CN114911271A - 一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统及方法，涉及无人机巡检技术领域，解决了现有无人机自动化巡检时任务规划不方便，工作效率低的技术问题。该系统包括云端服务器、停机坪和多个无人机；云端服务器与无人机无线通信连接，能够将任务模型传输给无人机；任务模型包括多个原子任务；原子任务包括定点定向拍照、区间内定向录像和区间内连续拍照中的至少一个；无人机巡检的三维空间内设置有至少一个所述停机坪；云端服务器能够存储停机坪、无人机的数量及位置信息。本发明通过云端服务器对原子任务进行规划形成多个任务模型，结合停机坪信息，将其传输给不同无人机，使多个无人机分布在不同地方协同完成拍照或录像的作业。

Description

一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机巡检技术领域，尤其涉及一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统及方法。

背景技术

一般的无人机自动化巡检方案如果需要涉及到多机协同共同任务，一般是通过固定各自的起降地点并预先划分好各自巡检区域来保障安全，或者利用构造好的采集航线设定比较固定的完整航线达到避障的目的，固定模式航线的设定往往需要人工进行大量的数据处理，效率低，同时操作麻烦。

不同无人机的巡检区域需要根据出发地严格人工划分好，执行某些大批量任务时可能某些无人机繁忙出动，某些无人机长时间闲置，难以自动做的负载均衡。

飞行路线任务是记录好的固定的航线数据，包含一连串拍照动作，不可拆分分解成原子任务。如果巡检中存在漏拍现象会导致数据不完整或者只能重新完整再进行一次这个固定的飞行路线。因此，需要设计一种新的基于云化无人机的广域分布式协同作业方法。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有无人机自动化巡检时任务规划不方便，工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统及方法，以解决现有技术中存在的现有无人机自动化巡检时任务规划不方便，工作效率低的技术问题。

本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，包括云端服务器、停机坪和多个无人机；所述云端服务器与所述无人机无线通信连接，能够将任务模型传输给所述无人机；所述任务模型包括多个原子任务；所述原子任务包括定点定向拍照、区间内定向录像和区间内连续拍照中的至少一个；所述无人机巡检的三维空间内设置有至少一个所述停机坪；所述云端服务器能够存储所述停机坪、无人机的数量及位置信息。

优选的，所述云端服务器通过若干所述原子任务的轨迹和位置周期性，按照生成树算法组合成至少一条飞行任务航线；所述云端服务器将附近的所述停机坪信息加入所述飞行任务航线，形成导航图。

优选的，所述云端服务器能够将多个所述导航图及其对应的所述原子任务分配给不同的所述无人机；多个所述导航图上的所述飞行任务航线互不干扰。

优选的，所述导航图包括主路径、辅路径和多个停机坪；所述停机坪包括普通停机坪和应急停机坪；所述普通停机坪设置在所述主路径的两端；所述辅路径与所述主路径相连接；所述应急停机坪设置在所述辅路径的端头；所述无人机巡检时能够根据所述辅路径提前将所述无人机降落在所述应急停机坪。

优选的，所述三维空间包括多个空域模型；所述空域模型在二维地图的X-Y平面投影下为正方形或正六边形，并在z轴方向上延申有海拔高度；所述空域模型在z轴方向上被整齐划分为相同海拔高度的多个空域单位；不同所述无人机在巡检时不能同时进入同一个所述空域单位。

优选的，所述云端服务器能够对所述空域单位进行标记；当某个所述空域单位被无人机A的飞行任务航线经过时，所述空域单位被标记为被无人机A占用；当某个所述空域单位被障碍物占用时，所述空域单位被标记为不可用。

优选的，所述无人机完成部分飞行任务航线后能够释放该部分飞行任务航线经过的所述空域单位；所述云端服务器能够将释放的所述空域单位加入下一波规划的飞行任务航线中。

优选的，所述无人机在所述停机坪上能够进行充换电或进入保护舱。

一种基于云化无人机的广域分布式协同作业方法，包括以上任一所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述方法步骤如下：

S100、所述云端服务器存储所述无人机、停机坪的数量及位置信息，并且存储所述原子任务的轨迹和位置周期性，通过生成树算法形成导航图；

S200、所述云端服务器向所述无人机发送导航图及对应的所述原子任务；

S300、所述无人机的航电系统接收到所述云端服务器发送的信息后，所述无人机的驾驶系统带动所述无人机按照所述导航图进行巡检，同时所述云端服务器实时监控空域单位的使用情况；

S400、所述无人机将所述导航图上的所述原子任务完成后，在飞行路线的终点处的所述停机坪进行降落。

优选的，所述S300包括如下步骤：

S310、所述无人机巡检过程中驶过的所述空域单位被释放，所述云端服务器在下一波规划任务飞行航线的过程中能够将释放的所述空域单位加入其中；

S320、所述无人机在到达所述原子任务的位置时，镜头进行拍照或录像，并将所述镜头采集到信息传输至所述云端服务器；

S330、在所述无人机在巡检过程中，所述航电系统判断所述无人机是否出现故障或电量不足的情况；如是，则执行步骤S340；否则，则执行步骤S350；

S340、所述驾驶系统按照辅路径驱动所述无人机降落到应急停机坪；

S350、所述无人机继续巡检。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明通过云端服务器对原子任务进行规划形成多个任务模型，结合停机坪信息，将其传输给不同无人机，使多个无人机分布在不同地方协同完成拍照或录像的作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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，附图中：

图1是本发明基于云化无人机的广域分布式协同作业系统实施例的导航图；

图2是本发明基于云化无人机的广域分布式协同作业系统实施例的空域模型示意图；

图3是本发明基于云化无人机的广域分布式协同作业方法实施例的第一流程图；

图4是本发明基于云化无人机的广域分布式协同作业方法实施例的第二流程图。

图中：1、停机坪；11、普通停机坪；12、应急停机坪；2、主路径；3、辅路径；4、空域模型；41、空域单位。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，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元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例一：

如图1-2所示，本发明提供了一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，包括云端服务器、停机坪1和多个无人机；云端服务器与无人机无线通信连接，能够将任务模型传输给无人机；任务模型包括多个原子任务；原子任务包括定点定向拍照、区间内定向录像和区间内连续拍照中的至少一个；无人机巡检的三维空间内设置有至少一个停机坪1；云端服务器能够存储停机坪1、无人机的数量及位置信息。具体的，云端服务器与无人机无线通信连接，云端服务器能够将任务模型传输给无人机，无人机也能够将完成原子任务获取的信息传输给云端服务器。定点定向拍照是无人机在某个特定位置悬停，镜头对准某个指定方向，以特定焦距拍摄一张清晰照片；区间内定向录像是无人机以直线或者弧线的方式从一个位置按照一定速度飞往另一个位置，并在途中以某个镜头角度进行录像，飞行速度根据实际情况设定；区间内连续拍照是无人机以直线或者弧线的方式从一个位置按照一定速度飞往另一个位置，并在途中以某个镜头角度按照一定间隔连续拍照，拍照间隔时间可以根据实际需求设定，在拍照或录像过程中焦距可以根据实际需求进行调节。无人机巡检的三维空间内设置有至少一个停机坪1，方便无人机停放。云端服务器存储停机坪1、无人机的数量及位置信息，便于对无人机进行分配任务，方便将多个无人机进行管理。本发明通过云端服务器对原子任务进行规划形成多个任务模型，结合停机坪1信息，将其传输给不同无人机，使多个无人机分布在不同地方协同完成拍照或录像的作业。

作为可选的实施方式，如图1所示，云端服务器通过若干原子任务的轨迹和位置周期性，按照生成树算法组合成至少一条飞行任务航线；云端服务器将附近的停机坪1信息加入飞行任务航线，形成导航图。具体的，原子任务是无人机在一个特定的位置执行特定的指令，每个原子任务均有不同的轨迹和位置周期性，云端服务器通过生成树算法将多个原子任务组合成至少一条飞行任务航线，飞行任务航线是将原子任务的相关坐标点和指引安全移动避开障碍物的中继路点连接起来的，并将飞行任务航线附近的停机坪1信息加入飞行任务航线，将停机坪1与飞行任务航线通过指引安全移动避开障碍物的中继路点连通，形成完整的导航图，停机坪1在导航图上为地面端点，是某个停机坪1的地面中心坐标。

作为可选的实施方式，云端服务器能够将多个导航图及其对应的原子任务分配给不同的无人机；多个导航图上的飞行任务航线互不干扰。具体的，无人机在接收到导航图及其对应的原子任务后，在三维空间内进行巡检，当无人机行驶到原子任务的指定位置时，完成原子任务的指令。多个无人机可以同时在三位空间内进行巡检，由于每个无人机接收到的导航图及其对应的原子任务不同，导航图上的行任务航线互不干扰，多个无人机在三位空间内进行巡检时不会相互影响，巡检过程中飞行顺畅，不会发生碰撞，保证了多个无人机在三维空间内巡检的安全性。

作为可选的实施方式，如图1所示，导航图包括主路径2、辅路径3和多个停机坪1；停机坪1包括普通停机坪11和应急停机坪12；普通停机坪11设置在主路径2的两端；辅路径3与主路径2相连接；应急停机坪12设置在辅路径3的端头；无人机巡检时能够根据辅路径3提前将无人机降落在应急停机坪12。具体的，主路径2会经过无人机执行原子任务的位置，辅路径3不会经过无人机执行原子任务的位置，保证无人机在巡检时不会遗漏原子任务。主路径2和辅路径3组成飞行任务航线，飞行任务航线是位置信息的点和线连通的拓扑路径，辅路径3是将主路径2与主路径2附近的停机坪1(即应急停机坪12)之间的位置信息的点联通的拓扑路径。普通停机坪11设置在主路径2的两端，分别为无人机在一次巡检过程中出发位置和结束位置；辅路径3与主路径2相连接，无人机在巡检过程中出现故障或电量不足时，可以根据辅路径3飞往就近的应急停机坪12进行休整，此外，也可以根据检测到无人机出现问题的位置判断，是否离普通停机坪11最近，如果是，可以根据主路径2飞往就近的普通停机坪12。

作为可选的实施方式，如图2所示，三维空间包括多个空域模型4；空域模型4在二维地图的X-Y平面投影下为正方形或正六边形，并在z轴方向上延申有海拔高度；空域模型4在z轴方向上被整齐划分为相同海拔高度的多个空域单位41；不同无人机在巡检时不能同时进入同一个空域单位41。具体的，把无人机巡检的三维空间抽象为多个空域模型4，空域模型4在二维地图的X-Y平面投影下优选为正方形或正六边形，在Z轴方向上有一定高度，根据海拔高度整齐划分为高度相同的空域单位41，通常一个空域单位41的高度内能够让无人机驶入。空域单位41与无人机之间的间距可以根据环境和无人机飞行精度具体配置，使无人机在巡检过程中不会与其他无人机、已知实体目标产生位置过近的危险。不同无人机在巡检时不能同时进入同一个空域单位41，避免无人机在巡检过程中进入同一个空域单位41内发生安全事故，保证无人机巡检时的安全性。

作为可选的实施方式，云端服务器能够对空域单位41进行标记；当某个空域单位41被无人机A的飞行任务航线经过时，空域单位41被标记为被无人机A占用；当某个空域单位41被障碍物占用时，空域单位41被标记为不可用。具体的，云端服务器能够对空域单位41实时监控并进行标记，在规划一条飞行任务航线后，该飞行任务航线经过的空域单位41被标记为被无人机占用，当该飞行任务航线所属的导航图分配给某个无人机(如无人机A)时，上述被占用的空域单位41进而标记为被无人机A占用，规划其它飞行任务航线时，将被标记的空域单位41不规划在内，保证无人机不进入同一个空域单位41。同时，空域单位41也可能被障碍物占用，无人机无法在作业过程中进入或穿越被障碍物占用的空域单位41，云端服务器将被障碍物占用的空域单位41标记为不可用，在规划飞行任务航线时不将此类空域单位41规划入飞行任务航线中。

作为可选的实施方式，无人机完成部分飞行任务航线后能够释放该部分飞行任务航线经过的空域单位41；云端服务器能够将释放的空域单位41加入下一波规划的飞行任务航线中。具体的，在网络流畅并且无人机飞行流畅的情况下，根据无人机的位置情况能够监控空域单位41的使用情况，无人机按照飞行任务航线飞行，根据无人机飞行的情况可以知道飞行任务航线占用的空域单位41的使用情况，当无人机飞过部分飞行任务航线时，该部分飞行任务航线占用的空域单位41被释放，被释放的空域单位41能够重新被规划运用到新的飞行任务航线内，以便于优化为较短的总体路线。

作为可选的实施方式，无人机在停机坪1上能够进行充换电或进入保护舱。具体的，无人机在任何一个停机坪1上均能够进行充换电，保证无人机的续航，使无人机能够进行多次巡检，提升巡检的效率和无人机的使用率；同时，无人机也能够在停机坪1内进入保护仓，对无人机进行存储保护。

实施例二：

如图3-4所示，一种基于云化无人机的广域分布式协同作业方法，包括实施例一的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，方法步骤如下：

S100、云端服务器存储无人机、停机坪的数量及位置信息，并且存储原子任务的轨迹和位置周期性，通过生成树算法形成导航图；

S200、云端服务器向无人机发送导航图及对应的原子任务；

S300、无人机的航电系统接收到云端服务器发送的信息后，无人机的驾驶系统带动无人机按照导航图进行巡检，同时云端服务器实时监控空域单位的使用情况；

S400、无人机将导航图上的原子任务完成后，在飞行路线的终点处的停机坪进行降落。具体的，云端服务器存储原子任务的轨迹和位置周期性，便于规划形成飞行任务航线，将飞行任务航线附近的停机坪加入到飞行任务航线上，形成完整的导航图；同时，无人机的数量及位置信息被云端服务器存储，便于在将导航图分配给无人机时，选择就近的无人机。云端服务器能够向多个无人机发送导航图及对应的原子任务，每个无人机接收到的导航图及对应的原子任务不同，便于将多个无人机分布在三维空间内的不同地方，进行协同巡检。

作为可选的实施方式，如图4所示，S300包括如下步骤：

S310、无人机巡检过程中驶过的空域单位被释放，云端服务器在下一波规划任务飞行航线的过程中能够将释放的空域单位加入其中；

S320、无人机在到达原子任务的位置时，镜头进行拍照或录像，并将镜头采集到信息传输至云端服务器；

S330、在无人机在巡检过程中，航电系统判断无人机是否出现故障或电量不足的情况；如是，则执行步骤S340；否则，则执行步骤S350；

S340、驾驶系统按照辅路径驱动无人机降落到应急停机坪；

S350、无人机继续巡检。具体的，步骤S310、S320和S330可以同时进行，无人机在飞行过程中，驶过的空域单位被释放后，能够在下一次规划路线时被运用，同时，在无人机出现故障或电量不足时，提前飞往应急停机坪或就近的普通停机坪降落后，没完成的部分飞行任务航线所占用的空域单位同样被释放，然后被云端服务器收回，重新运用到下一波规划的航线中。无人机在飞行过程中行驶到原子任务的位置时，无人机上的镜头会进行原子任务的动作，如定点定向拍照、定向连续拍照或定向录像，在拍照或录像时，镜头能够自动调焦，不同的原子任务在拍照或录像时镜头的焦距不同，镜头获取图像或视频信息能够实时传输给云端服务器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，包括云端服务器、停机坪和多个无人机；所述云端服务器与所述无人机无线通信连接，能够将任务模型传输给所述无人机；所述任务模型包括多个原子任务；所述原子任务包括定点定向拍照、区间内定向录像和区间内连续拍照中的至少一个；所述无人机巡检的三维空间内设置有至少一个所述停机坪；所述云端服务器能够存储所述停机坪、无人机的数量及位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述云端服务器通过若干所述原子任务的轨迹和位置周期性，按照生成树算法组合成至少一条飞行任务航线；所述云端服务器将附近的所述停机坪信息加入所述飞行任务航线，形成导航图。

3.根据权利要求2所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述云端服务器能够将多个所述导航图及其对应的所述原子任务分配给不同的所述无人机；多个所述导航图上的所述飞行任务航线互不干扰。

4.根据权利要求2所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述导航图包括主路径、辅路径和多个停机坪；所述停机坪包括普通停机坪和应急停机坪；所述普通停机坪设置在所述主路径的两端；所述辅路径与所述主路径相连接；所述应急停机坪设置在所述辅路径的端头；所述无人机巡检时能够根据所述辅路径提前将所述无人机降落在所述应急停机坪。

5.根据权利要求1所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述三维空间包括多个空域模型；所述空域模型在二维地图的X-Y平面投影下为正方形或正六边形，并在z轴方向上延申有海拔高度；所述空域模型在z轴方向上被整齐划分为相同海拔高度的多个空域单位；不同所述无人机在巡检时不能同时进入同一个所述空域单位。

6.根据权利要求5所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述云端服务器能够对所述空域单位进行标记；当某个所述空域单位被无人机A的飞行任务航线经过时，所述空域单位被标记为被无人机A占用；当某个所述空域单位被障碍物占用时，所述空域单位被标记为不可用。

7.根据权利要求6所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述无人机完成部分飞行任务航线后能够释放该部分飞行任务航线经过的所述空域单位；所述云端服务器能够将释放的所述空域单位加入下一波规划的飞行任务航线中。

8.根据权利要求1所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述无人机在所述停机坪上能够进行充换电或进入保护舱。

9.一种基于云化无人机的广域分布式协同作业方法，包括权利要求1-8任一所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业系统，其特征在于，所述方法步骤如下：

S100、所述云端服务器存储所述无人机、停机坪的数量及位置信息，并且存储所述原子任务的轨迹和位置周期性，通过生成树算法形成导航图；

S200、所述云端服务器向所述无人机发送导航图及对应的所述原子任务；

S300、所述无人机的航电系统接收到所述云端服务器发送的信息后，所述无人机的驾驶系统带动所述无人机按照所述导航图进行巡检，同时所述云端服务器实时监控空域单位的使用情况；

S400、所述无人机将所述导航图上的所述原子任务完成后，在飞行路线的终点处的所述停机坪进行降落。

10.根据权利要求9所述的一种基于云化无人机的广域分布式协同作业方法，其特征在于，所述S300包括如下步骤：

S310、所述无人机巡检过程中驶过的所述空域单位被释放，所述云端服务器在下一波规划任务飞行航线的过程中能够将释放的所述空域单位加入其中；

S320、所述无人机在到达所述原子任务的位置时，镜头进行拍照或录像，并将所述镜头采集到信息传输至所述云端服务器；

S330、在所述无人机在巡检过程中，所述航电系统判断所述无人机是否出现故障或电量不足的情况；如是，则执行步骤S340；否则，则执行步骤S350；

S340、所述驾驶系统按照辅路径驱动所述无人机降落到应急停机坪；

S350、所述无人机继续巡检。

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