专利名称：基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于无人飞行机器人在特定区域内的协调搜寻方法及系统，特别是基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法与系统，用于对区域内各种带辐射源目标的搜寻和探测，采用双飞行机器人进行自动协调搜寻，实现快速有效的发现有源目标。
背景技术：
近年来，世界各地灾难频发，严重威胁人类的生存和发展。灾后发现搜救目标，实施快速救援，能够大大提高失踪人员生还的可能性，减少生命财产的损失。传统的搜寻方法一般采用地面、空中(载人直升机)两支搜救队伍展开搜寻。然而，由于失踪目标所处区域的特殊性(如山区、海洋、沼泽地带等)，传统的搜寻方法不仅效率低，而且存在搜寻人员的生命安全问题。因此，迫切需要一种更好的搜寻方法。采用无人驾驶飞行机器人(以下简称无人机)对目标进行搜寻是现代搜救领域的发展方向之一。无人机能从多种平台(如车辆、舰船、航空器、亚轨道飞行器和卫星等)发射和回收，搜寻机动性较传统方法大大提高。此外，无人机还具有体积小，成本低，无人员伤亡风险，生存能力强等优点，在各领域都具有广阔的应用前景。采用多无人机对区域进行协调搜寻，不但具有单架无人机的所有特点，还有其自身独特的优势，如目标搜寻效率高，定位精度高，搜寻范围大等。根据以上背景技术的分析，采用飞行机器人对特定区域的目标进行协调搜寻，是一个高效、安全、低成本的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有搜寻技术存在的不足，提出一种基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法与系统。该能够在特定大小的区域内引导无人飞行机器人自动对有源目标进行协调搜寻，搜寻效率高，成本低，风险小。本发明的构思在于:传统的搜寻方法采用地面基站和空中在人飞行器结合的方法搜寻目标，这样不仅成本高，在某些危险的场合还可能存在搜救人员和搜救设备的危险性。而传统的无人飞行器搜寻多是基于各个机体直接对目标进行搜寻和探测，各自搜索独立的区域，不存在协同性，因此效率较低，存在资源浪费和成本过高的缺陷。因此，为了克服已有的搜寻方法的局限性和不足，本发明提出了基于双无人驾驶机器人的协调搜寻方法，对搜寻区域进行协调搜索，实现短时间内的覆盖面最大化，以提高目标搜寻效率。同时，由于采用小型无人飞行器，具有成本低，机动性高，风险低等优点。在搜寻系统中，搜寻主题是两架旋翼飞行机器人，每架飞行机器人通过机载主控制系统进行主控。主控模块通过采集机载GPS全球定位系统的信号进行定位和导航，无人飞行器之间通过机载无线通讯模块进行通讯和数据共享。飞行器搭载信号接收测向设备，能够接受有源目标的信号并给出测向数据。本发明中，我们对目标所在的搜寻区域进行搜索地图建模，即在二维空间内进行离散化。通过划分搜寻区域为若干个同样大小的正方形区域(SXS)，如
图1所示。无人飞行器在一个时间步长内可以从一个矩形中心以一定的路径飞行到邻近的矩形中心。通过这样的建模，可以实现:
I)飞行器的飞行航路点就可以转化为一系列正方形区域的中心坐标值，便于数值化计算和共享。同样地，飞行器的飞行轨迹就可以转化为一系列正方形区域的中心的连线。2)通过对各个正方形区域进行赋值标定，能够对搜索地图进行信息构建和共享。在本发明中，对被任一飞行器搜寻过的正方形区域赋值1，未被搜寻过的赋值O。这样就构建地图搜寻历史信息，飞行器通过我们设计的算法，尽可能搜寻未被搜寻过的区域，从而避免重复搜索，提高效率。在搜寻过程中，飞行器应对尽可能在最短的时间内覆盖最多的搜寻区域，以尽快发现目标。同时，飞行器又不能飞出搜寻边界。因此，飞行器应当尽可能远离友机以及搜寻边界，避免重复搜索和越出边界。为此，本发明设计了基于上述离散化地图模型的导航成本函数，用于协调飞行器的飞行轨迹。该函数融合了各飞行器当前位置、下一时刻位置和搜寻区域边界等信息，飞行器通过评价该函数值得大小来规划各自飞行的轨迹。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:
一种基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法，其特征在于操作步骤如下:
1)对目标所在的搜寻区域进行搜索地图建模:在二维空间内进行离散化，搜寻区域为大小XXY的矩形区域，划分搜寻区域为若干个同样大小的正方形区域(SXS)，所有正方形区域的搜寻标记值H初始化为0，无人飞行器在一个时间步长内从一个矩形中心飞行到邻近的矩形中心；
2)双飞行器在任一正方形区域内，根据当前的航向，均产生3个备选航路点，S卩:左前方、正前方、右前方；并通过机载通讯设备与友机共享该信息；
3)根据导航成本函数权利要求
1.一种基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法，其特征在于操作步骤如下: 1)对目标所在的搜寻区域进行搜索地图建模:在二维空间内进行离散化，搜寻区域为大小XXY的矩形区域，划分搜寻区域为若干个同样大小的正方形区域(SXS)，所有正方形区域的搜寻标记值H初始化为O，无人飞行器在一个时间步长内从一个矩形中心飞行到邻近的矩形中心； 2)双飞行器在任一正方形区域内，根据当前的航向，均产生3个备选航路点，S卩:左前方、正前方、右前方；并通过机载通讯设备与友机共享该信息； 3)根据导航成本函数
2.根据权利要求1所述的基 于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法，其特征在于所述步骤3)中的确定双飞行器各自下一时刻目标位置的方法: 双飞行器根据导航成本函数
3.一种基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻系统，应用于根据权利要求1所述的基于双飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法，包括两个无人飞行机器人、每个无人飞行机器人上各装有GPS定位仪，无线通讯设备、信号测向仪、飞行控制系统、主控单元；其中，GPS定位仪采集双飞行器的位置信息，以确定双飞行器的当前位置；无线通讯设备用于双飞行器之间的通信，以共享搜寻信息，其特征在于，飞行器通过无线通讯设备与友机进行通讯，将各自的航路点信息与更新的地图信息发送给友机，同时从友机接受信息；信号测向仪用于探测有源目标；飞行控制系统用于控制飞行器的飞行状态；主控单元用于整个飞行器的全局控制；所述信号测向仪与主控单元通过RS-232与串口连接，进行测向信号传输；飞行控制系统与主控单元CAN总线连接，实时传输导航飞行控制信息；GPS定位仪通过RS-232串口与主控单元连接，向主控单元传输无人飞行机器人的位置信息；无线通讯设备与主控单元通过RS-232串口连接，实现与友机进行通讯。
全文摘要
本发明涉及一种基于无人飞行机器人对有源目标的协调搜寻方法及系统。本方法对目标所在的搜寻区域进行搜索地图建模，即在二维空间内进行离散化，并基于该地图模型提出路径规划方法，从而构建导航成本函数，以规划飞行器机器人的飞行轨迹，实现低成本高效率的协调搜寻。本系统是在两无人飞行机器人上安装GPS定位仪，无线通讯设备、信号测向仪、飞行控制设备和主控单元，飞行机器人在搜寻过程中实时通讯，共享地图和目标信息。本发明可用于对区域内各种带辐射源目标的搜寻和探测，采用双飞行机器人进行自动协调搜寻，实现快速有效的发现有源目标，能够对区域目标进行快速高效的搜寻。
文档编号G05D1/12GK103217985SQ20121042498
公开日2013年7月24日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者谢少荣, 叶周浩, 李恒宇, 张秋菊, 罗均 申请人:上海大学