CN116540771A - 一种集群无人机的系统控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集群无人机的系统控制装置，所述集群无人机的系统控制装置包括：集群任务模块，用于获取集群任务，并基于集群任务确定执行时间；还用于基于执行时间与集群中其他无人机进行交互，以确定集群任务执行方案；单机任务模块，与集群任务模块通信连接，单机任务模块用于基于集群任务执行方案控制所在无人机。采用本发明的技术方案，在集群中的无人机上设置系统控制装置，通过系统控制装置中的集群任务模块确定执行集群任务的无人机及集群任务执行方案，并将集群任务执行方案传输至单机任务模块以控制无人机完成相关任务。以此实现了在感知层进行任务分配，实时性强，进一步提高的任务执行效率。

Description

一种集群无人机的系统控制装置

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种集群无人机的系统控制装置。

背景技术

近年来，随着芯片性能和通信技术的发展，嵌入式设备拥有了提供集群服务的能力。对于单机来讲，强大的算力可以支持其在本地完成深度学习计算。整体上，高速通信网络使得多设备协同工作成为可能。单设备受到本身物理情况的限制，不具有持续工作的能力，且一旦故障会直接导致任务失败，可用性低。显然，从单机作业拓展到集群作业是未来设备主流趋势。在大规模集群的架构设计上，集中式架构过于依赖中心节点，且支持的集群规模有限。分布式架构鲁棒性较好，但获取全局信息的能力较弱，在任务分配上不易达到整体最优。操作系统负责管理硬件资源与软件资源，目前主流操作系统均针对单机设计，并未针对集群设计。即传统操作系统仅考虑单设备本地资源分配、信息处理，并未考虑集群中其他设备中的资源与信息。这导致集群只能在应用层进行任务分配，效率低，实时性差。另外，大部分操作系统的发行版本仅考虑到系统通用性，并未加装集群控制相关的中间件，导致移植到嵌入式设备上工作量大，周期长。

发明内容

本发明提供一种集群无人机的系统控制装置，用以至少解决现有技术中集群只能在应用层进行任务分配导致效率低、实时性差的问题。

根据本发明第一方面实施例提出的一种集群无人机的系统控制装置，包括：

集群任务模块，用于获取集群任务，并基于所述集群任务确定执行时间；还用于基于所述执行时间与集群中其他无人机进行交互，以确定集群任务执行方案；

单机任务模块，与所述集群任务模块通信连接，所述单机任务模块用于基于所述集群任务执行方案控制所在无人机。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

从控制台获取集群任务；或，

从集群中其他无人机获取集群任务。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

获取预设阈值，所述预设阈值用于限定执行所述集群任务的无人机数量。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

通过交互比对集群中每个无人机的执行时间，基于执行时间短的选取原则，从集群中选取预设阈值个无人机。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

确定分配方案；

基于所述分配方案，结合选取的预设阈值个无人机，确定集群任务执行方案。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块包括：

集群管理器，用于获取并存储集群中所有无人机的信息以用于交互；

集群任务中心，与所述集群管理器通信连接，所述集群任务中心用于获取所述集群任务，并与所述集群内其他无人机的集群任务中心进行通信，以确定所述集群任务执行方案；

本地控制中心，与所述集群任务中心通信连接，所述本地控制中心用于基于所述集群任务确定执行时间并反馈给所述集群任务中心；还用于将所述集群任务执行方案传输至所述单机任务模块。

根据本发明的一些实施例，所述单机模块包括：

任务库，包括多个彼此独立的任务插槽；

任务蓝图，用于基于单机动作库将所述集群任务执行方案分解为至少一个单机动作，并将至少一个所述单机动作依次存储于所述任务插槽中。

根据本发明第二方面实施例提出的一种集群中无人机，包括如第一方面实施例中任一项所述的集群无人机的系统控制装置。

采用本发明实施例，在集群中的无人机上设置系统控制装置，通过系统控制装置中的集群任务模块确定执行集群任务的无人机及集群任务执行方案，并将集群任务执行方案传输至单机任务模块以控制无人机完成相关任务。以此实现了在感知层进行任务分配，实时性强，进一步提高的任务执行效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中系统控制装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中单机任务模块的结构示意图；

图3是本发明实施例中集群任务模块的结构示意图；

图4是本发明实施例中算法模块的结构示意图；

图5是本发明实施例中系统控制装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明第一方面实施例提出一种集群无人机的系统控制装置，在无人机集群中，每个无人机上均设置有系统控制装置，参考图1，所述系统控制装置包括：

集群任务模块，用于获取集群任务，并基于所述集群任务确定执行时间，所述执行时间为该集群任务模块所在的无人机执行该集群任务所需要的时间。集群任务模块还用于基于所述执行时间与集群中其他无人机进行交互，以确定集群任务执行方案。例如，集群任务执行方案可以是无人机集群通过相互通信以确定执行集群任务的无人机。

单机任务模块，与所述集群任务模块通信连接，接收来自集群任务模块下发的集群任务执行方案。所述单机任务模块用于基于所述集群任务执行方案控制所在无人机根据集群任务执行方案完成具体任务。例如，在确定集群任务执行方案后，执行任务的无人机中的单机任务模块控制各自所在的无人机完成集群任务执行方案中各自负责的具体任务动作。无人机集群中不需要执行任务的无人机中的单机任务模块控制各自的无人机继续完成巡逻或原地待命等相关任务动作。

采用本发明实施例，在集群中的每个无人机上设置一个系统控制装置，通过系统控制装置中的集群任务模块确定执行集群任务的无人机及集群任务执行方案，并将集群任务执行方案传输至单机任务模块以控制无人机完成相关任务。以此实现了在感知层进行任务分配，实时性强，进一步提高的任务执行效率。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

从控制台获取集群任务。控制台可以是设置于地面的固定控制终端，例如，地面站。控制台也可以是移动控制终端，例如，手机或其他可以发送任务指令的移动设备。

或者，当集群中的任一无人机在巡逻过程中，发现任务目标后，可在该无人机的集群任务模块中生成集群任务，并将该集群任务与集群中其他无人机进行交互。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

获取预设阈值，所述预设阈值用于限定执行所述集群任务的无人机数量。例如，集群任务模块从控制台直接获取集群任务时，控制台根据集群任务所需要的最少无人机需求数量，向集群任务模块下发无人机数量阈值。或者，在集群任务模块中预先设置有基于执行不同任务所对应的无人机需求数量。

在获取预设阈值后，无人机的集群任务模块基于阈值数量的无人机进一步确定由哪些无人机来执行，从而确定具体的集群任务执行方案。例如，确定执行集群任务的无人机所需完成的任务动作，以及无需执行任务的其他无人机所需完成的动作。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

在确定无人机集群中各个无人机完成集群任务所需要的执行时间后，通过在集群中通信交互，比对集群中每个无人机的执行时间，基于执行时间短的选取原则，将各个无人机的执行时间由短至长依次排序，从最短执行时间的无人机开始，依次选取集群中预设阈值个执行时间短的无人机执行任务。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务模块，用于：

确定分配方案。例如，在无人机的系统控制装置中存储有预先设置的任务执行模式。在获取集群任务后，集群任务模块基于任务执行模式确定无人机需要完成如巡逻、监视、攻击等不同的具体任务。也可以是由控制台在直接向无人机集群中的集群任务模块下发具体任务分配方案。

基于所述分配方案，结合选取的预设阈值个无人机，确定集群任务执行方案。

根据本发明的一些实施例，所述集群任务可以是包括由巡逻、监视、攻击等不同任务组成。也可以是只包括巡逻、监视、攻击中一个任务。

根据本发明的一些实施例，参考图3，所述集群任务模块包括：

集群管理器，用于获取并存储集群中所有无人机的信息以用于交互。当集群中的无人机设备出现变更时，集群管理器同时进行相应的更新。

集群任务中心，与所述集群管理器通信连接，所述集群任务中心用于获取所述集群任务，对集群内所有无人机设备的集群任务进行同步与管理，并与所述集群内其他无人机的集群任务中心进行通信，以确定所述集群任务执行方案。

本地控制中心，与所述集群任务中心通信连接，并基于所述集群任务计算确定执行时间并反馈给所述集群任务中心。还用于将所述集群任务执行方案传输至所述单机任务模块。

根据本发明的一些实施例，参考图2，所述单机模块包括：

任务库，包括多个彼此独立的任务插槽。

任务蓝图，负责单机动作的创建、管理、销毁，当接收到集群任务执行方案后，基于单机动作库将所述集群任务执行方案分解为至少一个单机动作，并将至少一个所述单机动作依次存储于所述任务插槽中。任务蓝图通过信号量、锁等极值对任务插槽中的单机动作进行管理。所述单机动作库为单机模块所在的无人机能做出的所有动作。

根据本发明的一些实施例，所述系统控制装置还包括通信模块，参考图3，所述通信模块包括：

分布式消息总线，用于不同的系统控制装置之间以及系统控制装置与控制台之间进行通信。

本地消息队列，用于系统控制装置内各个不同模块之间进行通信。

根据本发明的一些实施例，参考图1，所述系统控制装置还包括：

设备管理器，用于管理系统控制装置搭载的外接设备。基于任务场景的不同，所搭载的外接设备也不同。外接设备驱动均由通用虚拟设备驱动进行控制，并向设备管理器提供接口，当系统上电时，虚拟设备驱动检索所有外接设备，并将外接设备的信息注册到设备管理器上。

根据本发明的一些实施例，所述系统控制装置还包括算法模块，参考图4，所述算法模块包括：

算法库，算法库内存储有算法及权重文件，可以为系统控制装置提供算法支持。

环境状态机，可通过本地消息队列接收当前装置的环境数据及系统控制装置运行数据，可以根据不同的环境状态切换所提供的算法。

根据本发明的一些实施例，参考图5，所述系统控制装置的硬件包括：

核心板，为通用嵌入式计算板卡，核心板嵌入有高性能SOC、存储芯片、编解码芯片、无线通信芯片以及存储器。各器件之间电连接。用于为系统控制装置实现计算、通信、存储等功能。

接口拓展板，包含网关SOC、MCU及接口，该部分可根据具体外设定制不同接口。所有外设均接入接口拓展板上，其中网络摄像头、射频组网设备等通过RJ45网口直接接入网关SOC。其他I2c/SPI/CAN等总线设备接入MCU，MCU通过PHY芯片接入网关SOC。

电源板。电源板包含电源管理芯片(PMU)、变压器、继电器等，为所有设备供电。

核心板高性能SOC与接口拓展板网关SOC相连。电源板PMU与接口拓展板MCU相连。

采用本发明的实施例，进一步提高了系统控制装置的通用性。

根据本发明的一些实施例，当符合条件被选中的无人机集群在执行侦查及攻击任务时，集成任务模块依据提前预设的任务模式进一步对执行侦查与攻击的无人机数量进行划分。

执行不同任务的无人机节点，互为数据分片，即执行不同任务的单机节点使用不同的数据空间。例如，确定有m个无人机执行该侦查及攻击任务，执行侦查任务的无人机数量为m1，其余的无人机执行攻击任务。集群模块为这m1个无人机任务创建数据空间地址，执行侦查任务的无人机的数据空间地址为1,m1]，执行攻击任务的无人机的数据空间，(m1,m]。集群中所有节点均保有所有任务的数据空间地址索引，当系统进行整体态势感知时，按以下公式写入数据到不同的数据空间：

H＝hash(t)mode(a)；

其中，H表示哈希结果，t表示当前时间，a表示任务数量。

当H落入对应数据空间时，将数据存储至对应单机节点中。例如，第一项任务有30个节点执行，当H在1-30之间时，将数据存储至所有执行第一个任务的单机节点中。该方式可以保证当执行同一个任务的单机节点全部丢失时，分片数据存储于数据空间中不会丢失。

本发明第二方面实施例提出一种集群无人机，包括如第一方面实施例中任一项所述的集群无人机的系统控制装置。

下面以一个具体的实施例详细描述适于一种集群无人机的系统控制装置。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

在本实施例中，参考图1与图4集群无人机的系统控制装置包括集群任务模块、单机任务模块、通信模块、算法模块。参考图3，通信模块包括分布式消息总线与本地消息队列。其中，分布式消息总线用于不同的系统控制装置之间以及系统控制装置与控制台之间进行通信。本地消息队列用于系统控制装置内各个不同模块之间进行通信。参考图3，集群任务模块包括集群任务中心、集群管理器、本地控制中心。其中，集群任务中心与所述集群管理器通信连接，所述集群任务中心用于获取所述集群任务，对集群内所有无人机设备的集群任务进行同步与管理，并与所述集群内其他无人机的集群任务中心进行通信，以确定所述集群任务执行方案。集群管理器，用于获取并存储集群中所有无人机的信息以用于交互。当集群中的无人机设备出现变更时，集群管理器同时进行相应的更新。集群管理器，用于获取并存储集群中所有无人机的信息以用于交互。当集群中的无人机设备出现变更时，集群管理器同时进行相应的更新。本地控制中心，与所述集群任务中心通信连接，并基于所述集群任务计算确定执行时间并反馈给所述集群任务中心。还用于将所述集群任务执行方案传输至所述单机任务模块。参考图2，单机任务模块包括任务库、任务蓝图与单机动作库。其中，任务库包括多个彼此独立的任务插槽。任务蓝图负责单机动作的创建、管理、销毁，当接收到集群任务执行方案后，基于单机动作库将所述集群任务执行方案分解为至少一个单机动作，并将至少一个所述单机动作依次存储于所述任务插槽中。任务蓝图通过信号量、锁等极值对任务插槽中的单机动作进行管理。所述单机动作库为单机模块所在的无人机能做出的所有动作。参考图4，算法模块包括算法库与环境状态机。其中，算法库内存储有算法及权重文件，可以为系统控制装置提供算法支持。环境状态机可通过本地消息队列接收当前装置的环境数据及系统控制装置运行数据，可以根据不同的环境状态切换所提供的算法。

当无人机集群在巡逻时，无人机集群接收到地面控制台发送的侦查任务，侦查任务中包括目标的坐标信息以及执行任务时间的最大阈值。集群中各无人机系统控制装置的集成任务模块按照以下公式计算各无人机是否满足执行任务的条件：

其中，U_x表示本机经度坐标，U_y表示本机纬度坐标，T_x表示目标经度坐标，T_y表示目标纬度坐标，r表示目标半径，t₁表示执行任务时间的最大阈值，t_n表示无人机飞抵目标后执行任务的时间，v表示本机的飞行速度。

各无人机的集成任务模块在经过计算后，在满足要求的无人机集群中，经过通信交互比对各自的执行任务时间，按照控制台发送的执行侦查任务所需的无人机数量，在符合要求的无人机中按照执行任务时间由短至长的顺序，依次挑选执行任务所需的无人机。

挑选完成后，执行任务的无人机飞向目标执行任务，未选中的无人机继续巡航。

执行任务的无人机的集成任务模块将确定的集群任务执行方案通过本地消息队列发送至单机任务模块，单机任务模块的任务蓝图根据所在无人机的单机动作库将集成任务执行方案分解为不同的单机动作安放于若干个任务插槽中，任务蓝图根据集群任务执行方案，控制无人机逐个完成任务插槽中的单机动作以完成该集群任务。

采用本发明的技术方案，在集群中的无人机上设置系统控制装置，通过系统控制装置中的集群任务模块确定执行集群任务的无人机及集群任务执行方案，并将集群任务执行方案传输至单机任务模块以控制无人机完成相关任务。以此实现了在感知层进行任务分配，实时性强，进一步提高的任务执行效率。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，可以将各个实施例进行不同的自由组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本说明书的描述中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (8)

1.一种集群无人机的系统控制装置，其特征在于，包括：

集群任务模块，用于获取集群任务，并基于所述集群任务确定执行时间；还用于基于所述执行时间与集群中其他无人机进行交互，以确定集群任务执行方案；

单机任务模块，与所述集群任务模块通信连接，所述单机任务模块用于基于所述集群任务执行方案控制所在无人机。

2.如权利要求1所述的集群无人机的系统控制装置，其特征在于，所述集群任务模块，用于：

从控制台获取集群任务；或，

从集群中其他无人机获取集群任务。

3.如权利要求1所述的集群无人机的系统控制装置，其特征在于，所述集群任务模块，用于：

获取预设阈值，所述预设阈值用于限定执行所述集群任务的无人机数量。

4.如权利要求3所述的集群无人机的系统控制装置，其特征在于，所述集群任务模块，用于：

通过交互比对集群中每个无人机的执行时间，基于执行时间短的选取原则，从集群中选取预设阈值个无人机。

5.如权利要求4所述的集群无人机的系统控制装置，其特征在于，所述集群任务模块，用于：

确定分配方案；

基于所述分配方案，结合选取的预设阈值个无人机，确定集群任务执行方案。

6.如权利要求1所述的集群无人机的系统控制装置，其特征在于，所述集群任务模块包括：

集群管理器，用于获取并存储集群中所有无人机的信息以用于交互；

集群任务中心，与所述集群管理器通信连接，所述集群任务中心用于获取所述集群任务，并与所述集群内其他无人机的集群任务中心进行通信，以确定所述集群任务执行方案；

本地控制中心，与所述集群任务中心通信连接，所述本地控制中心用于基于所述集群任务确定执行时间并反馈给所述集群任务中心；还用于将所述集群任务执行方案传输至所述单机任务模块。

7.如权利要求1所述的集群无人机的系统控制装置，其特征在于，所述单机模块包括：

任务库，包括多个彼此独立的任务插槽；

任务蓝图，用于基于单机动作库将所述集群任务执行方案分解为至少一个单机动作，并将至少一个所述单机动作依次存储于所述任务插槽中。

8.一种集群无人机，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的集群无人机的系统控制装置。