CN114399897B - 基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统，包括蜂群发射仓、N架无人机、光纤转发器、火箭点火控制装置、N枚火箭助推器、地面控制站；蜂群发射仓具有N个发射仓格，每个仓格装载一架无人机；光纤转发器安装于蜂群发射仓，利用高速光纤总线与所有无人机进行互联；火箭点火控制装置通过高速光纤总线连接到光纤转发器实现与无人机进行互联组网；N枚火箭助推器分别安装于无人机尾部，通过点火线连接到火箭点火控制装置；地面控制站通过无线通信与无人机进行信息传递。该系统能够解决数据多源、电磁干扰、信息误码、环节复杂等问题对火箭发射控制造成的影响，保证无人机蜂群作战系统可靠稳定地进行无人机连续密集发射。

Description

基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统

技术领域

本发明涉及无人机蜂群发射控制领域，尤其涉及一种基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统。

背景技术

近年来，随着无人机技术、人工智能技术的不断发展与成熟，由一定数量无人机组成、以机间协同为核心的无人机蜂群任务系统受到了广泛的关注，成为影响未来无人机运用趋势的新型体系。在未来任务中，利用密集发射的无人机蜂群以饱和式的攻击方式，能够对对方目标实施侦察、干扰、诱骗、打击等任务，使对方难以对大规模的攻击进行防御。

针对远程任务的固定翼无人机蜂群，无法采用传统利用飞机跑道进行滑跑实现数架无人机的快速连续起飞，而火箭助推方式是实现无人机零长发射的有效方式，利用火箭助推可实现无人机蜂群系统的存储、发射一体设计，能够保证无人机蜂群的发射没有场地限制，极大提升蜂群系统的可用性。因此，火箭助推是固定翼无人机蜂群较理想的发射方式。

虽然利用火箭助推进行单架无人机发射的技术已较为成熟，但是在无人机蜂群系统沿用传统单机发射方式进行集成存在以下问题：1.火箭点火控制线缆数量庞大，维护性差，排故效率低；2.远端点火控制装置数量多，无法执行自动连续发射，需采用手动模式，但手动控制易造成误操作；3.不利于与无人机状态进行高效交互，难以判断大规模无人机蜂群是否符合起飞条件以进行火箭助推发射。同时，火箭助推器作为火工品，其安全性是尤为关键的指标，不仅需要其存储、运输满足安全条件，更要在发射过程中保证其能够正常工作，避免由于意外点火造成人员伤亡与装备损毁。因此，需要设计无人机蜂群专用发射控制系统，既要实现结构简单的自动连续发射，又要保证火箭工作的安全性。

中国专利CN112012851A的《一种无人机集群助推火箭点火控制系统及其工作方法》支持无人机集群场景下的多机点火发射，能够自适应不同种类的无人机助推火箭自动或手动点火发射，解决了无人机集群发射时的助推火箭点火控制装置类别众多、操作繁琐、失误风险高的问题。在这种方法中，火箭点火控制装置通过无线通信方式与无人机进行数据交互并控制火箭发射，但是存在一定的风险：1.火箭控制逻辑的数据输入多源，需融合无人机遥控数据、无人机遥测数据、内部控制逻辑数据三个数据源，然后闭合对应的三个开关才能对一枚火箭点火，逻辑复杂易出错；2.发射控制装置利用无线通信接收地面遥控和飞机遥测数据，容易发生产生误码；3.发射控制装置距离大功率通信天线较近，且无法做屏蔽，容易受到电磁干扰。因此，在实际应用中，需要对上述问题进行考虑和解决。

综上，现有利用火箭助推进行无人机蜂群密集连续发射的方法目前主要存在下述技术风险：（1）数据多源，发射控制装置同时接收遥测和遥控数据，存在无人机状态与控制信息不同步的风险，从而导致火箭点火异常；（2）信息误码，无线通信具有一定的误码率，存在火箭点火控制装置收到错误指令不执行点火操作的风险；（3）电磁干扰，在距离地面站大功率天线和数架无人机天线功率叠加的情况下，容易造成火箭点火控制装置受到电磁干扰，造成火箭误点火或不点火；（4）环节复杂，需要先后闭合遥测编码识别开关、遥控编码识别开关以及自动/手动点火开关才能实现火箭点火，过多的流程与环节存在控制可靠性风险，导致火箭无法点火。因此，现有技术中基于火箭助推的发射方法虽然解决了多机连续发射的问题，但是存在的数据多源、电磁干扰、信息误码、环节复杂等问题将影响无人机的发射成功率，难以满足无人机蜂群快速密集自动发射的应用需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种适合无人机蜂群进行密集连续发射的控制系统。具体而言，针对无人机蜂群系统需具有存储、运输、发射一体的任务部署需求，在考虑火箭助推控制方式的高效和安全的情况下，提出一种基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统，解决数据多源、电磁干扰、信息误码、环节复杂等问题对火箭发射控制造成的影响，从而保证无人机蜂群系统能够可靠稳定地进行无人机连续密集发射。

本发明涉及一种基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统，针对已有的无人机蜂群密集连续发射控制系统所存在的技术风险提出了解决方案，具体采用如下技术方案：

一种基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统，包括蜂群发射仓、N架无人机、光纤转发器、火箭点火控制装置、N枚火箭助推器、地面控制站；所述蜂群发射仓具有N个发射仓格，每个仓格装载一架无人机；所述光纤转发器安装于所述蜂群发射仓，利用高速光纤总线与所有无人机进行互联；所述火箭点火控制装置通过高速光纤总线连接到光纤转发器实现与无人机进行互联组网；所述N枚火箭助推器分别安装于无人机尾部，火箭助推器通过点火线连接到火箭点火控制装置；所述地面控制站通过无线通信与无人机进行信息传递。具体的，该控制系统以1394b高速光纤总线作为数据传输通道，将蜂群系统的所有无人机、光纤转发器以及火箭点火控制装置进行连接并实现所有节点的数据通信。采用1394b光纤总线用于多节点互联通信，具有以下优点：光纤作为数据传输介质，具有带宽高、无辐射、抗干扰等优点，能够有效降低通信误码并屏蔽电磁干扰；支持灵活的拓扑结构，如菊花链型、树型、环型、网型，具备热插拔和即插即用特性，提供快捷与灵活的总线接入方式；采用带宽预留和公平仲裁的通信机制能够保证数据能够实时进行传输；提供具有“请求-确认-响应-确认”的异步传输机制和重传机制，能够保证数据准确到达目标节点。

进一步的，所述无人机、光纤转发器、火箭点火控制装置的互联结构采用菊花链型、树型、网型中的任一种；

所述菊花链型，火箭点火控制装置连接到光纤转发器，光纤转发器与所有无人机根据在仓内的摆放位置依次进行链型连接，无人机从链尾进行依次发射，不能更改发射顺序；

所述树型，以光纤转发器为中心节点，火箭点火控制装置为一路分支，每一排发射仓格中的无人机组成一条链型分支，各链条分支的发射顺序没有要求，但在链条分支内的无人机需要从分支的链尾依次进行发射，不能更改分支内的发射顺序；

所述网型，无人机分别与上下左右方向的其他无人机进行连接，每一排靠近光纤转发器的无人机与光纤转发器直接连接，火箭点火控制装置直接连接光纤转发器，无人机可打乱顺序按需发射。

进一步的，所述火箭点火控制装置包括点火控制处理器、1394b光纤总线模块、点火控制继电器开关、点火供电电池、供电钥匙开关；所述供电钥匙开关为常闭状态，当无人机进入待飞状态等待起飞指令时，利用钥匙闭合开关；闭合供电钥匙开关后，火箭点火控制装置利用高速光纤总线接收各无人机发送的单机起飞指令，由点火控制处理器判断指令来源，然后闭合对应的点火控制继电器，点火供电电池的电流经点火线驱动火箭助推器点火。

进一步的，所述发射控制系统中节点间的控制信息流与信号流采用单链条的传递方式：地面控制站->无人机->火箭点火控制装置->火箭->无人机->地面控制站，具体过程为：

1）地面控制站向所有无人机发送蜂群起飞指令，信息传递方式为无线通信；

2）无人机向火箭点火控制装置发送单机起飞指令，信息传递方式为光纤通信；

3）火箭点火控制装置向火箭助推器发送点火电流信号，信号传递方式为点火线；

4）火箭助推器为无人机提供加速度，信号传递方式为火箭助推加速；

5）无人机向地面控制站发送起飞状态，信息传递方式为无线通信。

一种无人机蜂群密集连续发射方法，采用上述基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统进行发射控制，包括以下步骤：

S1，地面控制站发送起飞指令：地面控制站发送蜂群起飞指令到所有无人机，以及等待无人机起飞状态回报；

S2，无人机处理起飞指令：无人机接收蜂群起飞指令，判断是否满足起飞条件，向火箭点火装置发送单机起飞指令，进入待飞状态，等待火箭助推；

S3，火箭点火控制装置处理单机起飞指令：火箭点火控制装置接收单机起飞指令，闭合指令对应火箭点火线继电器，利用点火供电电池驱动点火驱动电流；

S4，火箭助推器处理点火信号：火箭助推器接收点火驱动电流，火箭助推器点火发射，助推无人机加速出仓；

S5，无人机处理助推加速：判断是否有火箭助推加速度，进入起飞控制流程。

进一步的，所述步骤S2具体包括以下子步骤：

S2-1：接收蜂群起飞指令；

S2-2：判断本机是否具备起飞，是则进入S2-4，否则进入步骤S2-3；

S2-3：向地面控制站发送起飞终止状态，并终止起飞流程；

S2-4：根据预设的无人机起飞间隔以及本机序号，计算本机起飞时间；

S2-5：进行起飞计时；

S2-6：判断是否到达起飞时间，是则进入S2-7，否则返回步骤S2-5；

S2-7：向火箭点火控制装置发送本机起飞指令，进入待飞状态，等待火箭助推。

进一步的，所述步骤S5具体包括以下子步骤：

S5-1：等待火箭助推加速度；

S5-2：判断是否有加速度，是则进入S5-3，否则返回步骤S5-1；

S5-3：向地面控制站发送起飞成功状态；

S5-4：进入起飞控制流程。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

利用本发明所涉及的技术手段，有效解决了数据多源、电磁干扰、信息误码等问题对火箭发射控制造成的影响，主要的技术优势如下：

1. 利用高速1394b光纤总线作为数据传输通道，将蜂群系统的所有无人机、光纤转发器以及火箭点火控制装置进行连接并实现所有节点的数据通信，能够有效对多个节点进行电磁隔离，降低电磁干扰；具有灵活拓扑结构，便于节点间进行便捷连接组网；具有可靠传输机制，保证消息准确到达目标节点；

2. 采用单链条单指令的数据传输方式，数据流为：地面控制站->无人机->火箭点火控制装置->火箭->无人机->地面控制站，在点火过程中每个节点只接收一种来源的数据，能够有效解决多源数据驱动带来的同步；

3. 火箭点火控制装置作为关键设备，其硬件结构简单，仅需要核心处理器、1394b光纤总线模块、火箭点火线开关等模块来实现多枚火箭的点火控制功能，其控制逻辑简洁可靠，通过接收无人机点火指令并闭合相应点火线，即可实现火箭助推无人机起飞，能够有效避免多项控制环节带来的可靠性风险。

附图说明

图1是无人机蜂群密集连续发射控制系统整体框架图，包括：蜂群发射仓、火箭点火控制装置与地面控制站，其中蜂群发射仓中包含多个发射仓和一个光纤转发器，每个发射仓装载一架无人机和一枚火箭助推器。

图2是基于菊花链型结构的1394b光纤总线连接示意图。

图3是基于树型结构的1394b光纤总线连接示意图。

图4是基于网型结构的1394b光纤总线连接示意图。

图5是所有节点控制信息流与信号流传递示意图。

图6是火箭点火控制装置结构示意图。

图7是系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

一种基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统包括多个组成部分：蜂群发射仓、多架无人机、光纤转发器、火箭点火控制装置、数枚火箭助推器、地面控制站，如图1所示。蜂群发射仓具有N个发射仓格，每个仓格装载一架无人机，无人机序号为1~N；光纤转发器安装于蜂群发射仓，利用1394b光纤总线与所有飞机进行互联；火箭点火控制装置位于距离蜂群发射仓较远的安全距离，其通过1394b光纤总线连接到光纤转发器实现与飞机进行互联组网；N枚火箭助推器分别安装于无人机尾部，火箭助推器通过点火线连接到火箭点火控制装置；地面控制站独立放置于较远的安全区域。

发射控制系统利用高速1394b光纤总线作为数据传输通道，将蜂群系统的所有无人机、光纤转发器以及火箭点火控制装置进行连接并实现所有节点的数据通信。以光纤作为数据传输介质，具有带宽高、无辐射、抗干扰等优点，能够有效降低通信误码并屏蔽电磁干扰。

利用1394b光纤总线灵活的拓扑结构，根据无人机、光纤转发器与火箭点火控制装置的摆放位置，可采用菊花链型、树型或网型互联结构：

1）菊花链型结构如图2所示，火箭点火控制装置连接到光纤转发器，光纤转发器与所有无人机根据在仓内的摆放位置依次进行链型连接，在这种方式下无人机需要从链尾依次进行依次发射，不能更改发射顺序；

2）树型结构如图3所示，以光纤转发器为中心节点，火箭点火控制装置为一路分支，每一排发射仓格中的飞机组成一条链型分支，在这种方式下链条分支的发射顺序没有要求，但在链条分支内的无人机需要从分支的链尾依次进行发射，不能更改分支内的发射顺序；

3）网型结构如图4所示，无人机分别与上下左右方向的其他无人机进行连接，每一排靠近光纤转发器的无人机与光纤转发器直接连接，火箭点火控制装置直接连接光纤转发器，在这种方式下只要保证未起飞的无人机存在通路能够连接到光纤转发器即可打乱顺序发射。

无人机、光纤转发器以及火箭点火控制装置的数据传输采用1394b协议规范的异步传输方式，数据传输采用“请求-确认-响应-确认”的握手过程，并且具有重传机制，当数据在握手中发生丢包或误码，能够进行数据重传以保证数据准确到达目标节点，并且协议所具有的带宽预留和公平仲裁机制能够保证数据能够实时传输，避免传输堵塞。

火箭点火控制装置是发射控制系统中的控制核心，其具有简单的内部结构，如图5所示。装置中主要包括：点火控制处理器、1394b光纤总线模块、点火控制继电器开关、点火供电电池、供电钥匙开关。供电钥匙开关为常闭状态，当无人机进入待飞状态等待起飞指令时，利用钥匙闭合开关，以保证火箭控制的安全。闭合供电钥匙开关后，火箭点火控制装置利用1394b光纤总线接收各无人机发送的单机起飞指令，由点火控制处理器判断指令来源，然后闭合对应的点火控制继电器，使得点火供电电池的电流经点火线驱动火箭助推器点火。该方式在保证火箭发射安全性的同时简化了点火控制装置的控制环节，能够可靠控制火箭助推器点火。

发射控制系统中节点间的控制信息流与信号流采用单链条的传递方式：地面控制站->无人机->火箭点火控制装置->火箭->无人机->地面控制站，如图6所示。具体过程为：

1）地面控制站向所有无人机发送蜂群起飞指令，信息传递方式为无线通信；

2）无人机向火箭点火控制装置发送单机起飞指令，信息传递方式为光纤通信；

3）火箭点火控制装置向火箭助推器发送点火电流信号，信号传递方式为点火线；

4）火箭助推器为无人机提供加速度，信号传递方式为火箭助推加速；

5）无人机向地面控制站发送起飞状态，信息传递方式为无线通信。

发射控制系统通过在地面控制站发送蜂群起飞指令，可实现多架无人机进行连续密集发射。系统的发射流程采用单链条数据传输方式，具体流程为：地面控制站利用无线通信向所有无人机广播起飞指令；无人机收到起飞指令后根据本机序号规划起飞时间，执行起飞倒计时流程；无人机在计时到达起飞时间后进入待飞状态，并利用1394b光纤总线向火箭点火控制装置发送本机点火指令；火箭点火控制装置收到点火指令后通过点火线向相应火箭发送点火信号；火箭点火后推动无人机离仓起飞，无人机检测到助推过载后进入飞行流程。整个系统的工作流程如图7所示，具体如下：

A1：地面控制站发送起飞指令步骤：

A1-1：地面控制站发送蜂群起飞指令到所有无人机；

A1-2：等待无人机起飞状态回报；

A2：无人机处理起飞指令步骤：

A2-1：接收蜂群起飞指令；

A2-2：判断本机是否具备起飞，是则进入A2-4，否则进入步骤A2-3；

A2-3：向地面控制站发送起飞终止状态，并终止起飞流程；

A2-4：根据预设的无人机起飞间隔以及本机序号，计算本机起飞时间；

A2-5：进行起飞计时；

A2-6：判断是否到达起飞时间，是则进入A2-7，否则返回步骤A2-5；

A2-7：向火箭点火控制装置发送本机起飞指令，进入待飞状态，等待火箭助推；

A3：火箭点火控制装置处理单机起飞指令步骤：

A3-1：接收单机起飞指令；

A3-2：闭合指令对应火箭点火线继电器；

A3-3：利用点火供电电池驱动点火电流；

A4：火箭助推器处理点火信号步骤：

A4-1：接收点火线的点火驱动电流；

A4-2：火箭助推器点火发射；

A4-3：助推无人机加速出仓；

A5：无人机处理助推加速步骤：

A5-1：等待火箭助推加速度；

A5-2：判断是否有加速度，是则进入A5-3，否则返回步骤A5-1；

A5-3：向地面控制站发送起飞成功状态；

A5-4：进入起飞控制流程。

利用该流程可实现利用地面控制站发送一次蜂群起飞指令，各无人机按照预定顺序以一定间隔利用1394b光纤总线向火箭点火控制装置发送本机起飞指令进行火箭助推弹射，从而达到一键式无人机蜂群系统快速连续发射的效果。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无人机蜂群密集连续发射方法，其特征在于，采用基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统进行发射控制，所述基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统包括蜂群发射仓、N架无人机、光纤转发器、火箭点火控制装置、N枚火箭助推器、地面控制站；所述蜂群发射仓具有N个发射仓格，每个仓格装载一架无人机；所述光纤转发器安装于所述蜂群发射仓，利用高速光纤总线与所有无人机进行互联；所述火箭点火控制装置通过高速光纤总线连接到光纤转发器实现与无人机进行互联组网；所述N枚火箭助推器分别安装于无人机尾部，火箭助推器通过点火线连接到火箭点火控制装置；所述地面控制站通过无线通信与无人机进行信息传递；

所述方法包括以下步骤：

S1，地面控制站发送起飞指令：地面控制站发送蜂群起飞指令到所有无人机，以及等待无人机起飞状态回报；

S2，无人机处理起飞指令：无人机接收蜂群起飞指令，判断是否满足起飞条件，向火箭点火装置发送单机起飞指令，进入待飞状态，等待火箭助推；

S3，火箭点火控制装置处理单机起飞指令：火箭点火控制装置接收单机起飞指令，闭合指令对应火箭点火线继电器，利用点火供电电池驱动点火驱动电流；

S4，火箭助推器处理点火信号：火箭助推器接收点火驱动电流，火箭助推器点火发射，助推无人机加速出仓；

S5，无人机处理助推加速：判断是否有火箭助推加速度，进入起飞控制流程；

所述步骤S2具体包括以下子步骤：

S2-1：接收蜂群起飞指令；

S2-2：判断本机是否具备起飞条件，是则进入S2-4，否则进入步骤S2-3；

S2-3：向地面控制站发送起飞终止状态，并终止起飞流程；

S2-4：根据预设的无人机起飞间隔以及本机序号，计算本机起飞时间；

S2-5：进行起飞计时；

S2-6：判断是否到达起飞时间，是则进入S2-7，否则返回步骤S2-5；

S2-7：向火箭点火控制装置发送本机起飞指令，进入待飞状态，等待火箭助推；

所述步骤S5具体包括以下子步骤：

S5-1：等待火箭助推加速度；

S5-2：判断是否有加速度，是则进入S5-3，否则返回步骤S5-1；

S5-3：向地面控制站发送起飞成功状态；

S5-4：进入起飞控制流程。

2.根据权利要求1所述的无人机蜂群密集连续发射方法，其特征在于，所述无人机、光纤转发器、火箭点火控制装置的互联结构采用菊花链型、树型、网型中的任一种；

所述菊花链型，火箭点火控制装置连接到光纤转发器，光纤转发器与所有无人机根据在仓内的摆放位置依次进行链型连接，无人机从链尾进行依次发射，不能更改发射顺序；

所述树型，以光纤转发器为中心节点，火箭点火控制装置为一路分支，每一排发射仓格中的无人机组成一条链型分支，各链条分支的发射顺序没有要求，但在链条分支内的无人机需要从分支的链尾依次进行发射，不能更改分支内的发射顺序；

所述网型，无人机分别与上下左右方向的其他无人机进行连接，每一排靠近光纤转发器的无人机与光纤转发器直接连接，火箭点火控制装置直接连接光纤转发器，无人机可打乱顺序按需发射。

3.根据权利要求1所述的无人机蜂群密集连续发射方法，其特征在于，所述火箭点火控制装置包括点火控制处理器、1394b光纤总线模块、点火控制继电器开关、点火供电电池、供电钥匙开关；所述供电钥匙开关为常闭状态，当无人机进入待飞状态等待起飞指令时，利用钥匙闭合开关；闭合供电钥匙开关后，火箭点火控制装置利用高速光纤总线接收各无人机发送的单机起飞指令，由点火控制处理器判断指令来源，闭合对应的点火控制继电器，点火供电电池的电流经点火线驱动火箭助推器点火。

4.根据权利要求1所述的无人机蜂群密集连续发射方法，其特征在于，所述发射控制系统中节点间的控制信息流与信号流采用单链条的传递方式：地面控制站->无人机->火箭点火控制装置->火箭->无人机->地面控制站，具体过程为：

1）地面控制站向所有无人机发送蜂群起飞指令，信息传递方式为无线通信；

2）无人机向火箭点火控制装置发送单机起飞指令，信息传递方式为光纤通信；

3）火箭点火控制装置向火箭助推器发送点火电流信号，信号传递方式为点火线；

4）火箭助推器为无人机提供加速度，信号传递方式为火箭助推加速；

5）无人机向地面控制站发送起飞状态，信息传递方式为无线通信。

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