务；

确认任务上传成功；

各个地面站间进行时间同步；

各个分组中，无人机同步到地面站时间；

确定编队任务开始时间；

无人机升空待命；

下达编队任务开始指令；

各无人机按照编队任务飞行，并通过上述无线与有线链路交换数据；

完成任务后无人机自主返航或地面站发送返航指令。

本发明通过使多台地面站建立通信连接而形成网状拓扑结构，每台地面站控制多架无人机而形成树状拓扑结构，这种混合结构可以减小单台地面站的运算负担，每台地面站所控制的无人机形成一个子编队，每台地面站可以对其控制的无人机规划航线、发送控制指令，多台地面站之间可以交互信息，实现多台地面站联合控制多架无人机子编队。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域的普通技术人员所理解的意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

本领域技术人员在考虑说明书并且实践这里所公开的本发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制方法，其特征在于，所述无人机编队包括多个子编队，每个子编队包括一台地面站和由所述地面站控制的多架无人机，所述方法包括：

所述多个子编队的地面站之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；

每个子编队中的地面站与该地面站所属子编队的多个无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构；

所述多个子编队的地面站中的第一地面站创建主编队任务，其余地面站加入所述主编队任务，所述第一地面站设定所述多个子编队的所有无人机的主编队任务数据并将所述主编队任务数据发送给所述其余地面站；

其中，所述第一地面站在所述主编队任务数据中分别对所述主编队任务和多个子编队任务进行同步或异步执行设置，若所述主编队任务为同步执行，则所述多个子编队的每个无人机到达该无人机的起始点后，向该无人机所属地面站发送Ready信号，当一子编队中的地面站接收到该地面站所属子编队的所有无人机的Ready信号时，向所述第一地面站发送Ready信号，以及当所述第一地面站收到所有地面站的Ready信号时，向所述多个子编队的所有无人机发出执行任务Excute命令；

若所述主编队任务为异步执行，所述子编队任务为同步执行，则所述子编队任务对应的子编队的每个无人机到达该无人机的起始点后，向该子编队中的地面站发送Ready信号，当该子编队中的地面站接收到该子编队的所有无人机的Ready信号时，向该子编队的所有无人机发出执行任务Excute命令；

若所述主编队任务和所述子编队任务均为异步执行，则所述多个子编队的每个无人机直接执行该无人机的任务。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个子编队的地面站之间建立通信连接，包括：

将所述多个子编队的地面站连接到同一台交换机上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其余地面站加入所述主编队任务之后，还包括：

基于所述第一地面站的时间，校准所述其余地面站的时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主编队任务数据包括所述多个子编队的所有无人机的任务航线、起始点的位置、任务航点的位置、飞行高度、飞行速度、最大速度、最大加速度、每个航点停留时间、载荷执行任务点、同步或异步执行任务、每个子编队中的无人机之间的最小控制距离和相邻子编队的无人机之间的最小控制距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述多个子编队之间设置动态电子围栏。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个子编队的地面站之间通过UDP协议相互访问。

7.一种基于混合型拓扑结构的无人机编队控制系统，其特征在于，所述系统用于执行根据权利要求1-6中任一项所述的方法，所述系统包括多台地面站和由每台地面站控制的多架无人机。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述地面站包括处理器、存储器、电源管理模块和数据传输模块。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述无人机包括飞控单元和数据传输模块，所述飞控单元包括控制与导航模块、传感器模块和任务与编队模块。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多台地面站之间建立通信连接，以形成网状拓扑结构；每台地面站与其所控制的多个无人机之间无线通信连接，以形成树状拓扑结构。