一种多机多站联合立体任务系统及方法与流程

本发明涉及一种多机多站联合立体任务系统及方法。

背景技术：

随着飞行技术的飞速发展，对单个飞行设备的操作早已不能满足需求，多台飞行设备协同合作便开始应运而生，也即一组功能简单、成本廉价的飞行设备通过相应的控制算法以预定的航迹和操作完成一系列复杂的任务。

然而，目前的多机协同合作系统多侧重于飞行设备组的分布模式和控制算法，基本无法做到飞行设备组的自主续航，无法实现在外界环境下的持久的自主作业。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种多机多站联合立体任务系统及方法，本发明通过设置相应数量的智能站，且针对多机情况下进行多机之间的协商、航迹规划，能够实现飞行设备组电池的自动更换、自主充电和飞行本体的修养保护，大大提升了飞行设备组的自主续航和持久作业能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多机多站联合立体任务系统，包括控制终端、通信系统、智能站以及多机平台，其中：

所述智能站，包括多个，分别设置于飞行航线的不同区域，为各个飞行本体提供自检、续航、定位与换电服务；

所述多机平台，被配置为接收控制终端的控制指令，并进行解析和数据转换，输送至相应的飞行本体，同时，获取相应的飞行本体的航点信息与观测数据，传输至控制终端进行存储；

所述通信系统，被配置为给多机平台与控制终端、智能站与控制终端以及多机平台与智能站的交互提供通信通道，配置通信协议，确定飞机本体的IP地址和ID序列，为不同类型的数据确定相应的通信端口；

所述控制终端，被配置为发送多机平台的控制信息以及接收多机平台的反馈信息，控制智能站的飞行本体的启停情况，同时接收飞行本体的目标数据、环境模型和状态参数，并按照接收的反馈信息，进行对飞行本体的位置和姿态的调整。

进一步的，所述飞行本体，包括但不限于无人机、旋翼飞行机、飞行器等自动飞行装置。

本发明的系统由于对于飞行本体的机械结构改动不大，且对于飞行本体的要求不高，具有适用范围广的优点，基本所有能够实现飞行的自动设备均属于本发明的应用对象。

所述控制终端，包括人机交互模块、自主决策模块、初始化模块和数据库，其中：

所述人机交互模块，被配置为接收用户指令和数据知识，用户指令包括各类调用、执行和控制命令，数据知识包括目标数据、环境模型及工程参数，将用户指令和数据知识发送至初始化模块、状态显示模块、自主决策模块和数据库；

所述自主决策模块，被配置为根据用户指令和数据知识生成预定航线和任务数据，进而进行编队和任务分配，形成协作数据，以实现各飞行本体的位置、姿态的相互调整；

所述初始化模块，被配置为接收所述人机交互模块发送的用户指令，完成控制终端的资源分配，并初始化控制终端与各飞行本体及智能站间的无线通讯端口，向各飞行本体和智能站发送测试数据，检测控制终端与其是否连接正常；

所述数据库，被配置为接收所述人机交互模块发送的数据知识和飞行本体载荷通过所述通信系统发送的采集数据，并对其进行分类管理和存储。

优选的，所述控制终端还包括状态显示模块，以接收所述人机交互模块发送的用户指令和飞行本体航点存储模块经所述通信系统反馈的航点信息，打开并调用状态显示界面，显示并记录各飞行本体状态信息，所述状态信息包括航迹信息、位置信息和电池电量信息。

进一步的，所述多机平台，包括若干飞行本体以及设置于飞行本体上SDK控制模块、指令处理模块、GPS定位模块、航点存储模块和电压检测模块其中，

所述指令处理模块对控制终端经通信系统发出的指令进行解析和数据转换，并传输至飞行本体SDK控制模块；

所述飞行本体SDK控制模块接收指令处理模块发送的指令数据，完成飞行本体的操纵控制；

所述GPS定位模块获取飞行本体航点信息，并传输至航点存储模块；

所述航点存储模块接收、存储所述GPS定位模块发送的航点信息，并经所述通信系统反馈至所述状态显示模块。

所述电压检测模块获取飞行本体的电池电量状况，并经所述通信系统反馈至所述状态显示模块。

进一步的，所述多机平台还设置有各类荷载，以采集各类观测数据，并经所述通信系统反馈至所述数据库。

具体荷载包括：温度传感器、湿度传感器、图像采集器、各类空气质量传感器或/和红外传感器。

所述智能站组容纳所述飞行本体的同时，对其进行充电和管理，加强飞行本体的续航能力。

所述智能站，包括自检模块、自主续航模块和引导定位模块，其中：

所述自检模块接收所述控制终端通过通信系统发送的控制指令，实现自身和飞行本体的状态检查，自检完成后，发送标志位给引导定位模块；

所述引导定位模块，根据标志位确定飞行本体的降落位置，辅助飞行本体进行精准降落；

所述自主续航模块，接收引导定位模块发送的降落信息，对飞行本体进行电池更换，并对更换下的电池进行充电。

进一步的，所述引导定位模块包括控制器、承接平台、平台面V型装置和视觉引导降落模块，其中：

所述控制器，被配置为接收所述自检模块发送的标志位和多无人机平台经所述通信系统发送的控制指令，控制和驱动承接平台的上升和下降；

所述承接平台机械结构上与平台面V型装置相连，用于安放无人机和支撑平台面V型装置；

所述视觉引导降落模块，被配置为采集图像信息，以识别确认飞行本体的高度，当高度到达降落范围内时，发送信息给飞行本体，进行降落指令的执行；

所述平台面V型装置用于引导飞行本体滑落并固定住飞行本体。

进一步的，所述视觉引导降落模块包括地面变焦摄像头和图像处理模块，其中：

所述地面变焦摄像头接收视野范围内的图像信息，并发送至图像处理模块；

所述图像处理模块根据所述图像信息识别出飞行本体骨架，并根据计算机视觉算法估算出悬停于高清摄像头正上方的飞行本体高度，当所述高度信息低于所设的阈值时，图像处理模块通过通信系统给飞行本体发送降落指令。

进一步的，所述自主续航模块包括运动控制单元和三维直角坐标运动系统，其中：

所述运动控制单元在机械结构上与电池抓取机构相连，用于抓取和更换电池；

所述三维直角坐标运动系统包括在第一轴方向运动的第一平移机构、在第二轴方向运动的第二平移机构以及在第三轴方向运动的第三平移机构，其中，第一轴方向、第二轴方向和第三轴方向构成三维直角坐标系；所述第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构的一端分别与运动控制单元相连，另一端分别与电池抓取机构相连。

基于上述系统的工作方法，具体包括：

(1)接收初始化指令，对控制终端的各个模块进行初始化和分配资源，通过通信系统向各飞行本体和智能站发送测试数据包，检测控制终端与其是否连接正常，如果连接正常，接收反馈数据，否则，进行重新发送检测信息；

(2)控制终端通过通信系统发送完成标志信号至各智能站，启动智能站的自检，控制终端接收到智能站的自检反馈信号后，将调整后的各飞行本体的航迹数据和任务数据打包并根据各飞行本体的ID发送至相应飞行本体，飞行本体机群按照预定的航迹和编队起飞作业；

(3)接收控制指令，生成航迹数据和相应的任务数据，根据各个飞行本体的航迹数据和任务数据，对机群中各飞行本体进行相对位置的调整；

(4)飞行作业过程中，各飞行本体将航点信息、电池电量状况及自身ID打包通过通信系统发送至控制终端，需要飞行本体返航或进行充电后，选择航线上相应的智能站进行降落，智能站接收控制终端发送的控制命令，根据先前的背景图像和此时的图像信息，利用背景作差法捕捉和识别出飞行本体，利用霍夫直线检测原理，检测出飞行本体机臂的十字交叉直线，并以单目测距的方法，估算出相应的飞行本体的高度，辅助飞行本体进行安全降落。

所述步骤(3)中，根据接收的任务，确定好编码队形，根据长机-僚机的形式生成各飞行本体的控制指令，并将这些控制指令根据各飞行本体ID发送至相应的飞行本体，使各僚机均以长机为标准移动和调整。

所述步骤(3)中，控制终端在飞行本体机群的飞行过程中根据需要改变其监控模式和编队队形，需要进行范围广的搜索任务，则飞行本体机群以分散式的三角队形作业；需要测量同一高度不同地方的空气质量，则飞行本体机群以同一高度悬停作业；需要测量同一地方不同高度的空气质量指标，则飞行本体机群以同一地点不同高度悬停监控的方式作业。

当然，本领域技术人员可以在本发明的基础上，将上述编队方式或监控模式，根据检测对象、任务的不同进行调节，这种改动均属于本领域的常规替换，理应属于本发明的保护范围。

所述步骤(3)中，飞行本体机群的直线编队变为垂直直线编队，其具体过程如下：自主决策模块根据用户控制指令，生成模拟的垂直直线编队，用户选取队首飞行本体为长机，其他则为僚机；控制终端根据各无人机ID发送新的任务数据至各飞行本体，使长机悬停不动，各僚机均以一定梯度的高度依次升高，最终都移动到长机的水平坐标，形成垂直直线编队。

所述步骤(4)中，当飞行本体作业完成后，飞行到预设的悬停点，控制终端控制各飞行本体悬停于对应飞行本体智能站的正上方，地面变焦摄像头采集此时视野图像信息，并发送至飞行本体智能站的图像处理模块，图像处理模块根据先前的背景图像和此时的图像信息，利用背景作差法捕捉和识别出飞行本体；再利用霍夫直线检测原理，检测出飞行本体机臂的十字交叉直线，并以单目测距的方法，估算出各飞行本体的高度；控制终端控制各飞行本体下降，当飞行本体下降到设定的高度阈值以下，飞行本体自动降落至平台面V型装置中，各飞行本体降落至相应的智能站后，智能站承接平台下降。

所述步骤(4)中，待飞行本体降落后，自主续航模块的运动控制单元动作，控制机械臂夹取飞行本体电池至电池管理模块，并从电池管理模块中取出电量充足的新电池为飞行本体装上，电池管理模块则为刚换下的电池进行充电和保养。

所述步骤(4)中，飞行作业过程中，飞行本体的电压检测模块实时监测其电池电量状况，并通过通信系统在状态显示模块上加以显示，当飞行本体电池电量过低时，通过人机交互界面选择航线上合适位置的智能站使飞行本体降落，并进行电池更换和充电的动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在航线上安置相应数量的智能站，实现了飞行本体多机组的电池的自动更换、自主充电和飞行本体多机组的修养保护，通过实时监测各个飞行本体的电池电量，当电池电量低于设定值后，可以在航线上选择合适的智能站进行换电或充电服务，能大大提升了飞行本体多机组的自主续航和持久作业能力；

(2)本发明的飞行本体多机组搭载不同负载完成相对复杂的监测任务，根据需要改变其监控模式和编队队形，需要进行范围广的搜索任务，适用场合广泛；

(3)本发明的飞行本体上设置有各类荷载，其采集的数据，图像、视频和点云信息等都会通过通信系统发送至控制终端的数据库，数据库对其进行整理和保存，以形成大数据，供后续研究适用，具有巨大的研究意义；

(4)本发明根据先前的背景图像和此时的图像信息，利用背景作差法捕捉和识别出飞行本体；再利用霍夫直线检测原理，检测出飞行本体机臂的十字交叉直线，并以单目测距的方法，估算出各飞行本体的高度，能够很好的保证飞行本体的精确降落，保证飞行本体的机身安全；

(5)本发明多个飞行本体形成组群，根据需要改变其监控模式和编队队形，通过队形或长机-僚机的搭配，能够对目标实现全方位的立体监测。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的作业前流程示意图；

图3是本发明的作业中流程示意图；

图4是本发明的作业后流程示意图；

图5是本发明固定装置的整体结构示意图；

图6是本发明限位槽的示意图；

其中，1.固定台，2.第一限位槽，3.滑块，4.滑杆，5.固定桩，6.降落面，7.平撑，8.卡槽，9.竖直面。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的多机协同合作系统多侧重于无人机组的分布模式和控制算法，无法做到无人机组的自主续航，无法实现在外界环境下的持久的自主作业，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多机多站联合立体任务系统。

以无人机为例进行典型实施例的说明，当然本发明的系统由于对于飞行本体的机械结构改动不大，且对于飞行本体的要求不高，具有适用范围广的优点，基本所有能够实现飞行的自动设备均属于本发明的应用对象。

如图1所示，一种多机多站联合立体任务系统，所述系统至少包括：控制终端、多无人机平台、无人机智能站组和通信系统。其中：

所述通信系统被配置为实现无人机智能站、无人机和控制终端三者之间的无线通讯，规定了数据传输采用UDP协议，确定了无人机自身的IP地址和ID序列，并明确了不同的通信端口发送和接收不同类型的数据。

所述控制终端包括人机交互模块、自主决策模块、状态显示模块、初始化模块和数据库。其中：

所述人机交互模块用于接收用户指令和数据知识，其中所述用户指令包括各类调用、执行和控制命令，数据知识包括目标数据、环境模型及工程参数等，并将所述的用户指令和数据知识发送至初始化模块、状态显示模块、自主决策模块和数据库。

所述自主决策模块包括：多机协商模块、编队任务分配模块和航迹规划模块；其中：

所述航迹规划模块根据所述用户指令和数据知识生成无人机组的预定航线和任务数据，并将航迹和任务数据发送至编队任务分配模块；

所述编队任务分配模块根据所述用户指令、数据知识、航迹和任务数据生成编队规划和任务分配数据，并将所述编队规划和任务分配数据发送至多机协商模块；

所述多机协商模块根据所述用户指令、数据知识、编队规划和任务分配数据生成协作数据，协作数据通过所述通信系统发送至多无人机平台，实现各无人机位置、姿态等状态的相互调整；

所述初始化模块用于接收所述人机交互模块发送的用户指令，完成控制终端的各模块的资源分配，并初始化控制终端与各无人机及智能站间的无线通讯端口，向各无人机和智能站发送测试数据，检测控制终端与其是否连接正常；

所述状态显示模块用于接收所述人机交互模块发送的用户指令和无人机航点存储模块经所述通信系统反馈的航点信息，打开并调用状态显示界面，显示并记录各无人机状态信息，所述状态信息包括航迹信息和位置信息；

所述数据库用于接收所述人机交互模块发送的数据知识和无人机载荷通过所述通信系统发送的采集数据，并对其进行分类管理和存储；

所述多无人机平台包括：若干同类无人机、各类荷载(包括各类传感器及其他设备)、无人机SDK控制模块、指令处理模块、GPS定位模块、航点存储模块和电压检测模块；

所述指令处理模块对控制终端经通信系统发出的指令进行解析和数据转换，并传输至无人机SDK控制模块；

所述无人机SDK控制模块接收指令处理模块发送的指令数据，完成无人机的操纵控制；

所述GPS定位模块获取无人机航点信息，并传输至航点存储模块；

所述航点存储模块接收、存储所述GPS定位模块发送的航点信息，并经所述通信系统反馈至所述状态显示模块；

所述电压检测模块获取飞行本体的电池电量状况，并经所述通信系统反馈至所述状态显示模块。

所述各类荷载用于采集各类观测数据，并经所述通信系统反馈至所述数据库；

所述智能站组容纳所述无人机的同时，对其进行充电和管理，加强无人机的续航能力。所述智能站具体包括：自检模块、自主续航模块和引导定位模块，所述自检模块接收所述控制终端通过通信系统发送的控制指令，实现自身和无人机的状态检查，自检完成后，发送标志位给引导定位模块；

所述引导定位模块包括：控制器(步进电机)、承接平台、平台面V型装置和视觉引导降落模块；

所述控制器用于接收所述自检模块发送的标志位和多无人机平台经所述通信系统发送的控制指令，控制承接平台的上升和下降；

所述承接平台机械结构上与平台面V型装置相连，用于安放无人机和支撑平台面V型装置，如图5所示；

所述视觉引导降落模块又包括：地面变焦摄像头和图像处理模块；

所述地面变焦摄像头接收视野范围内的图像信息，并发送至图像处理模块；

所述图像处理模块根据所述图像信息识别出无人机骨架，并根据计算机视觉算法估算出悬停于高清摄像头正上方的无人机高度，当所述高度信息低于所设的阈值时，图像处理模块通过通信系统给无人机发送降落指令；

所述平台面V型装置用于引导无人机滑落并固定住无人机，利用机械装置实现无人机的精准降落；

所述自主续航模块包括：电池更换模块和电池管理模块；

所述电池更换模块包括：运动控制单元和三维直角坐标运动系统；

所述运动控制单元在机械结构上与电池抓取机构相连，用于抓取和更换电池；

所述三维直角坐标运动系统包括在第一轴方向运动的第一平移机构、在第二轴方向运动的第二平移机构以及在第三轴方向运动的第三平移机构，其中，第一轴方向、第二轴方向和第三轴方向构成三维直角坐标系；所述第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构的一端分别与运动控制单元相连，另一端分别与电池抓取机构相连；

所述电池管理模块用于接收所述电池更换模块换下的电池，并对其进行充电和保养。

如图6所示，所述平台面V型装置，用于对无人机机臂进行限位的限位槽，限位槽包括底部设置的平撑，平撑一侧与降落面连接，降落面为平面或曲面，降落面与平撑倾斜设置，无人机机臂支撑腿与降落面发生接触后，顺着降落面落入到平撑上实现精确定位，定位槽通过限位槽中降落面的设置，对无人机机臂进行限位，以提高降落的精度，该定位槽结构简单，定位精度高，可以达到亚毫米级。

此外，在所述限位槽中平撑的另一侧设置第二降落面，第二降落面与平撑倾斜设置，降落面、平撑与第二降落面形成V型形状，这样两降落面从两个方向对无人机机臂的支撑腿进行限位控制，拓宽了应用范围，所述限位槽为空心倒立的圆台形状。

或者，所述限位槽为U型，当无人机机臂支撑腿与U型的限位槽内壁发生碰撞，无人机机臂支撑腿顺着限位槽内部滑落至底部。

所述降落面与所述第二降落面之间设置竖直面；

进一步地，在一所述竖直面的顶部开有用于支撑无人机机臂的卡槽，通过卡槽的设置，无人机落入后，对无人机进行固定，卡槽的高度可以根据无人机的具体型号进行调节，一般情况下，卡槽的高度与大于等于无人机机臂的半径。

所述竖直面与所述降落面连接，上述限位槽构成一个顶部开口的容纳空间，或者，所述竖直面设于所述降落面与所述第二降落面之间，当无人机降落时，若无人机机臂支撑腿位置发生偏斜，限位槽中的降落面内表面与无人机机臂支撑腿底部发生接触，支撑腿受力向下降落落入到平撑上进行支撑，而两边的降落面也就是V型形状设置的原因，对支撑腿进行限位，实现了无人机的精确定位，支架顶部的卡槽在无人机位置降落后，对机臂进行有效支撑和固定，有效保障无人机降落的位置。

此外，降落面或者第二降落面相对于平撑的角度A在30度至80度，限位槽高度H可变化，具体值取决于无人机支撑腿的高度。

限位槽底部平撑的宽度可变化，具体值取决于无人机支撑腿的宽度。

限位槽卡槽宽度可变化，具体值取决于无人机机臂的直径。

若降落面的水平投影距离为L，L＝H/tanA，限位槽高度H和角度A相互制约。

本发明还提供了一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，该装置包括上述的定位槽，通过多个限位槽的设置，对无人机的机翼位置进行准确定位。

一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，包括至少两个所述的一种辅助无人机降落的精确定位槽，所述限位槽的底部设于固定台上，在固定台的中部设置有标识点，无人机通过标识点对无人机机芯进行定位，固定台为凹槽结构设置，便于对后续固定桩、滑杆的容纳，竖直面或者支架沿着固定台的圆周方向布置。

该定位装置中，无人机利用控制系统实现了粗定位，粗定位在距离降落平台垂直距离5--10cm的区间内自由下落。精确定位装置中的限位槽可引导无人机利用惯性降落达到精确定位并固定，这样在两个限位槽之间，可人工或者采用机械设备对无人机的电池进行更换，或者进行其他的后续工作。

作为最优方案中，所述限位槽的数量与无人机机臂的数量相同，通过对每一个机翼的限位，可保证无人机位置降落的精度，控制在亚毫米级别。

另一实施方式中，所述限位槽为两个时，相邻的两个限位槽间隔一无人机机臂设置，如四翼无人机，限位槽可对称设置两个，若为六翼无人机，限位槽可设置两个或者三个，间隔一个机翼或者两个机翼进行设置。

若无人机携带摄像设备，在所述固定台的中部设置固定桩，所述标识点设于固定桩上，无人机携带的设想设备对标识点进行识别，识别速度快，或者，在固定桩表面设置摄像设备，摄像设备与控制器连接，以对无人机机芯进行粗定位，进一步地，所述固定台的底部与旋转机构固定以通过固定台的旋转来调节限位槽的位置，旋转机构可以是旋转电机，无人机通过标识点进行一个点的定位，相比于传统技术中对无人机机臂四个点、或者六个点均进行定位控制，实现降落速度快，有效保证了降落后的后续工作开展。

该摄像设备设于固定桩上，有效减轻了无人机的重量，提高了无人机设备的飞行时间，控制器通过摄像设备对无人机机芯位置进行定位，以对无人机机芯进行定位，一个点的定位相对四个点的定位来说，定位相对容易，再配合四个机臂的粗定位，降落位置准确度较高。

进一步地，为了提高该定位装置的适应性，适应不同机臂长度的无人机，在所述固定桩的圆周固定有滑杆，滑杆与滑块固定，滑块相对于滑杆可滑动，所述的限位槽固定于滑块上，以通过滑块的移动调节限位槽与固定桩之间的距离。

所述滑块上设置紧固件，紧固件穿过滑块将滑块固定于滑杆上，这样的结构设置，可根据机臂的长度，调整滑块相对于滑杆的位置，也就实现了限位槽相对于固定桩也就是无人机机芯的位置。

本发明提出的多机多站立体监测系统至少包括多无人机平台、无人机智能站组、控制终端和通信系统，其中，通信系统用于多无人机平台、无人机智能站组和控制终端的相互通讯和大数据传递，无人机智能站与无人机之间则通过配对数传模块进行一一对应以及小数据量的通讯，无人机智能站并对无人机进行充电和管理，加强无人机的续航能力。

控制终端的各模块可以在普通PC上利用Visual C++进行开发。

多无人机平台可选取若干台DJI M100四旋翼无人机，该类型无人机自带GPS定位模块，多无人机平台的SDK控制模块、航点存储模块和指令处理模块可以基于Cortex-M4嵌入式构架，并采用C++构建。

无人机智能站的各模块可以基于PLC进行控制管理。

通信系统规定数据传输采用UDP协议，确定了无人机自身的IP地址和ID序列，并明确了不同的通信端口发送和接收不同类型的数据。

下面以本系统的作业过程对本发明进行详细说明。

作业前，各无人机通过承接平台和平台面V型装置固定安置在对应的无人机智能站中。用户通过人机交互模块输入启动指令，并发送至初始化模块，初始化模块接收到启动指令后为控制终端的各模块分配资源，并初始化控制终端与各无人机及智能站间的无线通讯端口，通过通信系统向各无人机和智能站发送测试数据包，检测控制终端与其是否连接正常；连接正常时，各无人机和智能站均发送反馈信号至控制终端，并闪烁绿色的信号灯；控制终端接收到反馈信号后，通过人机交互模块提示用户输入相应指令，进行下一步的操作；用户输入总协同的任务指令并发送至自主决策模块，其中航迹规划模块根据用户指令预设出无人机群的预定航线；编队任务分配模块接收航迹规划模块发送的航迹数据，并结合用户指令和设定的各无人机参数，生成各无人机的航迹数据和任务数据；多机协商模块接收各无人机的航迹数据和任务数据，并结合用户指令，完成模拟机群中各无人机相对位置的调整，该过程流程图如图2所示。

完成上述操作后，控制终端通过通信系统发送完成标志信号至各无人机智能站，启动无人机智能站的自检模块，完成无人机智能站各模块和其中无人机大致情况的检查。自检完成后，连接承接平台和平台面V型装置的控制器动作，为无人机上电的同时，无人机智能站打开天窗，升起承接平台，并反馈信号至控制终端，通过人机交互模块提示用户检测完成，准备起飞。控制终端接收到反馈信号后，将各无人机的航迹数据和任务数据打包并根据各无人机的ID发送至相应无人机。无人机平台的指令处理模块接收到数据指令后，对其进行转换、分类，并将航迹数据和任务数据都发送至无人机SDK控制模块，无人机群按照预定的航迹和编队起飞作业。

控制终端在无人机群的飞行过程中还可以根据需要改变其监控模式和编队队形。例如，需要进行范围广的搜索任务，则无人机群可以以分散式的三角队形作业；需要测量同一高度不同地方的空气质量，则可以保持无人机群以同一高度悬停作业；需要测量同一地方不同高度的二氧化硫的指标，则可以保持无人机群以同一地点不同高度悬停监控的方式作业等等。具体的过程是，自主决策模块根据用户发送的控制指令，生成模拟的编队队形，确定好编队后，根据长机-僚机的形式生成各无人机的控制指令，并将这些控制指令根据各无人机ID发送至相应的无人机，使各僚机均以长机为标准移动和调整。例如，无人机群的直线编队变为垂直直线编队，其具体过程如下：自主决策模块根据用户控制指令，生成模拟的垂直直线编队，用户选取队首无人机为长机，其他则为僚机。控制终端根据各无人机ID发送新的任务数据至各无人机，使长机悬停不动，各僚机均以梯度为5米的高度依次升高，最终都移动到长机的水平坐标，形成垂直直线编队，该过程流程图如图3所示。

当然，其梯度也是可以进行调整的。

无人机群飞行作业过程中，各无人机的航点存储模块都会将航点信息及自身ID打包通过通信系统发送至控制终端的状态显示模块。状态显示模块显示并记录各无人机状态信息，包括航迹信息和位置信息；各无人机的荷载采集的数据，图像、视频和点云信息等都会通过通信系统发送至控制终端的数据库，数据库对其进行整理和保存，以形成大数据。

当飞行本体电池电量较低时，用户可直接通过人机交互界面选择航线上合适位置的智能站使飞行本体降落，并进行电池更换和充电的动作。

当无人机返航途中，控制终端根据用户指令发送标志信号至各无人机智能站，智能站收到标志信号后打开天窗，升起承接平台，并开启固定于承接平台中心的地面变焦摄像头，拍下智能站上空的背景图像，并将图像信息发送至图像处理模块，等待下一步的处理。

当无人机作业完成后，飞行到预设的悬停点，控制终端控制各无人机悬停于对应无人机智能站的正上方。地面变焦摄像头采集此时视野图像信息，并发送至无人机智能站的图像处理模块。图像处理模块根据先前的背景图像和此时的图像信息，利用背景作差法捕捉和识别出无人机；再利用霍夫直线检测原理，检测出无人机机臂的十字交叉直线，并以单目测距的方法，估算出各无人机的高度；控制终端控制各无人机下降，当无人机下降到设定的高度阈值以下，无人机自动降落至平台面V型装置中。

各无人机降落至相应的智能站后，智能站承接平台下降，天窗关闭并启动自主续航模块。自主续航模块的运动控制单元动作，控制机械臂夹取无人机电池至电池管理模块，并从电池管理模块中取出电量充足的新电池为无人机装上，电池管理模块则为刚换下的电池进行充电和保养，该过程流程图如图4所示。

综上，本发明通过安置相应数量的智能站，实现了飞行本体多机组的电池的自动更换、自主充电和飞行本体多机组的修养保护，大大提升了飞行本体多机组的自主续航和持久作业能力；

本发明的飞行本体多机组搭载不同负载完成相对复杂的监测任务，根据需要改变其监控模式和编队队形，需要进行范围广的搜索任务，适用场合广泛；

本发明的飞行本体上设置有各类荷载，其采集的数据，图像、视频和点云信息等都会通过通信系统发送至控制终端的数据库，数据库对其进行整理和保存，以形成大数据，供后续研究适用，具有巨大的研究意义；

本发明根据先前的背景图像和此时的图像信息，利用背景作差法捕捉和识别出飞行本体；再利用霍夫直线检测原理，检测出飞行本体机臂的十字交叉直线，并以单目测距的方法，估算出各飞行本体的高度，能够很好的保证飞行本体的精确降落，保证飞行本体的机身安全；

本发明多个飞行本体形成组群，根据需要改变其监控模式和编队队形，通过队形或长机-僚机的搭配，能够对目标实现全方位的立体监测。

无人机飞行降落方法，包括如下步骤：

步骤(a1)：无人机进入无人机起落站摄像头拍摄范围内之前，无人机起落站的摄像头拍摄背景图像；

步骤(a2)：无人机完成工作任务后，无人机根据事先存储的无人机起落站的GPS位置信息，返航飞行至无人机起落站相对高度h1的摄像头拍摄范围内；

步骤(a3)：无人机向无人机起落站的计算机发出降落引导请求指令，计算机接收到降落引导请求指令后，计算机控制摄像头拍摄前景图像，然后计算机对背景图像与前景图像进行图像处理，获取无人机的水平位置、无人机速度信息和无人机相对于无人机起落站的高度信息；

步骤(a4)：计算机通过计算，运用PID控制方法计算出无人机下一步将要进行的飞行指令；

步骤(a5)：计算机与无人机进行通信，将下一步将要进行的飞行指令发送给无人机；

步骤(a6)：无人机根据飞行指令调整水平位置及姿态，同时，按照设定的速率下落，到达高度h2时，无人机向计算机发出无人机位置调整指令；

步骤(a7)：计算机计算出无人机的每个脚架相对于承接机构的相应的固定限位槽的位置关系，计算出无人机位置调整参数，将计算出的无人机飞行指令发送给无人机；

步骤(a8)：无人机调整角度后，继续下降，直到最终平稳降落在承接结构中。

所述步骤(a7)与步骤(a8)之间还包括：

步骤(a70)：同时载物台升起设定高度；高于自动更换电池装置。

所述步骤(a8)后面还包括：

步骤(a9)：计算机接收无人机已经降落在无人机支撑板上的信号；

步骤(a10)：载物台下降，高度等于自动更换电池装置，自动更换电池装置对无人机进行更换电池动作或无线充电。

图像处理，通过图像获取的无人机水平位置、速度信息和高度信息，一方面根据水平位置、速度信息通过PID控制的手段修正无人机中心点与摄像头光轴的距离差，另一方面根据高度信息控制无人机的下降速率，实现了在无人机整个降落过程中的闭环控制，从而达到使无人机精准降落的目的。

高度h1为10m，高度h2为1m。

计算机对背景图像与前景图像进行图像处理之前的步骤为：

步骤1.1)：采用平面棋盘格标定对摄像机进行标定，从而获取相应摄像机的内参数：焦距f；

步骤1.2)：将无人机置于摄像头正上方1米处，摄像头拍摄图像，此时图像中无人机轴距为L2个像素点。

计算机对背景图像与前景图像进行图像处理的步骤为：

步骤2.1)：将前景图像与背景图像进行灰度化，并将灰度化的二图作差，得到无人机的灰度图；

步骤2.2)：将无人机的灰度图用最大类间方差法进行二值化，得到无人机二值图；

步骤2.3)：对无人机二值图进行开操作处理，去除噪声；

步骤2.4)：对无人机的二值图进行概率霍夫直线检测，由此可以获取图像中无人机的轴距为L3个像素点及机臂的交点为(x,y)；

步骤2.5)：根据实际无人机的轴距、摄像头焦距、图像中的无人机的轴距及机臂交点计算出无人机的水平位置，水平速度及高度信息。

步骤2.5)中计算水平位置，水平速度及高度信息的具体方法是：

以摄像机光轴与摄像头镜头表面的交点为坐标原点，实际方向正东方向为坐标轴x轴正方向，实际方向正北方向为y轴正方向。

无人机水平位置，水平速度及高度信息的计算公式为：

无人机高度为L3/L2，单位：米；

无人机水平位置为(-(x-400)*L3/(L2*f),-(y-300)*L3/(L2*f))；

设前次获取的无人机图像中机臂交点为(x',y'),轴距为L3'，那么，

无人机的x轴水平速度：

V_x＝[-(x-400)*L3/(L2*f)+(x'-400)*L3'/(L2*f)]/0.3；

无人机的y轴水平速度：

V_y＝[-(y-300)*L3/(L2*f)+(y'-300)*L3'/(L2*f)]/0.3。

自主续航模块，包括机载控制器，其用于实时接收无人机电池的电量值，并当无人机电池的电量值低于或等于预设电量阈值时，向智能起降站发送无人机机型信息及降落信号；

所述智能起降站内设置有站内控制器及图像采集装置，图像采集装置用于实时采集无人机图像信息并传送至站内控制器，进而生成无人机降落控制指令并传送至机载控制器来控制无人机粗降至距离智能起降站预设高度范围内；智能起降站内还设置有引导降落及固定装置，其用于在距离智能起降站预设高度范围内引导无人机精准降落且固定无人机保持稳定；

所述站内控制器内还存储有与无人机机型信息相匹配的站内电池仓电池存储位置信息，站内控制器还与电池更换机构相连，站内控制器根据无人机机型信息来控制电池更换机构抓取站内电池仓内相应电池存储位置处的电池来更换无人机电池仓内的电池，实现无人机快速自主续航。

电池更换机构可以选用现有装置。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。