CN113485427B - 一种用于无人机的组网方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机的组网方法及系统，涉及无人机技术领域。该方法包括：预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组；在无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机，通过主控无人机接收无人机组内其余无人机的飞行数据；通过主控无人机对飞行数据进行处理，调整无人机组内其余无人机的飞行状态。本发明适用于无人机的组网，能够使无人机组在地面控制端信号较差的情况下实现及时准确地避障，提高无人机的飞行效率。

Description

一种用于无人机的组网方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种用于无人机的组网方法及系统。

背景技术

目前，无人机的组网基于地面进行控制，通过地面控制无人机组网的阵型，而对于组网中的无人机的避障，则主要是依靠无人机自带的避障程序进行避障。

对于单个无人机，其仅需要考虑自身的位置，因此可以实现较为准确的避障。而对于组网飞行的无人机，每个无人机在阵型中的位置相对固定，每个无人机的运动轨迹也相对固定，与周围无人机的距离相对较近，从而无法像单个无人机一样直接使用自带的避障程序进行避障，因此目前通过地面的控制端对无人机进行控制，实现无人机组网的避障。

然而，地面的控制在控制无人机时，依靠人的主观意识，无人机的飞行速度较快，组网无人机的控制相对复杂，因此，在面对障碍时通常是及时悬停无人机，确定避障方案进行避障，这就导致无人机飞行效率较低，并且无人机飞行较远，且常在信号传输存在限制的地区飞行，可能出现信号延迟或中断，因此可能出现悬停不及时的情况，导致无人机无法正常避障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的无人机组网方法难以实现准确及时避障的问题，提供一种用于无人机的组网方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于无人机的组网方法，包括：

预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组；

在所述无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机，通过所述主控无人机接收所述无人机组内其余无人机的飞行数据；

通过所述主控无人机对所述飞行数据进行处理，调整所述无人机组内其余无人机的飞行状态。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种用于无人机的组网系统，包括：地面控制端和包括主控无人机的无人机组，其中：

所述地面控制端用于预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组，并在所述无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机；

所述主控无人机用于接收所述无人机组内其余无人机的飞行数据，对所述飞行数据进行处理，调整所述无人机组内其余无人机的飞行状态。

本发明的有益效果是：本发明提供的组网方法及系统适用于无人机的组网，通过在无人机组内使用短距离通信协议建立通信链路，使无人机组内的无人机能够通过预先建立的通信链路进行实时的短距离通信，使无人机组内无人机的通信不受信号限制，在此基础上，通过设置主控无人机，将控制权下发给主控无人机，对无人机组内其余无人机进行控制，对飞行状态进行调整，能够使无人机组在地面控制端信号较差的情况下实现及时准确地避障，提高无人机的飞行效率。

本发明附加的方面的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，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明组网方法的实施例提供的流程示意图；

图2为本发明组网方法的实施例提供的无人机联动避障示意图；

图3为本发明组网方法的其他实施例提供的无人机避障俯视示意图；

图4为本发明组网系统的实施例提供的结构框架图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明组网方法的实施例提供的流程示意图，改组网方法用于无人机的组网，通过该组网方式编成的无人机组，能够实现及时准确地避障，该组网方法包括：

S1，预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组。

需要说明的是，短距离通信协议可以为ZigBee、蓝牙或Wi-Fi等。

S2，在无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机，通过主控无人机接收无人机组内其余无人机的飞行数据。

需要说明的是，飞行数据可以包括：无人机的唯一识别码、纬度、经度、高度、水平速度和飞行时间等信息。

S3，通过主控无人机对飞行数据进行处理，调整无人机组内其余无人机的飞行状态。

应理解，对飞行数据的处理可以是为了便于后续处理而进行的格式处理，例如，可以将上述数据按照无人机的唯一识别码排序，将经度和纬度转换成直角坐标，剔除无效数据等。

由于无人机组在飞行避障时，不单单需要考虑无人机自身与障碍物之间的位置关系，还需要考虑无人机与其他无人机之间的位置关系，因此，通过主控无人机接收其余无人机的飞行数据，对其余无人机的飞行状态进行调整，从而能够实现无人机组的避障。

可选地，当无人机组遇到障碍物时，主控无人机接收到待避障无人机发出的避障请求，主控无人机根据避障请求和无人机的飞行数据规划避障路线，使预设范围内的全部无人机按照避障路线进行避障。

例如，假设在A位置处有一障碍，a无人机需要避障，而a无人机的周围还有其他的无人机，此时如果按照a无人机自带的避障程序进行避障，则有可能撞到其他无人机，导致炸机。此时，由于各个无人机的飞行数据都传输给了主控无人机，主控无人机可以根据a无人机的避障请求，结合各个无人机的飞行数据，规划出避障路线，使a无人机向着宽阔的区域避障，或者调动a无人机周围的无人机向着同一方向避障，形成联动避障，从而实现无人机组的避障。

如图2所示，给出了一种联动避障的示意图，图中的原点代表无人机，箭头代表无人机运动方向，从图中可以看出，当a无人机需要避障时，主控无人机可以向虚线区域内的无人机发出避障指令，使该区域内的无人机共同向右避障，从而防止a无人机单独避障导致阵型破坏。

需要说明的是，避障路线的规划可以通过预先存储在主控无人机内的预设程序实现，作为简单的一种实现方法，可以使用单个无人机的避障程序，主控无人机再将这个避障程度发送给相应区域内的全部无人机，使全部无人机都统一执行该避障程序，从而实现联动避障。

对于预设范围的确定，可以根据实际需求设置，作为简单的一种实现方法，可以直接将以待避障无人机为中心，一定距离内的范围作为预设范围。也可以根据现有的预测模型或飞行计划，对无人机组的飞行轨迹进行预测，将按照目前飞行轨迹进行飞行，该障碍可能阻挡的无人机划分到预设范围内。

下面给出一种示例性的无人机飞行轨迹预测方法：

首先获取无人机的飞行数据，对飞行数据进行预处理，具体处理方式可以参考上述说明，不再赘述；

然后生成无人机轨迹各个变量数据集，对预处理后的飞行数据进行筛选，得到经度、纬度、高度和水平速度数据，并计算无人机的垂直速度，生成相应的时间序列数据；

然后利用马尔科夫模型确定无人机状态，将无人机状态输入到预先建立的神经网络模型中，得到预测的无人机的经度、纬度及高度。

也可以根据飞机计划直接得到无人机的飞行轨迹。

本实施例提供的组网方法适用于无人机的组网，通过在无人机组内使用短距离通信协议建立通信链路，使无人机组内的无人机能够通过预先建立的通信链路进行实时的短距离通信，使无人机组内无人机的通信不受信号限制，在此基础上，通过设置主控无人机，将控制权下发给主控无人机，对无人机组内其余无人机进行控制，对飞行状态进行调整，能够使无人机组在地面控制端信号较差的情况下实现及时准确地避障，提高无人机的飞行效率。

可选地，在一些可能的实施方式中，在无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机，具体包括：

确定无人机组的初始阵型，在初始阵型中建立空间三维坐标系；

确定无人机组内的每个无人机在空间三维坐标系下的坐标；

根据坐标确定初始阵型的质心；

确定无人机组内的每个无人机与初始阵型的质心的距离，将与初始阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机。

由于无人机组内的无人机是通过短距离通信协议进行通信的，因此通过选择与质心最近的无人机作为主控无人机，能够使主控无人机的信号传输效果最好，覆盖面积最广，便于控制信号的传递。

可选地，在一些可能的实施方式中，还包括：

当初始阵型变更后，重新根据坐标确定变更后阵型的质心；

确定无人机组内的每个无人机与变更后阵型的质心的距离，将与变更后阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机。

通过根据阵型的变更调整阵型的主控无人机，能够使无人机在避障导致阵型改变或重新编队后，依然保证主控无人机能够覆盖最多的无人机，保证主控无人机的信号传递效果。

可选地，在一些可能的实施方式中，通过主控无人机对飞行数据进行处理，调整无人机组内其余无人机的飞行状态，具体包括：

通过主控无人机判断飞行数据中是否包含避障请求；

如果包含避障请求，则判断发出避障请求的第一无人机避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置；

主控无人机根据飞行数据对无人机组内其余无人机的飞行轨迹进行预测，判断在经历避障时间后，是否存在与第一避障位置的距离小于预设距离的第二无人机；

如果存在第二无人机，则向第二无人机发出避障指令，使第二无人机沿着第一无人机的避障方向进行避障，判断第二无人机避障后到达的第二避障位置，并判断在经历避障时间后，是否存在与第二避障位置的距离小于预设距离的第三无人机；

如果存在第三无人机，则继续向第三无人机发出避障指令，使第三无人机沿着第一无人机的避障方向进行避障，判断第三无人机避障后到达的第三避障位置，并判断在经历避障时间后，是否存在与第三避障位置的距离小于预设距离的第四无人机；

重复上述步骤，直到不存在与第N-1避障位置的距离小于预设距离的第N无人机；

其中，N＞1。

如图3所示，为本发明组网方法的其他实施例提供的无人机避障俯视示意图，为便于说明，仅考虑平面情况，且无人机以恒定速度飞行和避障。以二维的无人机组阵列为例，图中的数字1～12代表无人机的编号，以便于区分不同的无人机，图中的X代表障碍物，箭头代表无人机的运动方向。

结合图3，T1时刻，在2号无人机的正前方存在障碍物，在下一时刻，如果无人机继续向前飞，则会撞上障碍物，而如果向左或向右避障，则可能撞上1号无人机或3号无人机，此时，可以将2号无人机向右避障。

在T2时刻，无人机向右避障，避障位置是3号无人机在T1时刻的位置，在T2时刻，7号无人机也将抵达该位置，那么如果2号无人机直接向右避障，会撞上7号无人机，此时，可以在T1时刻使7号无人机也按照相同的方向向右避障，同理，12号无人机同样向右避障，此时得到T2时刻的无人机位置分布，完成了一次避障。

此时，10号无人机仍需要避障，那么按照上述实施方式中的方法，再次避障即可，得到的T3时刻的无人机位置分布图如图3所示，可见，相比于直接调动范围内的无人机避障，上述实施例中对阵型的破坏更小且调用的无人机更少。

需要说明的是，通过上述方式调整无人机的运动轨迹进行避障，能够最大程度地减少无人机的调动，相比于调动一定范围内的无人机，本实施方式为实现避障占用的无人机资源以及实际空间较小，适合障碍较多的环境，并且对无人机阵型的破坏较小。

可选地，在一些可能的实施方式中，判断发出避障请求的第一无人机避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置，具体包括：

判断以发出避障请求的第一无人机为中心的各方向的无人机数量；

选择无人机数量最少的方向作为避障方向，根据避障方向生成避障路径；

根据第一无人机的避障路径确定避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置。

如图3所示，2号无人机的右侧有2个无人机，分别是3号无人机和4号无人机，而2号无人机的左侧只有1号无人机，那么在选择避障路径时，可以优先选择向左避障，从而减少无人机的调动。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图4所示，为本发明组网系统的实施例提供的结构框架图，改组网系统用于无人机的组网，通过该组网系统编成的无人机组，能够实现及时准确地避障，该组网系统包括：地面控制端10和包括主控无人机20的无人机组，无人机组还包括其余无人机30，其中：

地面控制端10用于预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组，并在无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机20；

主控无人机20用于接收无人机组内其余无人机30的飞行数据，对飞行数据进行处理，调整无人机组内其余无人机30的飞行状态。

本实施例提供的组网系统适用于无人机的组网，通过在无人机组内使用短距离通信协议建立通信链路，使无人机组内的无人机能够通过预先建立的通信链路进行实时的短距离通信，使无人机组内无人机的通信不受信号限制，在此基础上，通过设置主控无人机20，将控制权下发给主控无人机20，对无人机组内其余无人机30进行控制，对飞行状态进行调整，能够使无人机组在地面控制端10信号较差的情况下实现及时准确地避障，提高无人机的飞行效率。

可选地，在一些可能的实施方式中，地面控制端10具体用于确定无人机组的初始阵型，在初始阵型中建立空间三维坐标系；

确定无人机组内的每个无人机在空间三维坐标系下的坐标；

根据坐标确定初始阵型的质心；

确定无人机组内的每个无人机与初始阵型的质心的距离，将与初始阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机20。

可选地，在一些可能的实施方式中，地面控制端10还用于当初始阵型变更后，重新根据坐标确定变更后阵型的质心；

确定无人机组内的每个无人机与变更后阵型的质心的距离，将与变更后阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机20。

可选地，在一些可能的实施方式中，主控无人机20具体用于判断飞行数据中是否包含避障请求；

如果包含避障请求，则判断发出避障请求的第一无人机避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置；

根据飞行数据对无人机组内其余无人机30的飞行轨迹进行预测，判断在经历避障时间后，是否存在与第一避障位置的距离小于预设距离的第二无人机；

如果存在第二无人机，则向第二无人机发出避障指令，使第二无人机沿着第一无人机的避障方向进行避障，判断第二无人机避障后到达的第二避障位置，并判断在经历避障时间后，是否存在与第二避障位置的距离小于预设距离的第三无人机；

如果存在第三无人机，则继续向第三无人机发出避障指令，使第三无人机沿着第一无人机的避障方向进行避障，判断第三无人机避障后到达的第三避障位置，并判断在经历避障时间后，是否存在与第三避障位置的距离小于预设距离的第四无人机；

重复上述步骤，直到不存在与第N-1避障位置的距离小于预设距离的第N无人机；

其中，N＞1。

可选地，在一些可能的实施方式中，主控无人机20具体用于判断以发出避障请求的第一无人机为中心的各方向的无人机数量；

选择无人机数量最少的方向作为避障方向，根据避障方向生成避障路径；

根据第一无人机的避障路径确定避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

需要说明的是，上述各实施方式是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施方式的说明可以参考上述各方法实施方式中的对应说明，在此不再赘述。

读者应理解，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。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于无人机的组网方法，其特征在于，包括：

预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组；

在所述无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机，通过所述主控无人机接收所述无人机组内其余无人机的飞行数据；

通过所述主控无人机对所述飞行数据进行处理，调整所述无人机组内其余无人机的飞行状态；

其中，在所述无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机，具体包括：

确定所述无人机组的初始阵型，在所述初始阵型中建立空间三维坐标系；

确定所述无人机组内的每个无人机在所述空间三维坐标系下的坐标；

根据所述坐标确定所述初始阵型的质心；

确定所述无人机组内的每个无人机与所述初始阵型的质心的距离，将与所述初始阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机。

2.根据权利要求1所述的用于无人机的组网方法，其特征在于，还包括：

当所述初始阵型变更后，重新根据所述坐标确定变更后阵型的质心；

确定所述无人机组内的每个无人机与所述变更后阵型的质心的距离，将与所述变更后阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机。

3.根据权利要求1或2所述的用于无人机的组网方法，其特征在于，通过所述主控无人机对所述飞行数据进行处理，调整所述无人机组内其余无人机的飞行状态，具体包括：

通过所述主控无人机判断所述飞行数据中是否包含避障请求；

如果包含避障请求，则判断发出所述避障请求的第一无人机避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置；

所述主控无人机根据所述飞行数据对所述无人机组内其余无人机的飞行轨迹进行预测，判断在经历所述避障时间后，是否存在与所述第一避障位置的距离小于预设距离的第二无人机；

如果存在第二无人机，则向所述第二无人机发出避障指令，使所述第二无人机沿着所述第一无人机的避障方向进行避障，判断所述第二无人机避障后到达的第二避障位置，并判断在经历所述避障时间后，是否存在与所述第二避障位置的距离小于所述预设距离的第三无人机；

如果存在第三无人机，则继续向所述第三无人机发出避障指令，使所述第三无人机沿着所述第一无人机的避障方向进行避障，判断所述第三无人机避障后到达的第三避障位置，并判断在经历所述避障时间后，是否存在与所述第三避障位置的距离小于所述预设距离的第四无人机；

重复上述步骤，直到不存在与第N-1避障位置的距离小于所述预设距离的第N无人机；

其中，N＞1。

4.根据权利要求3所述的用于无人机的组网方法，其特征在于，判断发出所述避障请求的第一无人机避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置，具体包括：

判断以发出所述避障请求的第一无人机为中心的各方向的无人机数量；

选择无人机数量最少的方向作为避障方向，根据所述避障方向生成避障路径；

根据所述第一无人机的避障路径确定避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置。

5.一种用于无人机的组网系统，其特征在于，包括：地面控制端和包括主控无人机的无人机组，其中：

所述地面控制端用于预先根据短距离通信协议建立预设数量的无人机之间的通信链路，编成无人机组，并在所述无人机组中选择其中一个无人机作为主控无人机；

所述主控无人机用于接收所述无人机组内其余无人机的飞行数据，对所述飞行数据进行处理，调整所述无人机组内其余无人机的飞行状态；

其中，所述地面控制端具体用于确定所述无人机组的初始阵型，在所述初始阵型中建立空间三维坐标系；

确定所述无人机组内的每个无人机在所述空间三维坐标系下的坐标；

根据所述坐标确定所述初始阵型的质心；

确定所述无人机组内的每个无人机与所述初始阵型的质心的距离，将与所述初始阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机。

6.根据权利要求5所述的用于无人机的组网系统，其特征在于，所述地面控制端还用于当所述初始阵型变更后，重新根据所述坐标确定变更后阵型的质心；

确定所述无人机组内的每个无人机与所述变更后阵型的质心的距离，将与所述变更后阵型的质心的距离最小的无人机作为主控无人机。

7.根据权利要求5或6所述的用于无人机的组网系统，其特征在于，所述主控无人机具体用于判断所述飞行数据中是否包含避障请求；

如果包含避障请求，则判断发出所述避障请求的第一无人机避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置；

根据所述飞行数据对所述无人机组内其余无人机的飞行轨迹进行预测，判断在经历所述避障时间后，是否存在与所述第一避障位置的距离小于预设距离的第二无人机；

如果存在第二无人机，则向所述第二无人机发出避障指令，使所述第二无人机沿着所述第一无人机的避障方向进行避障，判断所述第二无人机避障后到达的第二避障位置，并判断在经历所述避障时间后，是否存在与所述第二避障位置的距离小于所述预设距离的第三无人机；

如果存在第三无人机，则继续向所述第三无人机发出避障指令，使所述第三无人机沿着所述第一无人机的避障方向进行避障，判断所述第三无人机避障后到达的第三避障位置，并判断在经历所述避障时间后，是否存在与所述第三避障位置的距离小于所述预设距离的第四无人机；

重复上述步骤，直到不存在与第N-1避障位置的距离小于所述预设距离的第N无人机；

其中，N＞1。

8.根据权利要求7所述的用于无人机的组网系统，其特征在于，所述主控无人机具体用于判断以发出所述避障请求的第一无人机为中心的各方向的无人机数量；

选择无人机数量最少的方向作为避障方向，根据所述避障方向生成避障路径；

根据所述第一无人机的避障路径确定避障所需的避障时间，以及避障后到达的第一避障位置。

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