CN117707200A - 一种基于ros的无人机蜂群协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，用于控制无人机蜂群，无人机蜂群包括多个无人机，包括：地面操控终端、数据链模块和多个机载模块；地面操控终端用于负责监控无人机蜂群的运行状态，用于为无人机蜂群制定工作任务，用于保存无人机蜂群的历史数据；地面操控终端通过数据链模块与无人机蜂群的各个无人机连接；机载模块包括机载任务板模块、电源管理模块和飞行控制器。本发明的基于ROS的无人机蜂群协同控制系统依靠设定领航无人机来使无人机蜂群内其他无人机有跟随的目标，解决了传统编队模式中领航无人机失效掉线导致任务规划失败的问题，有效提高了无人机蜂群控制的灵活性及节点失效的鲁棒性。

Description

一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统。

背景技术

无人机是一种无人驾驶的动力飞行器，具有零伤亡、隐身性能好、机动性好、适应性强等特点，在军事领域和民用领域都有着广泛应用。单架无人机执行任务时，由于受到续航时间、载荷能力等方面的限制，在执行复杂任务需求时时常难以胜任，所以人们往往利用无人机蜂群间的协同工作来执行单架无人机难以完成的任务，因此，无人机蜂群系统成为了无人机研究领域的热点之一。

针对无人机蜂群系统，传统的控制方式多采用集中式控制方法，存在鲁棒性差、扩展性差等缺点，无人机之间可能相互碰撞。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统。

本发明的一个实施例提供一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，用于控制无人机蜂群，所述无人机蜂群包括多个无人机，包括：地面操控终端、数据链模块和多个机载模块；

所述地面操控终端用于负责监控所述无人机蜂群的运行状态，用于为所述无人机蜂群制定工作任务，用于保存所述无人机蜂群的历史数据；

所述地面操控终端通过所述数据链模块与所述无人机蜂群的各个无人机连接；

所述机载模块设置在所述无人机上，所述机载模块包括机载任务板模块、电源管理模块和飞行控制器；

所述机载任务板模块装配有ROS系统，并且集成有蜂群协同控制软件，所述蜂群协同控制软件用于对所述无人机蜂群进行编队控制、所述工作任务分配、飞行控制，所述机载任务板模块基于虚拟领航的编队控制算法，选取其中一所述无人机为领航无人机，以所述领航无人机所处位置为虚拟原点，并基于所述虚拟原点建立虚拟坐标系，所述无人机蜂群的其它无人机基于所述虚拟坐标系确定所述无人机的虚拟位置，并跟随所述领航无人机实施所述工作任务；

所述电源管理模块分别与所述机载任务板模块和所述飞行控制器电连接；

所述飞行控制器用于接收所述机载任务板模块的信号，并控制所述无人机的运行。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法对所述无人机蜂群的各个无人机赋予虚拟编号，并基于所述虚拟编号进行飞行编队。

在一些可选的实施方式中，当所述无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个所述无人机出现故障、与所述数据链模块断开连接、所述无人机蜂群进行分离或者所述无人机蜂群进行聚合时，所述虚拟领航的编队控制算法对所述无人机进行重新设置虚拟编号，根据所述工作任务进行任务重分配以及飞行编队重构。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法对所述无人机进行重新设置虚拟编号时，由最小的所述虚拟编号所对应的无人机作为所述领航无人机。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法根据所述无人机通过所述数据链模块与所述地面操控终端建立连接顺序来对所述无人机赋予虚拟编号。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法包括任务分配节点；

所述任务分配节点用于负责解析所述地面操控终端发出的所述工作任务，并根据所述无人机蜂群的无人机数量以及各个所述无人机所携带的载荷进行所述工作任务分配。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法包括编队控制节点，所述编队控制节点用于负责航线规划；

所述编队控制节点基于目标所述无人机的虚拟位置与所述虚拟原点的间距以及与所述无人机蜂群的其它无人机的虚拟位置间距，确定目标所述无人机的目标姿态，以使目标无人机在跟随所述领航无人机飞行的同时保持相对所述虚拟原点的位置以及避免与所述无人机蜂群的其它无人机相撞。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法包括自愈控制节点，所述自愈控制节点用于对所述无人机蜂群的各个无人机赋予虚拟编号，并基于所述虚拟编号进行飞行编队，并且当所述无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个所述无人机出现故障、与所述数据链模块断开连接、所述无人机蜂群进行分离或者所述无人机蜂群进行聚合时，所述自愈控制节点用于对所述无人机进行重新设置虚拟编号，根据所述工作任务进行任务重分配以及飞行编队重构。

在一些可选的实施方式中，所述虚拟领航的编队控制算法包括飞行控制节点、蜂群通信节点和MAVROS节点，

所述飞行控制节点基于目标姿态生成所述无人机的速度指令和姿态指令，通过所述MAVROS节点将所述无人机的速度指令和姿态指令发送至所述飞行控制器；

所述蜂群通信节点与所述数据链模块连接，用于接收来自所述地面操控终端的工作任务，并且与其它所述无人机交换彼此的虚拟位置和姿态信息；

所述MAVROS节点用于获取所述无人机的相关数据，所述相关数据至少包括虚拟位置和姿态信息。

相对于现有技术，本发明的基于ROS的无人机蜂群协同控制系统依靠设定领航无人机来使无人机蜂群内其他无人机有跟随的目标，解决了传统编队模式中领航无人机失效掉线导致任务规划失败的问题，并且通过实现自愈的控制算法，解决了无人机蜂群中由于一个或多个无人机故障、掉线或进行分离、聚合时导致的蜂群网络拓扑结构失效问题，有效提高了无人机蜂群控制的灵活性及节点失效的鲁棒性。

为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明一个实施例的基于ROS的无人机蜂群协同控制系统的模块连接示意图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是一个或一个以上。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以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，除非另有明确的限定。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。

请参阅图1，本发明的一个实施例提供一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，用于控制无人机蜂群，无人机蜂群包括多个无人机，本实施方式中，无人机的数量为n，n大于3。该基于ROS的无人机蜂群协同控制系统包括：地面操控终端、数据链模块和多个机载模块。

地面操控终端用于负责监控无人机蜂群的运行状态，用于为无人机蜂群制定工作任务，用于保存无人机蜂群的历史数据。

地面操控终端通过数据链模块与无人机蜂群的各个无人机连接，采用MESH方式组网，实现整个系统之间的通信。本实施方式中，机载任务板运行Ubuntu18.04操作系统，并在其上运行机器人ROS操作系统(版本为Melodic)，作为无人机软件平台。

机载模块设置在无人机上，机载模块包括机载任务板模块、电源管理模块和飞行控制器。

机载任务板模块装配有ROS系统，并且集成有蜂群协同控制软件，，蜂群协同控制软件用于对无人机蜂群进行编队控制、工作任务分配、飞行控制，机载任务板模块基于虚拟领航的编队控制算法，选取其中一无人机为领航无人机，以领航无人机所处位置为虚拟原点，并基于虚拟原点建立虚拟坐标系，无人机蜂群的其它无人机基于虚拟坐标系确定无人机的虚拟位置，并跟随领航无人机实施工作任务。区别于传统的领航跟随式编队，传统的领机掉线会导致任务失败，本发明基于领航无人机负责航线规划问题，其他无人机和领航无人机保持设定好的间距。

电源管理模块分别与机载任务板模块和飞行控制器电连接；飞行控制器用于接收机载任务板模块的信号，并控制无人机的运行。

在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法对无人机蜂群的各个无人机赋予虚拟编号，并基于虚拟编号进行飞行编队。

在一些可选的实施方式中，当无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个无人机出现故障、与数据链模块断开连接、无人机蜂群进行分离或者无人机蜂群进行聚合时，虚拟领航的编队控制算法对无人机进行重新设置虚拟编号，根据工作任务进行任务重分配以及飞行编队重构，由于无人机蜂群的编队会按照虚拟编号的顺序进行排列，无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个无人机出现故障、与数据链模块断开连接、无人机蜂群进行分离或者无人机蜂群进行聚合等情况均会导致一些无人机的无法进行飞行任务，这导致其中部分的虚拟编号缺失，因此需要重新设置无人机的虚拟编号，然后按照飞行编队重新构建，避免无人机的编队中因为一些虚拟编号确实而导致一些位置缺失无人机，导致编队失败。

在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法对无人机进行重新设置虚拟编号时，由最小的虚拟编号所对应的无人机作为领航无人机，使得领航无人机，在领航无人机出现无法进行飞行任务的情况时，能够有新的领航无人机补充，实现自愈，而由于出现了新的领航无人机，则虚拟原点的位置也转移到新的领航无人机所处位置，因此无人机蜂群的编队也将随着根据领航无人机的改变而将会重构。

虚拟编号的赋予顺序可以根据实际需要来设计，在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法根据无人机通过数据链模块与地面操控终端建立连接顺序来对无人机赋予虚拟编号。

虚拟领航的编队控制算法可以根据实际需要来设计，在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法包括任务分配节点；任务分配节点用于负责解析地面操控终端发出的工作任务，并根据无人机蜂群的无人机数量以及各个无人机所携带的载荷进行工作任务分配。

在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法包括编队控制节点，编队控制节点用于负责航线规划。编队控制节点基于目标无人机的虚拟位置与虚拟原点的间距以及与无人机蜂群的其它无人机的虚拟位置间距，确定目标无人机的目标姿态，以使目标无人机在跟随领航无人机飞行的同时保持相对虚拟原点的位置以及避免与无人机蜂群的其它无人机相撞。

目标姿态的可通过结合人工势场法，以目标无人机的虚拟位置与虚拟原点的间距以及与无人机蜂群的其它无人机的虚拟位置间距来计算引力场与斥力场，得出无人机的目标姿态。

在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法包括自愈控制节点，自愈控制节点用于对无人机蜂群的各个无人机赋予虚拟编号，并基于虚拟编号进行飞行编队，并且当无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个无人机出现故障、与数据链模块断开连接、无人机蜂群进行分离或者无人机蜂群进行聚合时，自愈控制节点用于对无人机进行重新设置虚拟编号，根据工作任务进行任务重分配以及飞行编队重构。

在一些可选的实施方式中，虚拟领航的编队控制算法包括飞行控制节点、蜂群通信节点和MAVROS节点，

飞行控制节点基于目标姿态生成无人机的速度指令和姿态指令，通过MAVROS节点将无人机的速度指令和姿态指令发送至飞行控制器。

蜂群通信节点与数据链模块连接，用于接收来自地面操控终端的工作任务，并且与其它无人机交换彼此的虚拟位置和姿态信息。

MAVROS节点用于获取无人机的相关数据，相关数据至少包括虚拟位置和姿态信息。

无人机上通过数据链模块组网完成后，待机等待地面操控终端命令，蜂群通信节点收到地面操控终端的工作任务后进行协议解析，然后发送给任务分配节点，同时将接收到的群内其他成员状态信息发送给任务分配节点，确定各无人机的工作任务以及所需要实施的编队，编队控制节点根据工作任务和所需要实施的编队生成各个无人机的目标航线和目标姿态，飞行控制节点基于目标航线和目标姿态等将指令分解成飞行控制器可识别的速度、姿态等指令，通过MAVROS节点下发到飞行控制器，实现无人机飞行控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，用于控制无人机蜂群，所述无人机蜂群包括多个无人机，其特征在于，包括：地面操控终端、数据链模块和多个机载模块；

所述地面操控终端用于负责监控所述无人机蜂群的运行状态，用于为所述无人机蜂群制定工作任务，用于保存所述无人机蜂群的历史数据；

所述地面操控终端通过所述数据链模块与所述无人机蜂群的各个无人机连接；

所述机载模块设置在所述无人机上，所述机载模块包括机载任务板模块、电源管理模块和飞行控制器；

所述机载任务板模块装配有ROS系统，并且集成有蜂群协同控制软件，所述蜂群协同控制软件用于对所述无人机蜂群进行编队控制、所述工作任务分配、飞行控制，所述机载任务板模块基于虚拟领航的编队控制算法，选取其中一所述无人机为领航无人机，以所述领航无人机所处位置为虚拟原点，并基于所述虚拟原点建立虚拟坐标系，所述无人机蜂群的其它无人机基于所述虚拟坐标系确定所述无人机的虚拟位置，并跟随所述领航无人机实施所述工作任务；

所述电源管理模块分别与所述机载任务板模块和所述飞行控制器电连接；

所述飞行控制器用于接收所述机载任务板模块的信号，并控制所述无人机的运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法对所述无人机蜂群的各个无人机赋予虚拟编号，并基于所述虚拟编号进行飞行编队。

3.根据权利要求2所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：当所述无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个所述无人机出现故障、与所述数据链模块断开连接、所述无人机蜂群进行分离或者所述无人机蜂群进行聚合时，所述虚拟领航的编队控制算法对所述无人机进行重新设置虚拟编号，根据所述工作任务进行任务重分配以及飞行编队重构。

4.根据权利要求3所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法对所述无人机进行重新设置虚拟编号时，由最小的所述虚拟编号所对应的无人机作为所述领航无人机。

5.根据权利要求2所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法根据所述无人机通过所述数据链模块与所述地面操控终端建立连接顺序来对所述无人机赋予虚拟编号。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法包括任务分配节点；

所述任务分配节点用于负责解析所述地面操控终端发出的所述工作任务，并根据所述无人机蜂群的无人机数量以及各个所述无人机所携带的载荷进行所述工作任务分配。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法包括编队控制节点，所述编队控制节点用于负责航线规划；

所述编队控制节点基于目标所述无人机的虚拟位置与所述虚拟原点的间距以及与所述无人机蜂群的其它无人机的虚拟位置间距，确定目标所述无人机的目标姿态，以使目标无人机在跟随所述领航无人机飞行的同时保持相对所述虚拟原点的位置以及避免与所述无人机蜂群的其它无人机相撞。

8.根据权利要求2或3任一项所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法包括自愈控制节点，所述自愈控制节点用于对所述无人机蜂群的各个无人机赋予虚拟编号，并基于所述虚拟编号进行飞行编队，并且当所述无人机蜂群的无人机数量发生变化、一个或多个所述无人机出现故障、与所述数据链模块断开连接、所述无人机蜂群进行分离或者所述无人机蜂群进行聚合时，所述自愈控制节点用于对所述无人机进行重新设置虚拟编号，根据所述工作任务进行任务重分配以及飞行编队重构。

9.根据权利要求7所述的一种基于ROS的无人机蜂群协同控制系统，其特征在于：所述虚拟领航的编队控制算法包括飞行控制节点、蜂群通信节点和MAVROS节点，

所述飞行控制节点基于所述目标姿态生成所述无人机的速度指令和姿态指令，通过所述MAVROS节点将所述无人机的速度指令和姿态指令发送至所述飞行控制器；

所述蜂群通信节点与所述数据链模块连接，用于接收来自所述地面操控终端的工作任务，并且与其它所述无人机交换彼此的虚拟位置和姿态信息；

所述MAVROS节点用于获取所述无人机的相关数据，所述相关数据至少包括虚拟位置和姿态信息。