CN113359854A - 一种多无人机协同作业调度方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多无人机协同作业调度方法、系统及存储介质，其中方法包括：为各没有任务执行的无人机分派阶段任务，使同一组内的所有无人机的降落时间相互错开；根据阶段任务为对应的无人机规划阶段飞行路径，其中，阶段飞行路径的终点为无人机的落点；控制各无人机循着对应的阶段飞行路径飞行以执行作业；控制换电池机器人运动至各无人机的落点并为该落点对应的无人机进行电池更换服务。本发明通过通过将各无人机的降落时间相互错开，使换电池机器人可按序运动至各无人机的降落点为各无人机提供换电池服务，可减少无人机的空跑时间，使得无人机的电池电量可充分被应用于执行任务，且各阶段任务之间的间隔时间少，可提升无人机执行任务的效率。
Description
技术领域
本发明涉及无人机的调度技术领域，特别是涉及一种多无人机协同作业调度方法、系统及存储介质。
背景技术
多旋翼无人机由于其飞行稳定、操控方便的特征被广泛应用，受限于无人机的载重，无人机只能携带较小的电池飞行，每次无人机执行任务的时间较短，一般无人机单次执行任务的时间只能达到20-30分钟，因此无人机需要频繁返航并由人工更换电池，无人机返航换电池后回到上次任务终点还需要消耗电量与时间，导致无人机执行任务的连续性较差，在需要进行大区域的作业(如大范围巡逻、农业喷药等)时，需要调动很多无人机同时执行任务，无人机频繁返航换电池也势必造成人工的工作量增加。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够提升无人机的作业连续性且无需依赖人工的多无人机协同作业调度方法、系统及存储介质。
技术方案：为实现上述目的，本发明的多无人机协同作业调度方法，其包括：
为各没有任务执行的无人机分派阶段任务，使同一组内的所有所述无人机的降落时间相互错开；
根据所述阶段任务为对应的无人机规划阶段飞行路径，其中，所述阶段飞行路径的终点为所述无人机的落点；
控制各所述无人机循着对应的阶段飞行路径飞行以执行作业；
控制换电池机器人运动至各所述无人机的落点并为该落点对应的所述无人机进行电池更换服务。
进一步地，所述为各没有任务执行的无人机分派阶段任务，并使同一组内的所有所述无人机的降落时间相互错开包括：
根据所述无人机单次飞行的预期时间区间计算所述无人机的预测降落时间区间；
获取时间轴上第一设定时段内同一组内其他所述无人机的降落时间，并据此确定若干备选时间区间或备选时间点；
从所述备选时间区间或备选时间点与所述预测降落时间区间的交集内选取最终降落时间点；
根据所述最终降落时间点反推所述无人机的目标飞行时长，并据此生成对应于所述无人机的飞行任务。
进一步地，所述获取时间轴上同一组内其他所述无人机的降落时间，并据此确定若干备选时间区间包括：
针对各所述降落时间生成规避时间区间，所述规避时间为所述降落时间之前及之后设定时间两个时间点之间的区间；
将所有所述规避时间区间从所述时间轴上的第一设定时段内剔除；
获取所述第一设定时段内所有剩余的时间区间或时间点作为备选时间区间或备选时间点。
进一步地，所述根据所述阶段任务为对应的无人机规划阶段飞行路径包括：
获取所述无人机的任务区域；
根据所述阶段任务在所述任务区域中的未执行区域内对所述无人机的飞行路径进行规划，生成阶段飞行路径。
进一步地，所述控制换电池机器人运动至各所述无人机的落点并为该落点对应的所述无人机进行电池更换服务包括：
控制所述换电池机器人运动至一落点所在位置；
控制该落点对应的所述无人机降落至所述换电池机器人上并与所述换电池机器人对接；
控制所述换电池机器人取下所述无人机上的旧电池，并为所述无人机换上新的电池。
一种多无人机协同作业调度系统，其包括：
多个无人机，每个所述无人机对应于一块任务区域，且任意两个所述无人机的任务区域没有交集；
若干换电池机器人，每个所述换电池机器人负责一组所述无人机的换电池任务，每个所述换电池机器人可在其所负责的所有所述无人机的任务区域内运动；以及
调度中心，其能够与所有所述无人机以及所有所述换电池机器人通信，并执行上述的多无人机协同作业调度方法。
一种存储介质，其内存储有可执行程序，所述可执行程序被控制器执行时能够实现上述的多无人机协同作业调度方法。
有益效果：本发明的多无人机协同作业调度方法、系统及存储介质通过设置换电池机器人，并通过将各无人机的降落时间相互错开，使换电池机器人可按序运动至各无人机的降落点，并为各无人机提供换电池服务，可减少无人机的空跑时间，使得无人机的电池电量可充分被应用于执行任务，且各阶段任务之间的间隔时间少，可提升无人机执行任务的效率。
附图说明
附图1为多无人机协同作业调度系统的系统构成图；
附图2为多无人机协同作业调度方法的流程示意图；
附图3为无人机定位装置的正视图；
附图4为无人机定位装置的侧视图；
附图5为无人机定位装置的立体图；
附图6为无人机与无人机定位装置对接后的状态图；
附图7为换电池机构的结构图；
附图8为电池充电座与升降驱动组件的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明之多无人机协同作业调度方法基于如附图1所示的多无人机协同作业调度系统，调度系统包括多个无人机a、若干换电池机器人b以及调度中心；每个所述无人机a对应于一块任务区域，且任意两个所述无人机a的任务区域没有交集。无人机a可在其任务区域内执行巡逻、农业施药等任务。
换电池机器人b可以有多个，每个换电池机器人b负责一组无人机a的换电池任务，每组无人机a均包括多个无人机a。换电池机器人b可在其所负责的所有所述无人机a的任务区域内运动；
调度中心能够与所有所述无人机a以及所有所述换电池机器人b通信，并执行本发明之多无人机协同作业调度方法。
如附图2所示，本发明之多无人机协同作业调度方法包括如下步骤S101-S104：
步骤S101，为各没有任务执行的无人机a分派阶段任务，使同一组内的所有所述无人机a的降落时间相互错开；
步骤S102，根据所述阶段任务为对应的无人机a规划阶段飞行路径，其中，所述阶段飞行路径的终点为所述无人机a的落点；
步骤S103，控制各所述无人机a循着对应的阶段飞行路径飞行以执行作业；
步骤S104，控制换电池机器人b运动至各所述无人机a的落点并为该落点对应的所述无人机a进行电池更换服务。
上述步骤S101-S104中，调度中心每次为无人机a分配一段时间的阶段任务，阶段任务执行完成后，无人机a降落更换电池，然后调度中心再为无人机a分派下一阶段的阶段任务，如此循环往复，每次阶段任务的执行时间以无人机a的电量可支撑其飞行的时间确定。由于各无人机a的降落时间相互错开，换电池机器人b可按序运动至各无人机a的降落点，并为各无人机a提供换电池服务，如此可减少无人机a的空跑时间，使得无人机a的电池电量可充分被应用于执行任务，且各阶段任务之间的间隔时间少，可提升无人机a执行任务的效率。
优选地，上述步骤S101中使同一组内的所有所述无人机a的降落时间相互错开时，使得各相邻间隔时间之间的时间间隔不少于预设时间间隔，如此，上述步骤S104中，换电池机器人b能够不晚于各无人机a到达各无人机a对应的降落点。
优选地，上述步骤S101中，所述为各没有任务执行的无人机a分派阶段任务，并使同一组内的所有所述无人机a的降落时间相互错开包括如下步骤S201-S204：
步骤S201，根据所述无人机a单次飞行的预期时间区间计算所述无人机a的预测降落时间区间；
本步骤中，预期时间区间以预设的要求无人机a飞行的最短飞行时间与单个电池能够支撑无人机a飞行的最长时间分别作为预期时间区间的两个区间端点。其中，最长时间稍短于电池实际能够支撑无人机a飞行的时长。
步骤S202，获取时间轴上第一设定时段内同一组内其他所述无人机a的降落时间，并据此确定若干备选时间区间或备选时间点；
本步骤中，第一设定时段为由当前时间开始到一轮大循环完成的预计时间点之间的时段，大循环是指换电池机器人b完成其负责的所有无人机a的一轮换电池任务。
步骤S203，从所述备选时间区间或备选时间点与所述预测降落时间区间的交集内选取最终降落时间点；
步骤S204，根据所述最终降落时间点反推所述无人机a的目标飞行时长，并据此生成对应于所述无人机a的飞行任务。
优选地，上述步骤S202中所述获取时间轴上同一组内其他所述无人机a的降落时间，并据此确定若干备选时间区间包括如下步骤S301-S303：
步骤S301，针对各所述降落时间生成规避时间区间，所述规避时间为所述降落时间之前及之后设定时间两个时间点之间的区间；
步骤S302，将所有所述规避时间区间从所述时间轴上的第一设定时段内剔除；
步骤S303，获取所述第一设定时段内所有剩余的时间区间或时间点作为备选时间区间或备选时间点。
通过上述步骤，可实现所有降落时间错开较长的时长，以使得换电池机器人b有足够的时间从一个降落点运动至下一个降落点并不晚于下一个降落点对应的无人机a的降落时间到达。
优选地，上述步骤S102中所述根据所述阶段任务为对应的无人机a规划阶段飞行路径包括如下步骤S401-S402：
步骤S401，获取所述无人机a的任务区域；
步骤S402，根据所述阶段任务在所述任务区域中的未执行区域内对所述无人机a的飞行路径进行规划，生成阶段飞行路径。
优选地，上述步骤S104中所述控制换电池机器人b运动至各所述无人机a的落点并为该落点对应的所述无人机a进行电池更换服务包括如下步骤S501-S503：
步骤S501，控制所述换电池机器人b运动至一落点所在位置；
步骤S502，控制该落点对应的所述无人机a降落至所述换电池机器人b上并与所述换电池机器人b对接；
步骤S503，控制所述换电池机器人b取下所述无人机a上的旧电池，并为所述无人机a换上新的电池。
此外，由于换电池机器人b本身的电量也有限，因此，换电池机器人b也需要返回机器人工作站更换大电瓶以使其得以继续运转，而换电池机器人b返回机器人工作站需要时间，因此，优选地，上述调度方法还包括如下步骤S601-S606:
步骤S601，获取所述换电池机器人b的剩余电量信息；
步骤S602，判断所述剩余电量是否小于设定电量阈值，是则进入步骤S603；
步骤S603，获取时间轴上第二设定时段内的所有规避时间区间，并据此得到所有备用时间段；
步骤S604，判断是否存在有效时长大于设定时长阈值的备用时间段，是则选取一个满足条件的备用时间段作为所述换电池机器人b前去机器人工作站更换大电瓶的时间段，否则进入步骤S605；
步骤S605，选取有效时长最长的备用时间段，并将该备用时间段之前所有的降落时间前移，并将备用时间段之后所有的降落时间后移，以使得该备用时间段的有效时长大于设定时长阈值，并将该备用时间段作为所述换电池机器人b前去机器人工作站更换大电瓶的时间段。
步骤S606，根据调整后的降落时间对各所述无人机a的阶段任务进行调整。
当到达上述更换大电瓶的时间段时，换电池机器人b前往机器人工作站更换大电瓶。
优选地，上述步骤S203中所述从所述备选时间区间或备选时间点与所述预测降落时间区间的交集内选取最终降落时间点包括如下步骤：
步骤S701，获取所述备选时间点或按步距获取所述备选时间区间内的时间点作为待评估时间点；
本步骤中，按步距获取所述备选时间区间内的时间点即从备选时间区间的前端点开始每隔一小段时间选择一个时间点作为待评估时间点；
步骤S702，根据所述待评估时间点对所述无人机a的飞行路径进行虚拟规划，得到无人机a的虚拟降落点；
步骤S703，计算所述虚拟降落点到时间轴上位于所述待评估时间点之前的降落时间对应的无人机a的降落点之间的参考距离；
步骤S704，选择最小的所述参考距离对应的所述待评估时间点作为所述最终降落时间点。
通过上述步骤S701-S704，可使换电机器人的运行距离较短。
本发明还提供了一种存储介质，其内存储有可执行程序，所述可执行程序被控制器执行时能够实现上述的多无人机协同作业调度方法。
具体地，上述无人机a上安装有对接固定装置7以及辅助定位装置6，上述换电池机器人b包括车体1以及安装在车体1上的无人机定位装置2、电池充电座3以及换电池机构4；所述无人机定位装置2通过所述无人机定位装置2与所述辅助定位装置6对接以实现所述无人机相对于所述机座1的定位与固定；所述电池充电座3具备多个用于容置电池的充电舱31，所述换电池机构4用于在所述无人机与所述电池充电座3之间取换电池。
无人机的电池可与对接固定装置7对接，以实现电池与无人机的相对固定，电池也能够相对于对接固定装置7拆卸。
所述辅助定位装置6包括对称安装在所述无人机的下端的两个起落架61，所述起落架61呈U字形，其包括横置杆611以及分别将所述横置杆611的两端连接所述无人机的本体的两个竖置杆612；如附图3-6所示，所述无人机定位装置2包括两组定位爪手21以及开合驱动组件22，每组所述定位爪手21均包括两个可相对作靠近或远离运动的手指部211；所述手指部211上具备V字定位部212；所述开合驱动组件22能够驱动两组定位爪手21作开合运动。
所述开合驱动组件22包括两个相互平行且等速反向转动的驱动轴221，两个所述驱动轴221分别用于驱动两个所述定位爪手21运转。
采用上述结构，无人机定位装置2对无人机进行定位的过程如下：如附图3-4所示，初始状态下，两组定位爪手21处于合拢状态，且每组定位爪手21包含的两个手指部211处于相互靠近状态，无人机飞行至第一指定位置，并在第一指定位置悬停，此时，两组定位爪手21的V字定位部212均置于两个横置杆611之间；然后，控制器控制两组定位爪手21切换至散开状态，过程中两组定位爪手21的两组V字定位部212相互远离，分别作用于两个横置杆611，当两组V字定位部212之间的距离达到最大，每个横置杆611均置于其接触的V字定位部212的槽底位置；最后，开合驱动组件22运转，驱动两组定位爪手21由合拢状态切换至远离状态，当两组定位爪手21之间的距离达到最大，同一定位爪手21的两个V字定位部212分别抵住其对应的起落架61的两个竖置杆612，如此，即完成了对无人机的定位，如附图6所示。
优选地，如附图5所示，所述定位爪手21还包括连杆213与滑块214；所述V字定位部212铰接在所述手指部211上；所述连杆213始终与所述手指部211平行，所述连杆213的两端分别铰接在所述V字定位部212与所述滑块214上，滑块214相对于驱动轴221滑动安装，滑块214能相对于驱动轴221轴向滑动，而不能相对于驱动轴221转动。如此，由于连杆213始终与所述手指部211平行，连杆213上的两个铰接中心与手指部211上的两个铰接中心构成平行四边形的四个角点，当驱动轴221转动时，连杆213与手指部211同步转动，以使得两组定位爪手21作开合运动，由于平行四边形的特性，V字定位部212的姿态能够保持不变。
上述驱动轴221由开合电机222驱动运转，所述开合驱动组件22两个中间轴223，两个中间轴223上分别转动安装有第一过渡齿轮224，两个第一过渡齿轮224相互啮合，两个驱动轴221通过两组同步带组件225分别与两个第一过渡齿轮224驱动连接。其中一个驱动轴221与开合电机222直接驱动连接，如此，可实现两个驱动轴221等速反向转动；
上述两个中间轴223上还分别转动安装有第二过渡齿轮216，两个第二过渡齿轮216相互啮合，两个丝杠215上分别固定有传动齿轮217，两个传动齿轮217分别与两个第二过渡齿轮216啮合，其中一个丝杠215与丝杠电机218驱动连接，如此可实现一个丝杠电机218驱动两个丝杠215运转。
每组所述定位爪手21所包含的两个所述手指部211均由丝杠215驱动运转，所述丝杠215的两端分别设置左旋螺纹与右旋螺纹，两个所述手指部211上对应于所述左旋螺纹与右旋螺纹的丝杠螺母。如此，同一丝杠215能够驱动两个手指部211作开合运动。
所述换电池机构4包括能够在所述无人机定位装置2与所述电池充电座3之间运动的取放爪手42。
如附图7所示，所述换电池机构4还包括往复运动的移动座41；所述取放爪手42能够随着所述移动座41转动，并能够相对所述移动座41翻转设定角度，以使得所抓取的电池的头部对着无人机或对着所述电池充电座3。当取放爪手42需要对无人机进行装、卸电池的作业时，取放爪手42的头部朝向无人机，当取放爪手42需要对电池充电座3进行装、卸电池的作业时，取放爪手42的头部朝向电池充电座3。
优选地，为了使得对换电池机构4的控制变得简单，移动座41的平移运动与取放爪手42的翻转运动之间能够联动，具体地，所述取放爪手42包括爪手座421，所述爪手座421通过齿轮轴45转动安装在所述移动座41上；所述移动座41上还转动安装有齿轮43，所述机座1上固定安装有能够与所述齿轮43啮合的齿条44；所述齿轮43与所述爪手座421之间具有传动关系，以使得所述爪手座421随着所述齿轮43转动；所述齿轮轴45上形成有保持部451，所述保持部451具备两个相互平行且相对距离为第一距离的面；所述机座1上还安装有两个保持导轨46，所述保持导轨46上形成有供所述保持部451进出的保持槽461，所述保持槽461的宽度与所述第一距离相等；两个所述保持导轨46置于所述齿条44的两端，当所述齿轮43与所述齿条44脱开，所述保持部451进入所述保持导轨46的保持槽461并相对于保持槽461滑动。所述移动座41被移动丝杠47驱动移动，所述移动丝杠47与平移电机48驱动连接。
如附图8所示，所述电池充电座3通过升降驱动组件5安装在所述机座1上，所述升降驱动组件5包括升降座51、升降丝杠52以及升降电机53，所述电池充电座3安装在所述升降座51上；所述升降座51被所述升降丝杠52驱动以作升降运动，所述升降电机53与所述升降丝杠52驱动连接。
通过上述结构，换电池机构4执行换电池的过程如下：在没有任务执行的闲置状态下，取放爪手42的头部朝着无人机定位装置2，保持部451置于靠近无人机定位装置2的保持导轨46的保持槽461内，此时，爪手座421无法相对于移动座41转动只能相对于机座1滑动；当无人机被无人机定位装置2固定后，控制器控制升降驱动组件5运转使电池充电座3上空的充电舱31与取放爪手42平齐，控制器驱动平移电机48运转，以控制移动座41先向无人机移动到第一限位，取放爪手42取到旧电池后，控制器驱动平移电机48反转，移动座41反向平移，平移过程中，保持部451运动至当前所在保持槽461的末端并脱出保持槽461，在保持部451脱离保持槽461的时候，齿轮43与齿条44对接建立啮合关系，随着移动座41的移动，齿轮43与齿条44的啮合关系使得爪手座421翻转180度，如此，取放爪手42的端部朝向电池充电座3。爪手座421翻转180度后，齿轮43脱离齿条44，保持部451进入靠近电池充电座3一侧保持导轨46的保持槽461，如此爪手座421后续只能相对于机座1滑动而不能相对于移动座41转动，当移动座41运动至第二限位，取放爪手42将旧电池装入空的充电舱31中。然后，控制器控制移动座41反向平移设定距离，并控制升降驱动组件5运转，使得电池充电座3上一个装着充满电的电池的充电舱31与取放爪手42齐平，再控制移动座41运动至第二限位，使得取放爪手42取到新电池；然后控制器再控制移动座41反向运动至第一限位，将电池装入无人机的电池舱内，最后，控制器控制移动座41回到初始位置。
本发明的多无人机协同作业调度方法、系统及存储介质通过设置换电池机器人，并通过将各无人机的降落时间相互错开，使换电池机器人可按序运动至各无人机的降落点，并为各无人机提供换电池服务，可减少无人机的空跑时间，使得无人机的电池电量可充分被应用于执行任务，且各阶段任务之间的间隔时间少，可提升无人机执行任务的效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多无人机协同作业调度方法，其特征在于，其包括：
为各没有任务执行的无人机分派阶段任务，使同一组内的所有所述无人机的降落时间相互错开；
根据所述阶段任务为对应的无人机规划阶段飞行路径，其中，所述阶段飞行路径的终点为所述无人机的落点；
控制各所述无人机循着对应的阶段飞行路径飞行以执行作业；
控制换电池机器人运动至各所述无人机的落点并为该落点对应的所述无人机进行电池更换服务。
2.根据权利要求1所述的多无人机协同作业调度方法，其特征在于，所述为各没有任务执行的无人机分派阶段任务，并使同一组内的所有所述无人机的降落时间相互错开包括：
根据所述无人机单次飞行的预期时间区间计算所述无人机的预测降落时间区间；
获取时间轴上第一设定时段内同一组内其他所述无人机的降落时间，并据此确定若干备选时间区间或备选时间点；
从所述备选时间区间或备选时间点与所述预测降落时间区间的交集内选取最终降落时间点；
根据所述最终降落时间点反推所述无人机的目标飞行时长，并据此生成对应于所述无人机的飞行任务。
3.根据权利要求2所述的多无人机协同作业调度方法，其特征在于，所述获取时间轴上同一组内其他所述无人机的降落时间，并据此确定若干备选时间区间包括：
针对各所述降落时间生成规避时间区间，所述规避时间为所述降落时间之前及之后设定时间两个时间点之间的区间；
将所有所述规避时间区间从所述时间轴上的第一设定时段内剔除；
获取所述第一设定时段内所有剩余的时间区间或时间点作为备选时间区间或备选时间点。
4.根据权利要求1所述的多无人机协同作业调度方法，其特征在于，所述根据所述阶段任务为对应的无人机规划阶段飞行路径包括：
获取所述无人机的任务区域；
根据所述阶段任务在所述任务区域中的未执行区域内对所述无人机的飞行路径进行规划，生成阶段飞行路径。
5.根据权利要求4所述的多无人机协同作业调度方法，其特征在于，所述控制换电池机器人运动至各所述无人机的落点并为该落点对应的所述无人机进行电池更换服务包括：
控制所述换电池机器人运动至一落点所在位置；
控制该落点对应的所述无人机降落至所述换电池机器人上并与所述换电池机器人对接；
控制所述换电池机器人取下所述无人机上的旧电池，并为所述无人机换上新的电池。
6.一种多无人机协同作业调度系统，其特征在于，其包括：
多个无人机，每个所述无人机对应于一块任务区域，且任意两个所述无人机的任务区域没有交集；
若干换电池机器人，每个所述换电池机器人负责一组所述无人机的换电池任务，每个所述换电池机器人可在其所负责的所有所述无人机的任务区域内运动；以及
调度中心，其能够与所有所述无人机以及所有所述换电池机器人通信，并执行如权利要求1-5任一项所述的多无人机协同作业调度方法。
7.一种存储介质，其特征在于，其内存储有可执行程序，所述可执行程序被控制器执行时能够实现如权利要求1-5任一项所述的多无人机协同作业调度方法。
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