本发明涉及一种基于蜂群系统的长续行无人机，属于飞行器技术领域。
背景技术：
近年来，现代战争的发展已经呈现出明显的无人化趋势。无人机在现代战争中具有很多优势，其主要执行任务特点为成本低、隐蔽性好、不惧伤亡且起降简单、支持多重任务类型等。但是单个无人机执行任务系统存在着侦察打击范围小、时间短、适应性差和容易被击毁等缺点。为适应未来战争需要，无人机正在从传统的单独辅助训练、战斗支援功能向通信中继、战场管理、火力引导、毁伤评估、预警、电子对抗等多功能方向发展，尤其集群执行任务是军用无人机的主要趋势，其显著的执行任务效能、低廉的成本、易于大量装备等优点使得其在战争中的作用越来越突出，必将成为影响执行任务进程的重要乃至关键性力量。
无人机群组网技术成为近年来无人机发展的热点研究方向。而现有的无人机集群执行任务系统极少，且均使用传统的无线组网方式进行通信。在传统的无线组网通信中，无人机只与地面指控中心等固定网络基础设施通信而不与其他无人机通信。现有的无人机集群执行任务系统存在以下几方面的缺陷：
(1)受限于传统的点对点通信方式，现有的无人机集群执行任务系统只能在单个无人机的有效通信距离范围内进行执行任务，执行任务范围小;(2)所有无人机都只与指控中心或基站进行通信，灵活性差；需要网络基础设施的支持，这要求提前到战场建立基站等基础设施，执行任务难度高；若网络基础设施被敌军打击，整个无人机通信网络将失效，可靠性差，无法适应当前复杂多变的战场环境。
这些缺陷削弱了无人机集群的执行任务能力，限制了无人机集群在现代战场上的应用，是无人机集群实际执行任务中亟待解决的重要问题。
为解决该技术问题，本发明的发明人设置了蜂群无人机系统，该发明中，将参与执行任务的无人机按层次进行编队，形成空中无人机战队，但是无人机在执行任务过程中需要消耗能源，而现有技术中的无人机续行时间较短，如此消弱了无人机的执行任务的能力。
技术实现要素：
为克服上述缺陷，本发明的发明目的是提供一种基于蜂群系统的长续行无人机，其续行时间长，可延长执行任务时间。
为实现所述发明目的，本发明提供一种基于蜂群系统的长续行无人机，其包括动力装置和用于控制动力装置的控制系统，所述动力装置至少包括一个定子和一个转子，定子设置于转子外周，所述定子交错设置有呈n极性和s极性的永久磁铁，所述定子至少包括交错设置的第一定子绕组和第二定子绕组，通过第一定子绕组输入交变电流，通过第二定子绕组输出交变电能，其特征在于，所述控制系统至少包括电机驱动器和设置在电机驱动器与地之间的电流采样器，转换器用于将直流电能转换为施加到第一定子绕组中的每一相的交流电，所述电流传感器用于探测施加于第一定子绕组的电流，并将电流值转换为电压值。
优选地，所述供电源为光伏能源。
优选地，所述光伏能源来源于贴附于无人机表面的光伏电池膜，所述光伏电池膜下贴附有分形电容，用于存储光伏电池膜将光伏能所转换而来的电能。
优选地，所述控制系统至少包括放大器，其用于放大电流采样器所输出的电压。
优选地，所述控制系统至少还包括adc转换器，其用于将放大器所提供的电压值转换为数字信号并提供给电机控制器。
与现有技术相比，本发明提供的基于蜂群系统的长续行无人机的续行时间长，可延长执行任务时间。
附图说明
图1是本发明提供的无人机载控制系统的组成框图；
图2是本发明提供的无人机的动力装置的电路图；
图3是本发明提供的基于蜂群的自组网无人机系统的组成示意图；
图4是本发明提供的组长节点的工作流程图；
图5是本发明提供的组员节点的工作流程图；
图6是本发明提供的检验待认证无人机节点合法性的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是电连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明提供的基于蜂群系统的长续行无人机的无线设备的组成框图的组成框图，如图1所示，根据本发明一个实施例，无线设备被配置成用于无人机通过无线适配器而形成点对点群组。无线设备可以包括处理器405、存储器401、无线适配器410，存储器401包括只读存储器（rom）、随机存取存储器（ram）。处理器405可以从rom载入启动指令，然后从ram读取进一步的指令，其执行并完成一个或多个逻辑运行。具体地，处理器405可以配置以控制无线适配器410的运行，建立与另一无线设备的链接，并控制无线适配器使其建立ad-hoc网络连接用于无线设备之间的信息通信。ram可以存储初始网络配置数据。在一个实施例中，初始网络配置数据可以是默认的配置数据。或者，网络配置数据可以是由用户通过用户接口适配器而提供的定制配置数据。另外，一旦接收到网络拓扑和时间戳数据，处理器405可以使这些数据存储在ram中，用于日后参考或进一步分送。本领域普通技术人员可以认识到，ram和处理器的组件可以配置以执行各种运行。
无线设备还包括飞控器406和根据飞控器406的指令驱动无人机飞行的伺服机构407，其中，飞控器406根据处理器405的指令给伺服机构407提供控制信号，以使伺服机构407根据预设路径或者上一级发送来的指令进行飞行，也将无人机飞行时的数据传送给处理器405，飞控器406至少包括用于控制电动机的控制子系统。无线设备还包括照相子系统，其包括照相机412和相机控制器413，所述照相机412连接于相机控制器413，其用于对目标区域进行航拍，并将所航拍的图像信息传送给相机控制器413，相机控制器413连接于处理器405，其用于对输入的图像信息进行处理而后传送给处理器405。无线适配器410通常包括数字基带单元的射频单元，发信时，所述数字基带单元用于将处理器405要传送的信息进行信源编码和信道编码，而后传送给射频单元，所述射频单元包括发射器，所述发射器用于将数字基带单元传送来的信息进行加密并调制到上级指示的载波信号上而后进行功放，最后通过天线发射到空间；射频单元还包括接收器，接收器用于将天线接收的信号进行解调和解密，而后将数据发送给数字基带单元，数字基带单元用于将数字基带信号进行信道解码、信源解码，取出控制终端发送来的数据或者指令。
根据本发明第一实施例，无人机的控制系统还包括传感器组件402，传感器组件示例性地包括高度计，其用于获取无人机与地面的高度信息。传感器组件示例性地还包括磁航向仪、空速管，陀螺仪等，用于测量无人机的航向，速度等。
无人机的控制系统还包括导航定位接收器403，其通过天线a1接收导航定位卫星的关于无人机的位置信息及时间信息，并将数据传送给处理器405。导航定位接收器403例如为gps接收器、北斗定位授时接收器等。根据一个实施例，无线设备还包括测距装置409，其用于测量无人机与目标等的距离，所述测距离装置409例如为激光测距仪。无人机的控制系统还包括测向装置417，其用于测量被监视目标与无人机的方向。处理器405根据测距装置409和测向装置417所提供的数据确定被监测目标的位置和速度等。
根据本发明一实施例，本发明提供的无人机由能源装置404向各个部件提供能源，其可以通过开关进行断开与接通控制，能源装置404至少包括光伏电池。
根据本发明一实施例，本发明提供无人机还包括执行任务控制器408，其根据指令控制执行任务部件状态。
图2是本发明提供的无人机动力装置的电路图，如图2所示，动力装置包括电动机和用于控制电动机的控制子系统。
电动机包括外壳、置于外壳内的定子和转子，所述定子上设置驱动绕组线圈（第一定子绕组）u1、v1和w1、和能量回收绕组线圈（第二定子绕组）u2、v2和w2，驱动绕组线圈u1、v1和w1和能量回收绕组线圈u2、v2和w2分别交错设置。
根据本发明一个实施例，电机的定子还包括多个彼此叠置的环形硅片、多个部分能量回收绕组槽、多个驱动绕组（电动机绕组）槽、多个磁通分割槽、多个抵消消除槽、缠绕在相应能量回收绕组槽周围的多个能量回收绕组、以及缠绕在相应驱动绕绕组槽周围的多个驱动绕组和控制绕组。
电动机绕组用作通过接收来电机电路的电力而使转子旋转的线圈。部分能量回收绕组用作利用由转子旋转感应出的电流而产生电力。在该实施例中，绕组槽和绕组的总数是6，被分在6个区域中。沿定子周向按如下方式布置u1、u2、v1、v2、w1、w2。驱动绕组被连接到电机驱动器，控制绕组被连接到电机驱动器dr2。控制绕组被连接到相应的整流器。当各个相的绕组并联缠绕时，这些绕组通过相位和极性进行分布和缠绕并连接到相应的导线上，彼此之间没有任何连接。
此外，由于在电动机绕组槽与能量回收绕组槽之间设有宽度均等相对较窄的磁通分割槽，因此磁通被分割，从而阻断了可供电动机绕组的磁通流向部分能量回收绕组的路径，使得电动机绕组的磁通只可流向定子的磁场，从而使电动机能更有效地驱动。此外，磁通分割槽使电动机绕组槽周围的励磁宽度保持不变，从而使电动机绕组槽可以在驱动期间不影响相邻绕组槽或不受相邻绕组槽影响地进行操作。
在能量回收绕组槽与相邻能量回收绕组槽之间设有宽度均等且相对较窄的抵消消除槽，以消除磁通相抵，从而提高了发电效率。
转子包括多个彼此叠置的硅片以及多个平坦的永磁体，这些永磁体沿径向埋设在叠置的硅片中。就此而言，永磁体被设计成具有强磁力，以致于可形成相对较宽的磁场表面，因此可使磁通聚集在该磁场表面上，增大磁场表面的磁通密度。转子的极数根据定子的极数而定。
下面详细介绍转子，三个永磁体等距离地彼此间隔开并埋设在叠置的圆形硅片中，且极性呈n极性和s极交错布置的。在叠置的圆形硅片的中心上设有非磁芯，以支撑永磁体和硅片，并且穿过非磁芯的中心设有轴。永磁体形成为平坦形状，并且在永磁体之间形成有空置空间。
使用永磁体的电动机被设计成具有通过转子的被动能量和定子的主动能量相结合而形成的旋转力。为了实现电动机中的超效率，增强转子的被动能量是非常重要的。因此，在本实施例中使用“钕(钕、铁、硼)”磁体。这些磁体增大了磁场表面并使磁通能聚集到转子的磁场上，从而增大了磁场的磁通密度。
用于控制电动机的控制子系统系统包括控制电路、相驱动器、驱动器、第一电流采样器器、第二电流采样器和第三电流采样器，所述驱动器包括多个开关元件t1到t6、及用来接通-断开驱动开关元件t1到t6的相驱动电路pd1。在开关元件t1~t6中使用金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）或绝缘栅双极型晶体管（igbt）等功率半导体元件。此外，在各个开关元件t1到t6并联连接着环流二极管。
第一电流采样器可以连接于驱动器中的开关元件t2与地之间，所述第一电流采样器优选利用电阻r1实现，用于将所采集的电流信号转换为电压信号；第二电流采样器可以连接于驱动器中的开关元件t4与地之间，所述第二电流采样器优选利用电阻r2实现，用于将所采集的电流信号转换为电压信号；第三电流采样器可以连接于驱动器中的开关元件t6与地之间，所停第三电流采样器优选利用电阻r3实现，用于将所采集的电流信号转换为电压信号。
控制电路包括电动机控制器mc1、偏置电路of1和放大器co1，所述放大器co1用于放大从第一电流采样器提供的电压信号并提供给偏置电路0f1，所述偏置电路0f1用于将放大器co1提供的信号与由控制器提供的参考电压vref进行比较从而产生数字信号adc1，并提供给控制器mc1。
控制电路还包括偏置电路of2和放大器co2，所述放大器co2用于放大从第二电流采样器提供的电压信号并提供给偏置电路0f2，所述偏置电路of2用于将放大器co2提供的信号与由控制器提供的参考电压vref进行比较从而产生数字信号adc2，并提供给控制器mc1。
控制电路还包括偏置电路of3和放大器co3，所述放大器co3用于放大从第三电流采样器提供的电压信号并提供给偏置电路0f3，所述偏置电路0f3用于将放大器co3提供的信号与由控制器提供的参考电压vref进行比较从而产生数字信号adc3，并提供给控制器mc1。
电动机控制器mc1根据数字信号adc1、adc2和adc2产生pwm信号。控制电路还包括逻辑控制器lc1，逻辑控制器lc1响应pwm信号和时钟信号将pwm信号转换为用于控制相驱动器的并行信号。逻辑控制器lc1可以给电动机控制器传送错误信号，响应错误信号，电动机控制器可以给逻辑控制器提供一个校正的pwm信号和校正的时钟信号。
响应并行信号，相驱动器pd1可以产生栅极信号打开或者关闭驱动器中的多个开关元件t1到t6。响应栅极信号，驱动器可以产生一个交流电流信号以驱动电动机，从而使电动机自动调速。
整流电路包括二极管d1、d2、d3、d4、d5和d6，其中，线圈u2并的一端连接公共地，另一端经集线器（图中未示）连接于d1和d2相串联的中间节点上；线圈v2并的一端连接公共地，另一端经集线器（图中未示）连接于d3和d4相串联的中间节点上；线圈v3并的一端连接公共地，另一端经集线器（图中未示）连接于d5和d6相串联的中间节点。滤波电路包括电感l1和电容c1，二极管d1、d2和d5的负极端相连，并连接于电感l1的第一端，电感l1的第二端连接于电容c1的第一端，并向外提供直流电能，电容c1的第二端接地。
如图2所示，能源装置404包括光伏电池se及其控制电路，光伏电池的控制电路包括电阻r4和r5，它们相串联后并联到光伏电池se的两端，其中间节点用于取出光伏电压的取样电压；光伏电池的接地端通过电流互感器r6取出取样电流，最大功率跟踪模块mppt根据采样电压和采样电流的值控制光伏电池se的输出功率。最大功率跟踪模块mppt的输出连接于脉冲宽度调制电路的输入端，脉冲宽度调制电路包括运算放大器ic1和运算放大器ic2，运算放大器ic1的输出端连接于其反相输入端，其正相输入端连接于mppt的输出端。运算放大器ic2的反相端连接于运算放大器ic1的输出端，同相端连接于三角波频率源，输出端连接于场效应管t7的栅极。
光伏电池的控制电路还包括场效应管t7、二极管d7和线圈l2，它们组成升压电路，其中场效应管t7的栅极连接于运算放大器ic2的输出端，漏极连接于二极管d7的正极及电感l2的第二端，电感l2的第一端连接于光伏电池se的正极输出端，二极管d7的负极连接于电源输出端及电容c2的第一端，电容c2的第二端连接于地，控制电路用于将光伏电池能充于电容c2中，电容c2用于给电动机驱动器提供电能。
本发明一个实施例中，光伏能源来源于贴附于无人机表面的光伏电池膜，电容c2为分形电容，其贴附于无人机外壳上，光伏电池膜下，用于存储光伏电池膜将光伏能转换而来的电能。
本发明提供的无人机的动力装置，将光伏能转换为电能以提供给无人机的电动机中，在电动机中由于在定子上设置了能量回收绕组，在无人机飞行的过程中收集了部分能量，该收集的能量部分补充了能源，从而节省了能量，如此可延长无人机的飞行时间，从而提高其执行任务的能力
图3是本发明提供的基于蜂群的自组网无人机系统的组成示意图。自组网无人机系统中，无人机载无线设备都被设置以通过ad-hoc无线数据连接而进行通信。另外，无线设备可以使用无线适配器而建立无线数据连接，相邻的无线设备通过频谱感知并进行认证建立起无线连接。认证通过后，该相邻的两无线设备可以通过无连接传递网络配置信息、信道信息及网络标识，从而在在相邻的两无线设备之间建立ad-hoc网络链接。本发明中，无人机载无线设备、无人机节点和终端具有相同的含义。
网络配置信息可以包括物理网络标识符，例如，物理网络标识符以用于识别该ad-hoc网络。物理网络标识符也可以包括广播网络标识符。广播网络标识符可以包括ip多播网络标识符，其用于限制消息广播的范围。网络配置信息还可以包括逻辑网络标识符，例如，逻辑网络标识符可以包括点对点群组标识符，其用于识别无线设备要加入的一个逻辑点对点群组。例如逻辑网络标识符可以根据部队的建制来制定。无线连接可以传递任一无人机节点进入网络的时间戳。
图3中，基于蜂群的自组网无人机系统包括第一逻辑群组、第二逻辑群组和第三逻辑群组。第一群组包括一个组长节点和多个组员节点，处于组长节点之上的管理节点是第一级别的管理节点第一级别的管理节点，处于第一级别的管理节点第一级别的管理节点之上的是第二级别的管理节点，…,第n级别的管理节点，每一层次的节点所担任的功能和任务不同，导致每个节点在系统中扮演不同角色。
在一个实施例中，对于一个排级逻辑组，第一级别的管理节点刚开始保管所有网络配置信息，包括群组配置信息。每级别的管理节点第一级别的管理节点可以与组长节点通过无线连接建立ad-hoc网络连接。每级别的管理节点与组长之间交流的信息可以包括物理网络标识符、广播网络标识符和逻辑网络标识符。一旦从第一级别的管理节点收到网络配置信息，就在第一级别的管理节点和每个组长之间建立ad-hoc网络连接。
然后组长节点通过无线连接传递从第一级别的管理节点第一级别的管理节点那里接收到的网络配置到组员节点，建立与组员的ad-hoc网络连接。组长节点通过与每个组员节点的单独发现，直接建立ad-hoc网络。或者组长节点可以首先建立与第一个组员节点的连接。然后，第一个组员可以传递网络配置信息给第二个组员节点。类似地，第二组员节点可以通过另一条连接传递网络配置信息给第三个组员节点。每个组员节点可以沿着连接将最新的网络拓扑信息传递回给组长节点，然后组长节点类似地将最新的网络拓扑信息传递回给第一级别的管理节点第一级别的管理节点。而且，第一级别的管理节点第一级别的管理节点和组长节点可以类似地推送最新的网络拓扑信息给每个组员。或者，每个组员可以从组长拉取出最新的网络拓扑信息。根据一个实施例，网络拓扑信息可以是自动更新并根据网络配置分送到物理网络或群组的每个组员中去。
在一个实施例中，网络拓扑信息可以包括一个时间戳，其对应每个节点加入该网络的时间。因此可以建立一个加入网络的时间次序。拓扑和时间信息可以传递给整个网络或者限制在每个群组中。
在一个实施例中，网络配置信息可以包括广播网络标识符。例如，广播网络标识符可以是一个ip多播标识符，其用于限制在网络中的通信范围，可以允许一个逻辑组中的一个节点与其它节点进行通信，但是不被允许与第二群组中的任何节点进行通信。在一个实施例中，第一级别的管理节点被设置成可以从第一逻辑群组、第二逻辑群组和第三逻辑群组中接收所有通信信息。参与蜂群的多个无人机载终端可以分成不同组合的逻辑群组。本领域普通技术人员可以认识到，可以有各种逻辑群组适合本实施例的任何特定应用。
在开始组建参与执行任务的无人机组时，可以指定每一个逻辑群组的组长节点和组员节点，由组长节点通过频率感知的方式获取空闲信道，并将信道信息广播给所属逻辑组的每一个组员节点，每一个组员节点收到广播信息后，进行网络配置并更改自己的信道，以便同一逻辑群组之间节点进行通信。组长节点可以宣布一个网络标识符，该网络标识符可以是物理网络标识符。组长节点开始启动推送信息的功能并在处理器运行一个通信服务。组长节点可以推送一命令，使组员节点根据命令执行任务，如飞行位置、速度，打击目标等。然后组员节点接收到广播后，得到物理网络标识符并处理网络配置信息，根据命令执行任务。此外，组长节点还定期检测每个组员节点的存活状态，其检测方法结合图4来进行说明。
图4是组长节点的工作流程图，如图4所示，组长节点还定期检测每个组员节点的存活状态包括：
s01：组长节点定期向每个组员发送心跳数据帧，并检测每个组员节点的回应；
s02：如果定期收到每个组员的回应，则判定该组员节点正常，可进行正常通信并执行任务，否则，初步判定为可能异常节点；
s03：对于存在可能为异常的节点的情况，组长节点发送广播，使每一个组员节点均进行终端发现，并进行认证操作；
s04：通过终端发现，如果找到已标志为可能异常的节点，查看其网络标识符，如果是本逻辑组的，使其重新配置网络，加入该逻辑群组，如果没有找到，则该节点已经死亡或者失踪，更改网络配置及信道，以防止该无人机节点被敌方获，从而获得我方情报。
在执行任务中，组长节点也可能失去能力，如此，组员可检测组长节点的存活状态，其检测方法结合图5进行说明。
图5是组员节点的工作流程图，组员节点还定期检测组长节点的存活状态包括：
s01：组员节点定期接收组长节点发送的心跳数据帧；
s02：如果定期收到组长的心跳数据帧，则判定该组长节点正常，可进行正常通信，否则，初步判定为组节点可能异常；
s03：对于组长节点可能异常的情况，每一个组员节点均进行终端发现，并进行认证操作；
s04：如果认证通过，进行组长节点选举，由组长节点广播网络标识符、网络配置信息和信道信息，如果认证没通过，则返回到s03继续进行终端发现操作。
在执行任务中，还存在无人机被严重打击，如此，使正在执行任务的无人机的能力消弱，地面可以再增派无人机，已在执行任务的无人机对新增援的无人机需要进行认证操作，以防止恶意无人机加入我方的无人机，破坏自组网络，对支援无人机进行合法性检测的方法结合图6进行说明。
图6是检查待认证无人机合法性的流程图，如图6所示，检查待认证无人机合法性的过程包括：
s01：逻辑群组中任何无人机进行终端发现操作，如果发现了待认证的无人机，则进行认证操作，
s02，经认证，如果为合法节点，则向组长节点发送有新的合法的无人机节点加入的信息帧，组长节点向新加入的无人机发送网络配置信息、信道信息和网络标识，并更新网络拓扑；如果为不合法的节点，则向组长节点，发送可能为入侵节点；
s03：组长节点收到可能有入侵节点的信息后，则通过频谱感知获得新的信道，并发送广播信息帧，使组员节点都跳变到新的信道进行工作。
本发明提供的方法可以由各种语言编成计算机应用的程序，并存储于如存储器、网盘、云盘等中，处理器可以调用该程序以完成一系列的功能。本发明中的处理器可包括数字信号处理器(dsp)、微处理器、可编程序逻辑装置(pld)、门阵列或多个处理组件以及电源管理子系统。处理器还可包括内部高速缓存存储器，所述内部高速缓存存储器被配置成存储从存储器或者控制卡中取得的用于执行的计算机可读指令。所述存储器包括非暂态计算机介质，所述介质例如包括sram、快闪、sdram和/或硬盘驱动器(hdd)等。存储器被配置成存储计算机可读指令以便由处理器来执行。
以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。