CN117563239A - 一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，涉及无人机领域，包括：无人机；机载芯片；激光发射模块；激光接收模块，多个激光接收模块分别挂载在无人机机身多个位置；无线通信模块；脚踏板模块，控制激光发射模块的开关状态；地面站系统，连接无线通信模块，与机载芯片建立数据连接，用于接收多个记载芯片的通信数据；机载摄像头；地面站系统被配置为：设置弹药量参数，以控制无人机的激光发射次数；根据机载芯片识别到的有效激光信号，统计对应无人机的受击信息，相应减少无人机血量值；机载芯片被配置为：共享受击信息以及飞行轨迹信息给编队内其他成员。提升了用户利用无人机进行竞技对抗的沉浸感。

Description

一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统。
背景技术
无人机竞技运动不同于传统的体育竞技比赛，是通过无人机飞行对抗与图像传输相结合，让操作者通过VR眼镜以第一人称方式驾驶无人机，完成竞赛目标，现场和收看直播的观众能同步观看比赛画面。现有的无人机竞技运动多为竞速赛，竞速无人机以速度竞技为核心，整机结构相对简单，突出比拼无人机的空气动力学水平以及操作者反应能力。单调的比赛内容不利于充分发挥无人机设备的综合能力以及参赛者的决策能力，极大地限制了无人机竞技运动的发展。随后出现的无人机技战术对抗类的比赛逐渐发展开来，多采用发射激光的方式模拟真实对抗场景，以取得相应分数，在实现本发明的过程中，发明人发现：现有的无人机激光对抗比赛模式受制于无人机扩展能力差、外围配套设备单一、控制系统不完善等因素，导致出现如下问题：对抗操作的反馈不明显、模拟真实度低、对抗强度还原度差，对战模式无法进一步扩展、操作手的战斗策略无法充分发挥。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，提升激光对抗操作的命中率，高度还原无人机对战活动的真实性，策略性，提升用户利用无人机进行竞技对抗的参与感。
本发明是通过以下技术方案予以实现：一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，包括：无人机；机载芯片，安装在无人机的机身上，用于进行逻辑计算以及控制各个功能模块；激光发射模块，连接机载芯片，由机载芯片产生固定频率和占空比的PWM波形的电信号来实施激光发射动作；激光接收模块，多个激光接收模块分别挂载在无人机机身多个位置，连接机载芯片，在接收到其他无人机的激光信号后，由机载芯片识别接收到的信号的频率，根据激光信号的频率来识别无人机，并在接收到有效频率范围的激光信号后判断为击中状态；无线通信模块，连接机载芯片，用于进行无线通信；脚踏板模块，连接无线通信模块，用于向机载芯片发射控制信号，以控制激光发射模块的开关状态；地面站系统，连接无线通信模块，与机载芯片建立数据连接，用于接收多个记载芯片的通信数据；机载摄像头，安装在无人机的机身上，用于采集视频数据；VR设备，连接机载芯片，用于显示视频数据；机载芯片被配置为：在无人机受击后获取敌机位置，并且共享自身位置信息、血量信息、弹药量信息以及敌机位置信息给编队内其他成员；实时更新自身和敌机的短期位置曲线，给出下一步位置预测指示，并把飞行轨迹和预测结果共享给编队内其他成员；地面站系统被配置为：设置弹药量参数，以控制无人机的激光发射次数；根据机载芯片识别到的有效激光信号，统计对应无人机的受击信息，相应减少无人机血量值，当血量值减少到最低时，通过机载芯片断开激光发射模块的发射电路和/或控制无人机飞回地面站。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，还包括：定位模块，连接机载芯片，用于获取无人机的位置信息；姿态模块，连接机载芯片，用于获取无人机的飞行姿态信息。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，还包括：字符叠加模块，连接机载芯片，接收机载摄像头采集的视频数据，并将机载芯片的位置信息、飞行姿态信息、血量信息和弹药量信息与视频画面叠加到一起；图传发射模块，连接字符叠加模块，用于向VR眼镜和/或地面站系统发送比赛画面。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，还包括：协同对战系统，无人机击中敌机后，此无人机的VR眼睛上显示击中敌机提示。无人机受击后获取敌机位置、血量、弹药量、飞机编号等信息，并且通过无线通信模块共享信息给飞机编队其他成员；轨迹预测功能，无人机实时获取自身短期内的位置轨迹曲线，并显示在VR眼镜上，无人机受击后将短时间内获取敌机的位置轨迹曲线，系统会自动给出敌机飞行方向的预测结果，并且敌机的位置轨迹曲线和飞行方向预测结果同步到编队其他成员。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，定位模块为GPS模块，在比赛初始位置复位，并记录此时的位置为坐标原点，并以此坐标原点建立坐标系，实时显示多架无人机的坐标。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，激光发射模块的激光发射部位设有扩束镜，以增大激光的照射范围；激光光源采用圆形的光斑，设置激光发射点垂直照射到平面时，光斑的边缘点和光斑的中心点相对于激光发射点的夹角为5°。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，激光接收模块的感光器件受光面设有凸透镜聚光组件。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，激光发射模块和机载摄像头组成敌我无人机标定系统，显示在VR眼镜中，根据无人机对战需求进行机载激光准星的标定。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，还包括：显示设备，连接地面站系统，以便地面站系统接收来自机载芯片的数据，接收各个无人机编队的得分情况、无人机的血量、弹药量、战损比等信息，通过图传接收模块接收来自各无人机的机载摄像头和字符叠加后的视频数据，显示在显示设备上。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，各个无人机的机载芯片把自身无人机编号、血量信息、弹药量信息、位置信息和姿态信息发送至地面站系统。
根据本发明提供的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，优选地，地面站系统通过局域网网络与移动终端建立连接，以便通过微信小程序实时显示无人机信息以及对战数据。
本发明取得的有益效果至少包括：采用以激光频率不同进行无人机编队分组的策略，使用字符叠加模块将无人机状态信息叠加到摄像头视频中，使用VR眼镜中的敌我无人机标定系统逻辑增大攻击准确度，对抗操作的反馈更明显，并且VR眼镜使得操作者置身于较为真实的无人机对抗游戏当中去，可以增强无人机飞行的乐趣，无人机操作者使用脚踏板控制激光的发射，使得操作者达到身临其境的感受。使用手机端微信小程序实时显示对战数据，方便观众查询。利用完整的视频传输和显示设备，共享不同玩家的第一视角，更增加了观众参与感。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统的系统结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统的地面站系统通信示意图。
图3示出了根据本发明实施例的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统的机载激光准星的标定方法示意图。
图4示出了根据本发明实施例的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统的激光接收电路示意图。
图5示出了根据本发明实施例的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统的无人机编队对抗示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，包括：机载芯片1、无人机机身2、定位模块3、姿态模块4、激光发射模块5、激光接收模块6、机载摄像头7、字符叠加模块8、图传发射模块9、机载无线通信模块10、地面站系统11、弹药单元12、血量单元13、无人机编号14、得分15、图传接收模块16、显示设备17、VR眼镜18、脚踏板模块19、手机端显示系统20、地面站无线通信模块21、脚踏板无线通信模块22。
该系统的具体应用情况以及运行原理包括：机载芯片1以及挂载在机载芯片1上的各装置安装到无人机机身2上；激光发射模块5与机载芯片1相连，由机载芯片1产生固定频率和占空比的PWM波形的电信号来控制激光的发射；激光接收模块6与机载芯片1相连，在无人机的周围挂载多个激光接收模块6，以增强接收来自其他无人机激光信号的能力，当机载芯片1的激光接收模块5接收到其他无人机的激光信号后，机载芯片1会识别到接收信号的频率，根据激光信号频率的不同来判断不同的无人机编号14，接收到有效频率范围的激光信号，则判断为击中状态；机载芯片1会把此无人机击中的信息发送给地面站系统11，判断此无人机得分；当机载芯片1识别到有效的激光信号也后会减少自己血量单元13的血量值13，当血量减少到最低时，机载芯片1也可以阻止激光发射模块5的发射电路，使得无人机无法继续参与比赛，此时可以控制无人机飞回地面站。地面站系统11有弹药单元12和血量单元13，可以给无人机机载芯片1发送控制指令，增加无人机血量和弹药量使得无人机继续参加比赛。
机载无线通信模块10与机载芯片1相连，接收来自无人机操作者的控制指令；脚踏板模块19连接脚踏板无线通信模块22，无人机操作者控制脚踏板模块19发出激光的控制信号，由机载芯片1的机载无线通信模块10接收后产生激光发射模块5的控制信号，从而可以打开激光或者关闭激光。
定位模块3和姿态模块4与机载芯片1相连，定位模块3获取无人机的位置信息，姿态模块4获取无人机的飞行姿态，把位置信息和姿态信息发送给机载芯片1用来提供给无人机操作者参考数据，从而有效的控制无人机飞行；
定位模块3可以采用GPS模块，但不限于GPS模块，GPS实时获取的经纬度海拔数据。GPS模块在比赛初始位置复位，并记录此时的位置为坐标原点，并以此坐标原点建立坐标系，实时显示多架无人机的坐标。其中需要把坐标原点的GPS数据和无人机定位模块3的GPS数据转化为XYZ形式坐标，然后求出上述两者XYZ形式的坐标差值，即为当前无人机的位置坐标；通用的GPS数据转XYZ形式的vincenty公式如下所示：
其中，latrad表示纬度弧度值，lonrad表示经度弧度值，latitude表示纬度值（单位： 度），longitude表示经度值（单位：度），altitude表示海拔高度值（单位：米），v表示曲率，也 称为垂直曲率半径，x、y、z分别表示X轴、Y轴、Z轴坐标，表示地球赤道半径，为 6378137米，表示扁率，选择为；将坐标原点的GPS数据和 无人机实时位置的GPS数据转化为XYZ坐标以后，进行差值运算，求得相对坐标，就是各无人 机的坐标值。
字符叠加模块8与机载芯片相连1，机载摄像头7与字符叠加模块8相连，字符叠加模块8把机载芯片1的位置数据、姿态数据、血量和弹药量信息与来自机载摄像头7的视频数据叠加到一起，经过图传发射模块9，发送到VR头盔18上显示。
地面站系统11通过机载无线通信10模块接收来自机载芯片1的数据，接收各编队的得分情况、无人机的血量，弹药量、战损比等信息。地面站系统11与图传接收模块16相连，接收来自各无人机的机载摄像头和字符叠加后的视频数据，显示在与地面站系统11相连的显示设备17上，可以给观众提供最新的游戏比赛情况。
所述的无人机编号14，本发明创新性的采用根据激光频率进行编号的方式，每一架无人机机在起飞前会给此无人机激光发射模块5发出的激光信号分配一个固定频率值。不同无人机使用不同的激光频率，当无人机上的激光接收模块6接收到激光信号后，会检测出此信号的频率，如果激光频率在正确的范围内，并且激光频率代表的无人机编号14属于敌方无人机编队，则此次激光接收表示为击中状态。
机载芯片1把此次击中状态信号通过机载无线通信模块10实时的发送给地面站系统11。本发明使用的激光是可见光,相比于使用不可见光，可见光激光兼顾稳定性和观赏性。工作运行稳定性好、识别精度高、识别范围广。
无人机编号 激光频率范围（hz）
0 10k(±100)
1 11k(±100)
2 12k(±100)
3 13k(±100)
4 14k(±100)
5 15k(±100)
6 16k(±100)
7 17k(±100)
8 18k(±100)
9 19k(±100)
表1 无人机编号和激光频率对应关系
表1为无人机编号和激光频率对应关系表，此表用10个编号举例，但不限于10个编 号。根据该表，把无人机编队分为两个组，0-4一组，5-9一组，进行无人机对抗或者游戏竞 技，根据实际对战分组可进行扩展更多频率和编号选择。频率和编号的对应关系为：，N表示飞机编号，F表示无人机发出激光的频率。
考虑到当激光的光斑较小时，即使射中无人机也无法准确识别激光信号，本发明采用添加一个凸透镜聚光装置安装到激光接收器件的前面，以增大接收面积。同时考虑激光发射装置的激光光斑大小，激光发射模块6前发射激光部位安装扩束镜用来增大激光的照射范围。本发明的激光发射模块6采用圆形的光斑，设置激光发射点垂直照射到平面时，光斑的边缘点和光斑的中心点相对于激光发射点的夹角为5度较为合适。以上两个设计能够非常准确的进行激光的发射和接收，更加可靠的识别到无人机的编号和击中状态。
激光接收模块6接收的信号在机载芯片1中进行飞机频率的判定，判定方法为：在接收到的一组激光信号中，判断这一组信号中连续出现多次（可采用10次）表1中的频率范围则判定为有效信号。
地面站系统11与手机端显示系统20进行通信，手机端可以使用APP或者微信小程序等，本发明采用微信小程序作为媒介。地面站无线通信模块包含有无线发射和接收模块（可选用Zigbee协议通信或蓝牙模块）和USB转串口模块，地面站无线通信模块的串口部分可以连接电脑作为地面站终端，进行控制指令的发送和接收。地面站系统11连接显示屏作为显示设备17。地面站的无线通信模块21的蓝牙模块可以进行蓝牙通信，也可以使用WIFI模块。
蓝牙模块集成在地面站无线通信模块21，手机端显示系统20的微信小程序通过蓝牙和地面站无线通信模块21的蓝牙模块配对成功后，地面站系统11可以将无人机编号、组队信息、对战情况等数据发送给手机端微信小程序，给观众和参赛选手实时查询对战信息。
如图2所示，图中地面站系统11可以与机载芯片1号22、机载芯片2号23等多个无人机的机载芯片1进行通信。在本发明无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统运行过程中，各个无人机的机载芯片1把自身无人机编号、血量、弹药量、位置和姿态信息等发送给地面站系统11。
如图3所示，图中激光发射模块6和机载摄像头7，将两者垂直对齐固定FPV平台上，进行敌我无人机标定。标定方法：VR眼镜正中心显示准星，使VR眼镜中的准星对准水平距离为10米的物体，然后调整激光的角度，使得激光光斑中心对准此物体，此时即为标定成功。此时激光照射20米范围内的物体时，误差可以忽略不计。激光标定距离不限于10米，可以使用5米、更远或者更近，根据实际情况进行调整。
如图4所示，激光接收电路包含一个滤波电容C，当激光接收模块接收到激光信号以后，OUT输出低电平，滤波电容C可以滤除高频的噪声信号，确保记载芯片准确计算出激光信号频率。
如图5所示，图中以无人机编队1组25和无人机编队2组26，以及各编队1号无人机、2号无人机、3号无人机为例，各编队无人机成员可相互攻击和信息传递，以此组成协同对战系统。无人机编队1组表示己方，无人机编队2组表示敌方。己方1号无人机击中敌方1号无人机后，敌方1号无人机血量减少后，并通过无线通信模块将敌方1号无人机的血量信息和己方无人机的编号共享到己方无人机编队，己方1号无人机的VR眼睛上显示击中敌机提示。
同时由于己方无人机的击中，也会暴露己方1号无人机的位置。敌方1号无人机受击后获取己方1号无人机位置、血量、弹药量、飞机编号等信息的权限，并且通过地面站系统将己方1号无人机的信息共享到敌方无人机编队。
轨迹预测功能，无人机实时获取自身短期内的位置轨迹曲线，并显示在VR眼镜上，无人机受击后将短时间内获取敌机的位置轨迹曲线。位置轨迹曲线绘制采用以下方式：记录最近3秒内，每间隔0.2秒采样一次位置，共采样15个坐标点，将15个坐标点连成一条线，作为无人机运动轨迹。
系统会给出敌机飞行方向的预测结果，并且敌机的位置轨迹曲线和飞行方向预测结果同步到编队其他成员。具体计算方法如下：
无人机在不同时间点上的位置： 其中；
取后两个坐标点：和；
无人机位置的x坐标差值：；
同理，无人机位置的y坐标差值：；
以记录的最后时刻和前一时刻坐标点的曲线斜率代替最后时刻无人机的运动方向，该曲线斜率的计算公式如下：
下一个无人机位置预测点坐标：
其中，xend表示由最后时刻的GPS数据转换为无人机的轴坐标，yend表示由最后时 刻的GPS数据转换为无人机的轴坐标，xend-1表示由前一时刻的GPS数据转换为无人机的 轴坐标，yend-1表示由前一时刻的GPS数据转换为无人机的轴坐标，k表示曲线斜率，N表示 第N个记录的时间间隔，，表示第N个记录时间间隔的预测位置，N可取5，如 果时间间隔取0.2秒，则表示1s后的预测位置。
根据上述实施例，本发明在无人机的FPV摄像机平台上装载以激光频率设定无人机编号的激光发射装置，采用地面的脚踏板进行无线电遥控激光射击，使用激光发射模块和机载摄像头组成VR眼镜中的敌我无人机的标定，通过字符叠加模块将摄像头视频数据经图传到VR眼睛上，供给无人机操作者控制。在无人机机身周围装上激光接收模块，可以接收到其他无人机的激光信号，根据激光信号的频率判断出敌机编号。此系统把无人机分为多个编队，无人机有初始化血量和弹药量，并且无人机会把自己的状态信息，包括位置信息、姿态信息、血量等通过无线通信传递给地面站，地面站会实时显示无人机对战情况。采用手机端输出控制指令，进行组队选择，使得游戏真实性、体验感更强。
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。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。

Claims (10)

1.一种无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，包括：
无人机；
机载芯片，安装在所述无人机的机身上，用于进行逻辑计算以及控制各个功能模块；
激光发射模块，连接所述机载芯片，由机载芯片产生固定频率和占空比的PWM波形的电信号来实施激光发射动作；
激光接收模块，多个所述激光接收模块分别挂载在无人机机身多个位置，连接所述机载芯片，在接收到其他无人机的激光信号后，由所述机载芯片识别接收到的信号的频率，根据激光信号的频率来识别无人机，并在接收到有效频率范围的激光信号后判断为击中状态；
无线通信模块，连接所述机载芯片，用于进行无线通信；
脚踏板模块，连接所述无线通信模块，用于向所述机载芯片发射控制信号，以控制所述激光发射模块的开关状态；
地面站系统，连接所述无线通信模块，与所述机载芯片建立数据连接，用于接收多个记载芯片的通信数据；
机载摄像头，安装在所述无人机的机身上，用于采集视频数据；
VR设备，连接所述机载芯片，用于显示所述视频数据；
所述机载芯片被配置为：在无人机受击后获取敌机位置，并且共享自身位置信息、血量信息、弹药量信息以及敌机位置信息给编队内其他成员；实时更新自身和敌机的短期位置曲线，给出下一步位置预测指示，并把飞行轨迹和预测结果共享给编队内其他成员；
所述地面站系统被配置为：设置弹药量参数，以控制无人机的激光发射次数；根据所述机载芯片识别到的有效激光信号，统计对应无人机的受击信息，相应减少无人机血量值，当血量值减少到最低时，通过所述机载芯片断开激光发射模块的发射电路和/或控制无人机飞回地面站。
2.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，还包括：
定位模块，连接所述机载芯片，用于获取所述无人机的位置信息；
姿态模块，连接所述机载芯片，用于获取所述无人机的飞行姿态信息。
3.根据权利要求2所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，还包括：
字符叠加模块，连接所述机载芯片，接收所述机载摄像头采集的视频数据，并将机载芯片的位置信息、飞行姿态信息、血量信息和弹药量信息与视频画面叠加到一起；
图传发射模块，连接所述字符叠加模块，用于向VR设备和/或地面站系统发送比赛画面。
4.根据权利要求2所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，所述定位模块为GPS模块，在比赛初始位置复位，并记录此时的位置为坐标原点，并以此坐标原点建立坐标系，实时显示多架无人机的坐标。
5.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，所述激光发射模块的激光发射部位设有扩束镜，以增大激光的照射范围；激光光源采用圆形的光斑，设置激光发射点垂直照射到平面时，光斑的边缘点和光斑的中心点相对于激光发射点的夹角为5°。
6.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，所述激光接收模块的感光器件受光面设有凸透镜聚光组件。
7.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，所述激光发射模块和所述机载摄像头组成敌我无人机标定系统，显示在VR眼镜中，根据无人机对战需求进行机载激光准星的标定。
8.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，还包括：
显示设备，连接所述地面站系统，以便所述地面站系统接收来自机载芯片的数据，接收各个无人机编队的得分情况、无人机的血量、弹药量、战损比信息，通过图传接收模块接收来自各无人机的机载摄像头和字符叠加后的视频数据，显示在所述显示设备上。
9.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，各个无人机的机载芯片把自身无人机编号、血量信息、弹药量信息、位置信息和姿态信息发送至地面站系统。
10.根据权利要求1所述的无人机集群的激光模拟智能网联协同对战系统，其特征在于，所述地面站系统通过局域网网络与移动终端建立连接，以便通过微信小程序实时显示无人机信息以及对战数据。
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