CN116301040B - 大型无人机组网系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型无人机组网系统及其方法，属于无人机控制技术领域，包括定位单元和通讯单元，所述通讯单元输入端与定位单元输出端相连接，所述通讯单元用于对定位单元的通讯数据进行传输，所述定位单元输出端电性连接有机间测距模块。本发明中，通过设计的云处理单元，能够通过云端实时运算对无人机阵列的大量运动数据进行快速运算判断，并且通过设计的定位单元，能够通过分布式无人机和高性能无人机之间的分布控制，降低大范围阵列时的相对范围内的通信信噪，提高定位控制精度，并且通过设计的通讯单元，能够通过寻码校准以及信号验证，提高与终端通讯通讯实时性和抗干扰能力，提高大范围无人机组件时控制表演的效果。
Description
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，尤其涉及一种大型无人机组网系统及其方法。
背景技术
随着科技发展的今天，无人飞行器已经逐渐被利用在日常生活中作为拍摄以及相应的表演，无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，其控制多为单对单的控制系统，现有通过阵列式无人机集群进行表演，但大量无人机的控制容易导致信道之间的相互干扰，存在改进的空间。
中国专利CN104836640B公开了一种无人机编队分布式协作通信方法，其包括以下步骤：无人机组成编队并建立通信机制；无人机编队在飞行时保持阵形不变并获得导航信息和目标信息；当无人机编队与地面移动接收站的距离小于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列，无人机编队与地面移动接收站利用虚拟MIMO技术进行通信；当无人机编队与地面移动接收站的距离大于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列进行协作通信，共享所获取的导航信息和目标信息，无人机编队采用波束成形技术向地面移动接收站发送信息。上述方案能够提高无人机编队无线通信网络的传输速率以及时变信道的传输可靠性，而且能够扩大无线网络的传输距离和覆盖范围，但在实际使用时，无人机编队之间的控制均为独立控制，相互之间关联性较弱，容易因单个无人机的控制失效以及传输延迟影响到表演效果，存在改进的空间。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决无人机编队之间的控制均为独立控制，相互之间关联性较弱，容易因单个无人机的控制失效以及传输延迟影响到表演效果的问题，而提出的一种大型无人机组网系统及其方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种大型无人机组网系统，包括定位单元和通讯单元，所述通讯单元输入端与定位单元输出端相连接，所述通讯单元用于对定位单元的通讯数据进行传输，所述定位单元输出端电性连接有机间测距模块，所述机间测距模块用于获取多个机体之间的间距数据，所述定位单元输入端连接有光伏点阵识别模块，所述光伏点阵识别模块用于通过阵列激光线束的延伸对激光接收器的定位判断阵列位置，所述通讯单元输入端双向连接有云处理单元，所述云处理单元用于通过云端服务器对控制数据进行计算支撑，所述通讯单元输出端连接有控制终端模块，所述控制终端模块用于安装存储组网系统以及程序并进行组网控制。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述定位单元包括信息传输模块，所述信息传输模块用于传输获取的数据信息，所述信息传输模块输入端连接有运动轨迹预载模块，所述运动轨迹预载模块用于获取整体运动轨迹信息并且进行预载计算，所述信息传输模块输入端连接有GPS定位模块，用于通过GPS定位模块获取阵列信息对定位数据进行传输。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述通讯单元包括组合通信模块，所述组合通信模块用于分布式无人机之间的组合通信，所述组合通信模块的输出端与分布式通信模块的输入端电性连接，所述分布式通信模块用于设置于高性能控制无人机内进行分布式区域信息通信连接，所述分布式通信模块的输出端与信号搜索增益模块的输入端电性连接，所述信号搜索增益模块用于设置于高性能控制无人机对附近分布式无人机进行通信连接，所述信号搜索增益模块的输出端与视频传输模块的输入端电性连接，所述视频传输模块用于高性能控制无人机传输视频信息，所述视频传输模块的输出端与终端通信模块的输入端电性连接，所述终端通信模块用于向控制终端传输控制信息和进行组网控制，所述终端通信模块的输入端与分布式通信模块的输出端电性连接，所述分布式通信模块的输出端与寻码校准模块的输入端电性连接，所述寻码校准模块用于进行无人机之间的通信协议的标准化，所述寻码校准模块的输出端与信道生成模块的输入端电性连接，所述信道生成模块用于生成区分信道，所述信道生成模块的输出端与控制终端模块的输入端电性连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述信道生成模块的输出端与信道验证模块的输入端电性连接，述信道验证模块用于验证信道协议信息。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述信息传输模块输入端连接有空间坐标生成模块，所述空间坐标生成模块安装于分布式无人机内并生成空间坐标信息。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述地图记载模块包括距离判断模块、硬件存储模块、续航计算模块，且距离判断模块输入端与信息传输模块输出端相连接，所述距离判断模块用于判断基于当前位置的移动轨迹距离，所述硬件存储模块用于存储地图测量，地图记载模块还包括续航计算模块，所述续航计算模块用于计算运动轨迹的需要续航并进行提醒。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述云处理单元包括飞行策略模块、控制策略模块和云端策略库，所述飞行策略模块输入端双向连接有控制策略模块，所述飞行策略模块通过控制策略模块双向连接有云端策略库，所述飞行策略模块用于根据控制策略生成飞行策略，所述控制策略模块用于云端传输飞行策略，所述云端策略库用于提供云端运行策略。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述通讯单元输出端双向连接有数据库服务平台，所述数据库服务平台用于进行通讯身份的认证处理。
作为上述技术方案的进一步描述：
大型无人机组网方法：具体包括以下步骤：
S1、将分布式无人机和高性能无人机分布放置后，打开控制终端模块进行信号组网；
S2、通过控制终端模块以及通讯单元控制分布式无人机和高性能无人机进行组网，通讯单元通过改进型蚁群算法将高性能无人机与分布式无人机之间进行路径组网，分布式无人机在与高性能无人机组网后，高性能无人机与控制终端模块连通，同时定位单元定位分布式无人机和高性能无人机的位置信息；
S3、通过控制终端模块对分布式无人机和高性能无人机位置进行获取后，通过云处理单元分析分布式无人机和高性能无人机位置后生成运动信息，高性能无人机通过通讯单元对分布式无人机分发控制信息后，分布式无人机和高性能无人机通过定位单元定位进行起飞控制，在形成阵列后，通过光伏点阵识别模块判断阵列组网是否完成，组网完成后开始控制运行。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述改进型蚁群算法的路径组网包括：根据多组分布式无人机的附近区域生成若干点，并根据高性能无人机位置作为中心点，分布式无人机根据概率选择规则向高性能无人机位置中心点进行寻路通讯，同时高性能无人机向路径内附近重复散发组网信息素信息，分布式无人机根据算法选择出相应的分布式中心点后，在更新判断分布式无人机以及高性能无人机之间的遍历通讯延迟满足预设阈值后，得到最优通信距离，组网通讯建立完成。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过设计的云处理单元，能够通过云端实时运算对无人机阵列的大量运动数据进行快速运算判断，并且通过设计的定位单元，能够通过分布式无人机和高性能无人机之间的分布控制，降低大范围阵列时的相对范围内的通信信噪，提高定位控制精度，并且通过设计的通讯单元，能够通过寻码校准以及信号验证，提高与终端通讯通讯实时性和抗干扰能力，提高大范围无人机组件时控制表演的效果。
2、本发明中，通过设计的无人机组网方法，能够基于蚁群对信息的随机搜索，快速获取分布式无人机与高性能无人机之间的最优通信信道，并且能够根据信息素迭代的延迟阈值，能够快速获取最优控制路径，有利于提高阵列无人机组网连接效率以及连接精度，通过高性能无人机的信号传输，能够提高周围多个分布式无人机的控制效果，降低组网控制成本，满足使用需要。
附图说明
图1为本发明提出的一种大型无人机组网系统框图；
图2为本发明提出的一种大型无人机组网系统的定位单元系统框图；
图3为本发明提出的一种大型无人机组网系统的地图记载模块系统框图；
图4为本发明提出的一种大型无人机组网系统的通讯单元系统框图。
图例说明：
1、机间测距模块；2、定位单元；201、运动轨迹预载模块；202、信息传输模块；203、地图记载模块；204、GPS定位模块；205、空间坐标生成模块；3、云处理单元；301、飞行策略模块；302、控制策略模块；303、云端策略库；4、光伏点阵识别模块；5、控制终端模块；6、通讯单元；601、组合通信模块；602、分布式通信模块；603、信号搜索增益模块；604、寻码校准模块；605、终端通信模块；606、视频传输模块；607、信道生成模块；608、信道验证模块；7、数据库服务平台。
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种大型无人机组网系统，包括定位单元2和通讯单元6，所述通讯单元6输入端与定位单元2输出端相连接，所述通讯单元6用于对定位单元2的通讯数据进行传输，所述定位单元2输出端电性连接有机间测距模块1，所述机间测距模块1用于获取多个机体之间的间距数据，所述定位单元2输入端连接有光伏点阵识别模块4，所述光伏点阵识别模块4用于通过阵列激光线束的延伸对激光接收器的定位判断阵列位置，所述通讯单元6输入端双向连接有云处理单元3，所述云处理单元3用于通过云端服务器对控制数据进行计算支撑，所述通讯单元6输出端连接有控制终端模块5，所述控制终端模块5用于安装存储组网系统以及程序并进行组网控制；
所述定位单元2包括信息传输模块202，所述信息传输模块202用于传输获取的数据信息，所述信息传输模块202输入端连接有运动轨迹预载模块201，所述运动轨迹预载模块201用于获取整体运动轨迹信息并且进行预载计算，所述信息传输模块202输入端连接有GPS定位模块204，用于通过GPS定位模块获取阵列信息对定位数据进行传输；
所述通讯单元6包括组合通信模块601，所述组合通信模块601用于分布式无人机之间的组合通信，所述组合通信模块601的输出端与分布式通信模块602的输入端电性连接，所述分布式通信模块602用于设置于高性能控制无人机内进行分布式区域信息通信连接，所述分布式通信模块602的输出端与信号搜索增益模块603的输入端电性连接，所述信号搜索增益模块603用于设置于高性能控制无人机对附近分布式无人机进行通信连接，所述信号搜索增益模块603的输出端与视频传输模块606的输入端电性连接，所述视频传输模块606用于高性能控制无人机传输视频信息，所述视频传输模块606的输出端与终端通信模块605的输入端电性连接，所述终端通信模块605用于向控制终端传输控制信息和进行组网控制，所述终端通信模块605的输入端与分布式通信模块602的输出端电性连接，所述分布式通信模块602的输出端与寻码校准模块604的输入端电性连接，所述寻码校准模块604用于进行无人机之间的通信协议的标准化，所述寻码校准模块604的输出端与信道生成模块607的输入端电性连接，所述信道生成模块607用于生成区分信道，所述信道生成模块607的输出端与控制终端模块5的输入端电性连接；
所述信道生成模块607的输出端与信道验证模块608的输入端电性连接，信道验证模块608用于验证信道协议信息；
所述信息传输模块202输入端连接有空间坐标生成模块205，所述空间坐标生成模块205安装于分布式无人机内并生成空间坐标信息；
其中，无人机包括T265双目相机、JETSON Xavier NX板载计算机、深度相机D435i、WiFi模块，内置基于PX4-ROS的控制模块和SLAM、编队、避障的算法；
所述地图记载模块203包括距离判断模块2031、硬件存储模块2032、续航计算模块2033，且距离判断模块2031输入端与信息传输模块202输出端相连接，所述距离判断模块2031用于判断基于当前位置的移动轨迹距离，所述硬件存储模块2032用于存储地图测量，地图记载模块203还包括续航计算模块2033，所述续航计算模块2033用于计算运动轨迹的需要续航并进行提醒；
所述云处理单元3包括飞行策略模块301、控制策略模块302和云端策略库303，所述飞行策略模块301输入端双向连接有控制策略模块302，所述飞行策略模块301通过控制策略模块302双向连接有云端策略库303，所述飞行策略模块301用于根据控制策略生成飞行策略，所述控制策略模块302用于云端传输飞行策略，所述云端策略库303用于提供云端运行策略；
所述通讯单元6输出端双向连接有数据库服务平台7，所述数据库服务平台7用于进行通讯身份的认证处理。
大型无人机组网方法：具体包括以下步骤：
S1、将分布式无人机和高性能无人机分布放置后，打开控制终端模块5进行信号组网；
S2、通过控制终端模块5以及通讯单元6控制分布式无人机和高性能无人机进行组网，通讯单元6通过改进型蚁群算法将高性能无人机与分布式无人机之间进行路径组网，分布式无人机在与高性能无人机组网后，高性能无人机与控制终端模块5连通，同时定位单元2定位分布式无人机和高性能无人机的位置信息；
S3、通过控制终端模块5对分布式无人机和高性能无人机位置进行获取后，通过云处理单元3分析分布式无人机和高性能无人机位置后生成运动信息，高性能无人机通过通讯单元6对分布式无人机分发控制信息后，分布式无人机和高性能无人机通过定位单元2定位进行起飞控制，在形成阵列后，通过光伏点阵识别模块4判断阵列组网是否完成，组网完成后开始控制运行，其中，控制运行方法包括飞行手柄联控、云台控制或自由模式，或在控制终端模块5运行控制文件进行键盘控制；
其中，在进行组网前，控制终端模块5与无人机之间应设置IP地址，方便进行通讯控制；
能够快速定位信息中心，合理寻找最近信息的高性能无人机，可以节省信号追寻时间，方便提高寻路效率，方便阵列式无人机的群组控制处理，人机编队系统中的个体只需要和领域的无人机进行通信，通信数据包以及通信链路都比较少；
所述改进型蚁群算法的路径组网包括：根据多组分布式无人机的附近区域生成若干点，并根据高性能无人机位置作为中心点，分布式无人机根据概率选择规则向高性能无人机位置中心点进行寻路通讯，同时高性能无人机向路径内附近重复散发组网信息素信息，分布式无人机根据算法选择出相应的分布式中心点后，在更新判断分布式无人机以及高性能无人机之间的遍历通讯延迟满足预设阈值后，得到最优通信距离，组网通讯建立完成；
关于蚁群算法的详细说明：
假设分布式飞行器在连通至控制飞行器时会记录连通信息，即蚁群信息素，通过整个阵列之间交换路径的信息，找到最优路径；
但采用分泌信息素的随机搜索基质，在搜索可行解的过程中达到局部最优解，而导致算法的停滞；
随机初始化位置，将各阵列无人机定位至各位置，通过阵列无人机的定位模块以及寻路单元分析路径；
同时在信息素的设置上下限阈值，避免信息素量多少或过大影响到附近控制无人机之间的位置；
信息素优先值β，在计算初期将β设为比较大的值，增加寻路速度，通过迭代次数调整β值，保证寻路速度的同时，增大路径遍历性，具体步骤如下：
步骤1、初始化参数，步骤1：初始化参数，τlj(0)＝τ0，α，β，ρ，m，ω1，ω2，Nc，Ncmax(最大迭代次数)，全局最优总费用值为无穷；
步骤2：NC进行迭代；
步骤3：根据分布式无人机即蚁群中的低级工蚁，其中心位置附近区域随机生成n+m个点，并根据高性能无人机即蚁群中的高级兵蚁位置作为中心点，将m只工蚁置于m个需要点上，并对工蚁进行编号，k(k＝1……m)；
步骤4：第k只工蚁根据概率选择规则向中心点兵蚁进行寻路通讯，同时兵蚁向路径内附近重复散发信息素信息，选择出相应的分布式中心点j并放在蚂蚁k解集中；
步骤5：局部更新所选路径上的信息素；
步骤6：工蚁寻路迭代后，继续进行步骤4；
步骤7：直到每只蚂蚁都通信选出各自中心点(k＝m)，得出一组通信寻址选址组合，计算并更新，总通信费用值gCost；
步骤8：蚂蚁组合路径轨迹信息更新，分别按
τij(t+n)＝τij(t)×w1，
τij(t+n)＝τij(t)+ω1×Q/bestCost；
τij(t+n)＝τij(t)×ω2,
τij(t+n)＝τij(t)-Q×worstCost/bestCost,ω1>1,0<ω1<1更新。
步骤9：若到迭代后半期，即NC＞NCmax/2时，进行信息处理，按
τij(t+n)＝τij(t)-q×(τij(t)-τmin),τij(t+n)＝τij(t)+q×(τij(t)-τmin)处理；
步骤10：验证通信延迟阈值验证，若NC＜NCmax，转至步骤2继续遍历寻找最优控制路径；
步骤11：在得到通信阈值后，输出问题的解，通信建立完成。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大型无人机组网系统，包括定位单元(2)和通讯单元(6)，其特征在于，所述通讯单元(6)输入端与定位单元(2)输出端相连接，所述通讯单元(6)用于对定位单元(2)的通讯数据进行传输，所述定位单元(2)输出端电性连接有机间测距模块(1)，所述机间测距模块(1)用于获取多个机体之间的间距数据，所述定位单元(2)输入端连接有光伏点阵识别模块(4)，所述光伏点阵识别模块(4)用于通过阵列激光线束的延伸对激光接收器的定位判断阵列位置，所述通讯单元(6)输入端双向连接有云处理单元(3)，所述云处理单元(3)用于通过云端服务器对控制数据进行计算支撑，所述通讯单元(6)输出端连接有控制终端模块(5)，所述控制终端模块(5)用于安装存储组网系统以及程序并进行组网控制；
所述通讯单元(6)包括组合通信模块(601)，所述组合通信模块(601)用于分布式无人机之间的组合通信，所述组合通信模块(601)的输出端与分布式通信模块(602)的输入端电性连接，所述分布式通信模块(602)用于设置于高性能控制无人机内进行分布式区域信息通信连接，所述分布式通信模块(602)的输出端与信号搜索增益模块(603)的输入端电性连接，所述信号搜索增益模块(603)用于设置于高性能控制无人机对附近分布式无人机进行通信连接，所述信号搜索增益模块(603)的输出端与视频传输模块(606)的输入端电性连接，所述视频传输模块(606)用于高性能控制无人机传输视频信息，所述视频传输模块(606)的输出端与终端通信模块(605)的输入端电性连接，所述终端通信模块(605)用于向控制终端传输控制信息和进行组网控制，所述终端通信模块(605)的输入端与分布式通信模块(602)的输出端电性连接，所述分布式通信模块(602)的输出端与寻码校准模块(604)的输入端电性连接，所述寻码校准模块(604)用于进行无人机之间的通信协议的标准化，所述寻码校准模块(604)的输出端与信道生成模块(607)的输入端电性连接，所述信道生成模块(607)用于生成区分信道，所述信道生成模块(607)的输出端与控制终端模块(5)的输入端电性连接；
所述信道生成模块(607)的输出端与信道验证模块(608)的输入端电性连接，所述信道验证模块(608)用于验证信道协议信息。
2.根据权利要求1所述的一种大型无人机组网系统，其特征在于，所述定位单元(2)包括信息传输模块(202)，所述信息传输模块(202)用于传输获取的数据信息，所述信息传输模块(202)输入端连接有运动轨迹预载模块(201)，所述运动轨迹预载模块(201)用于获取整体运动轨迹信息并且进行预载计算，所述信息传输模块(202)输入端连接有GPS定位模块(204)，用于通过GPS定位模块获取阵列信息对定位数据进行传输。
3.根据权利要求2所述的一种大型无人机组网系统，其特征在于，所述信息传输模块(202)输入端连接有空间坐标生成模块(205)，所述空间坐标生成模块(205)安装于分布式无人机内并生成空间坐标信息。
4.根据权利要求2所述的一种大型无人机组网系统，其特征在于，所述系统还包括地图记载模块(203)，所述地图记载模块(203)包括距离判断模块(2031)、硬件存储模块(2032)、续航计算模块(2033)，且距离判断模块(2031)输入端与信息传输模块(202)输出端相连接，所述距离判断模块(2031)用于判断基于当前位置的移动轨迹距离，所述硬件存储模块(2032)用于存储地图测量，地图记载模块(203)还包括续航计算模块(2033)，所述续航计算模块(2033)用于计算运动轨迹的需要续航并进行提醒。
5.根据权利要求1所述的一种大型无人机组网系统，其特征在于，所述云处理单元(3)包括飞行策略模块(301)、控制策略模块(302)和云端策略库(303)，所述飞行策略模块(301)输入端双向连接有控制策略模块(302)，所述飞行策略模块(301)通过控制策略模块(302)双向连接有云端策略库(303)，所述飞行策略模块(301)用于根据控制策略生成飞行策略，所述控制策略模块(302)用于云端传输飞行策略，所述云端策略库(303)用于提供云端运行策略。
6.根据权利要求1所述的一种大型无人机组网系统，其特征在于，所述通讯单元(6)输出端双向连接有数据库服务平台(7)，所述数据库服务平台(7)用于进行通讯身份的认证处理。
7.一种应用于大型无人机组网系统的大型无人机组网方法，应用于权利要求1-6任意一项所述的一种大型无人机组网系统，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将分布式无人机和高性能无人机分布放置后，打开控制终端模块(5)进行信号组网；
S2、通过控制终端模块(5)以及通讯单元(6)控制分布式无人机和高性能无人机进行组网，通讯单元(6)通过改进型蚁群算法将高性能无人机与分布式无人机之间进行路径组网，分布式无人机在与高性能无人机组网后，高性能无人机与控制终端模块(5)连通，同时定位单元(2)定位分布式无人机和高性能无人机的位置信息；
S3、通过控制终端模块(5)对分布式无人机和高性能无人机位置进行获取后，通过云处理单元(3)分析分布式无人机和高性能无人机位置后生成运动信息，高性能无人机通过通讯单元(6)对分布式无人机分发控制信息后，分布式无人机和高性能无人机通过定位单元(2)定位进行起飞控制，在形成阵列后，通过光伏点阵识别模块(4)判断阵列组网是否完成，组网完成后开始控制运行。
8.根据权利要求7所述的一种大型无人机组网方法，其特征在于，所述改进型蚁群算法的路径组网包括：根据多组分布式无人机的附近区域生成若干点，并根据高性能无人机位置作为中心点，分布式无人机根据概率选择规则向高性能无人机位置中心点进行寻路通讯，同时高性能无人机向路径内附近重复散发组网信息素信息，分布式无人机根据算法选择出相应的分布式中心点后，在更新判断分布式无人机以及高性能无人机之间的遍历通讯延迟满足预设阈值后，得到最优通信距离，组网通讯建立完成。
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