专利名称：一种时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法
技术领域：
本发明涉及多架无人机协同控制技术领域，特别涉及一种时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法。
背景技术：
多架无人机协作执行任务成为一个重要的发展趋势，具有更大的控制范围、相互补足、任务分担等。协同控制多架无人机能够执行复杂任务或复杂环境下的任务，缩短执行任务的时间、提高工作的效率，并且能够提高系统的鲁棒性能。然而多架无人机协同执行任务，存在控制和镇定等方面的问题。首先，多架无人机协同执行任务会产生由任务引发的相互关联和相互通信，每架无人机是一个在三维空间的连续变化系统，而无人机之间进行信息交换是在一些相对离散的时刻，这样，系统就可能同时表现出连续和离散两种动态特性。其次，有限的信道数据率自然会产生不可忽略的通信时延。再次，系统的动态性能不仅取决于一架无人机的飞行控制动力学特征，还往往取决于它们之间的任务关联及互连本质。另夕卜，系统中存在大量的输入和输出，用单一地集中式控制来实现是不太实际的。从而多架无人机之间的协同控制成为迫切需要解决的关键问题之一。早期研究较多的是无人机编队控制，主要工作一般是在假定通信具有全局可达的情况下通过给定或构建运动的期望曲线设计协同控制律使得无人机间的相对位置或者距离达到期望值。目前多架无人机集群的协作控制研究主要集中在空间和时间两个单独的方面，即一方面是针对分布式的感知任务进行配置协作，另一方面是针对不同时间段需要完成的任务进行配置协作。而一般多架无人机协同控制执行任务时，如可视导航，实时侦察监控等需要从空间和时间两个方面进行联合实现同时控制和协作，这方面的相关研究还较少。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。为此，本发明的的一个目的在于提出一种可以有效控制多架无人机的协作的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，该方法具有高效、稳定和可靠的优点。为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，包括如下步骤确定每架无人机的用途和特性，并根据所述每架无人机的飞行环境、用途和预定任务确定对所述多架无人机的协同控制的协同控制项目；建立所述多架无人机协同控制系统的构建模型，根据所述每架无人机的预定任务和所述构建模型构建所述多架无人机协同应用的控制系统；根据所述每架无人机的预定任务建立相应的控制策略，并根据所述控制策略对所述控制系统进行协同控制。另外，根据本发明上述实施例的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法还可以具有如下附加的技术特征 在一些示例中，对所述多架无人机的协同控制，进一步包括根据同一区域和同一任务对所述多架无人机的协同控制，或者根据不同区域和不同任务对所述多架无人机的协同控制。在一些示例中，所述协同控制项目包括所述多架无人机的每一架无人机的功能模块、移动性、机群拓扑结构、机间交互通信、任务配置和网关集群策略。在一些示例中，所述无人机的功能模块包括飞行控制和管理系统、传感系统、信息采集获取系统、信息传输处理系统和故障检测系统，移动性包括路径规划、姿态控制，机间交互通信包括机间交互结构、路由方式、链路状况、通信协议、移动性管理及信息组织状况，任务配置包括任务分工策略和调整策略。在一些示例中，所述多架无人机协同应用的控制系统是利用网关集群构建的。在一些示例中，所述网关集群构建模型包括控制层、结构层、网络层和无人机接入应用层，其中，所述控制策略是通过所述控制层建立的，所述机群拓扑结构是通过结构层根 据所述预定任务和控制层的指令信息进行规划和调整的，并对移动性进行路径规划和管理，所述网络层用于控制多架无人机之间的交互通信、信息共享及网关互连协同，所述无人机接入应用层用于所述多架无人机的接入应用服务。在一些示例中，所述根据每架无人机的预定任务建立相应的控制策略，并根据所述控制策略对所述控制系统进行协同控制的步骤包括根据不同的预定任务从整体到局部规划采用相应的控制方式，以从主控、辅控和监控建立控制策略，以对所述控制系统进行协同控制。根据本发明实施例的方法，可以有效控制多架无人机的协作，具有高效、稳定和可靠的优点。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为本发明实施例的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法的流程图；图2为本发明实施例的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法的网关集群构建模型的结构图；以及图3为本发明一个实施例的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法的多架无人机协同控制系统的构建流程示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的 实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。以下结合附图描述根据本发明实施例的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法。参考图1，根据本发明实施例的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，包括如下步骤步骤S101，确定每架无人机的用途和特性，并根据所述每架无人机的飞行环境、用途和预定任务确定对所述多架无人机的协同控制的协同控制项目。在一些示例中，对所述多架无人机的协同控制可以根据同一区域和同一任务对所述多架无人机的协同控制，或者根据不同区域和不同任务对所述多架无人机的协同控制，即多架无人机可相距不远在同一个区域集群执行任务，也可相距较远在不同区域执行其相应的任务。在该示例中，协同控制项目包括但不限于所述多架无人机的每一架无人机的功能模块、移动性、机群拓扑结构、机间交互通信、任务配置和网关集群策略。进一步地，无人机的功能模块包括飞行控制和管理系统、传感系统、信息采集获取系统、信息传输处理系统和故障检测系统，移动性包括路径规划、姿态控制，机间交互通信包括机间交互结构、路由方式、链路状况、通信协议、移动性管理及信息组织状况，任务配置包括任务分工策略和调整策略。协同控制项目为控制方面，具体包括多架无人机各自独立的功能模块，无人机各自移动性，机群拓扑结构，机间交互通信，任务配置及网关集群策略等。无人机各自独立的功能模块包括飞行控制和管理系统，传感系统，信息采集获取系统，信息传输处理系统，故障检测系统等；无人机各自移动性包括路径规划、姿态控制等；机间交互通信包括机间交互结构，路由方式，链路状况，通信协议，移动性管理及信息组织状况等；任务配置包括任务分工策略，调整策略等。步骤S102，建立所述多架无人机协同控制系统的构建模型，根据所述每架无人机的预定任务和所述构建模型构建所述多架无人机协同应用的控制系统。在一些示例中，多架无人机协同应用的控制系统是利用网关集群构建的，换言之，建立多架无人机协同控制系统的构建模型，是围绕多架无人机任务规划(预定任务)，从点到网利用网关集群构建无人机协同应用的控制系统。
参见图2，网关集群构建模型包括控制层210、结构层220、网络层230和无人机接入应用层240，其中，控制策略是通过控制层210建立的，控制层210是整个系统的核心，负责针对无人机不同的控制方面产生并实施不同的控制策略，如集中式控制，分布式控制，时间上控制，空间上控制或时空联合的控制以及主控、辅控和监控等，另外控制层相应的控制器可集成在不同的网关处。机群拓扑结构是通过结构层根据所述预定任务和控制层的指令信息进行规划和调整的，并对移动性进行路径规划和管理，即结构层根据任务规划和控制层指令信息主要规划和调整机群拓扑结构，并对无人机的移动性进行路径规划和管理。网络层用于控制多架无人机之间的交互通信、信息共享及网关互连协同，即网络层主要是无人机之间的交互通信，信息共享及网关互连协同等相关设计。无人机接入应用层用于所述多架无人机的接入应用服务，具体而言，任务规划及分工组网中控制层，结构层和网络层均是为无人机接入应用层服务的，无人机接入应用层为无人机的接入应用服务，是多架无人机协同应用完成任务的接口，由若干无人机接入执行任务的应用程序和支持应用程序的通信组件组成。步骤S103，根据每架无人机的预定任务建立相应的控制策略，并根据所述控制策 略对所述控制系统进行协同控制。进一步地，可根据不同的预定任务从整体到局部规划采 用相应的控制方式，以从主控、辅控和监控建立控制策略，以对所述控制系统进行协同控制。具体而言，针对不同的任务从整体到局部规划采用不同的合理控制方式，从主控、辅控和监控三个方面进行策略实施，以达到整个系统的协同控制。如对每架无人机各自独立的功能模块采取集中式控制方式，对多架无人机的协作采取集中式和分布式联合的控制方式，主控多架无人机拓扑结构，辅控每架无人机的移动性，对拓扑结构和移动性均进行监控，出现异常通知辅控或主控以修整。以下结合图2和图3以具体例子的形式对本发明的实施例进行解释。实施例如图3所示，根据具体的任务，如监控，可视导航，侦察等可分为n个相对独立的任务进行规划由不同组合的无人机组执行，每个任务规划之间又可通过各自主控网关集群进行信息交换和共享。一个无人机协同控制系统内可有多个主控组成分布式控制方式，也可通过一个总控(图3中未示出)集中控制管理系统内所有的主控。执行任务的无人机可相距较近也可相距较远，无人机组合可根据任务执行需要而组合。对于每个任务规划时，可根据具体任务类型需要从时间和空间两方面进行联合规划；在其中一个方面不影响任务完成的情况下，也可从单独一个方面进行重点规划。根据任务规划信息，主控系统进行相应无人机拓扑结构和无人机间通信所组成网络的控制，如若无人机之间无需进行信息交互和共享，则无需进行它们之间的组网，主控只需进行相应无人机拓扑结构的控制。监控系统对主控实施的效果进行监控，出现异常通知辅控或主控以调整或改变控制方式和策略。如多架无人机要完成的可视导航任务为V，多架无人机集群系统的拓扑结构可能有多种，拓扑结构用Au表示，则Au与V之间的映射关系可用式(I)表示，F为映射算子。Au=F (V) (I)任务V随时间而变化，可分解成时间有序集合，如式(2)，对应地Au的有序集合如式⑶。V= IV1, V2，…，Vk,...，VJ(2)
Au=IAullAu2, ...,AufAJ(3)则机群系统在飞行过程中，随着任务V由V1, V2延续到Vn，系统拓扑结构也由Aul，Au2变换到了 Am。无人机间可通过数据链组网实现信息共享。若m架无人机组成协作组进行可视导航，则时间任务有序集合V中每一个分量Vk又分解为具有m个分量的集合,如式⑷，k=l, 2，…，n, i = I, 2，…，m。Vk={Vkl，Vk2，...，Vki，...，VkJ (4)贝IJ由式⑵和式⑷可得m架无人机在空间和时间上形成的任务矩阵如式(5)，其中每一行表示每架无人机在时间上的任务序列，每一列表示在每时刻协作组中每架无人机在空间上所分配的任务。
权利要求
1.一种时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤 确定每架无人机的用途和特性，并根据所述每架无人机的飞行环境、用途和预定任务确定对所述多架无人机的协同控制的协同控制项目； 建立所述多架无人机协同控制系统的构建模型，根据所述每架无人机的预定任务和所述构建模型构建所述多架无人机协同应用的控制系统； 根据所述每架无人机的预定任务建立相应的控制策略，并根据所述控制策略对所述控制系统进行协同控制。
2.根据权利要求I所述的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，对所述多架无人机的协同控制，进一步包括 根据同一区域和同一任务对所述多架无人机的协同控制，或者 根据不同区域和不同任务对所述多架无人机的协同控制。
3.根据权利要求I所述的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，所述协同控制项目包括所述多架无人机的每一架无人机的功能模块、移动性、机群拓扑结构、机间交互通信、任务配置和网关集群策略。
4.根据权利要求3所述的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，所述无人机的功能模块包括飞行控制和管理系统、传感系统、信息采集获取系统、信息传输处理系统和故障检测系统，移动性包括路径规划、姿态控制，机间交互通信包括机间交互结构、路由方式、链路状况、通信协议、移动性管理及信息组织状况，任务配置包括任务分工策略和调整策略。
5.根据权利要求I所述的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，所述多架无人机协同应用的控制系统是利用网关集群构建的。
6.根据权利要求5所述的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，所述网关集群构建模型包括控制层、结构层、网络层和无人机接入应用层， 其中，所述控制策略是通过所述控制层建立的，所述机群拓扑结构是通过结构层根据所述预定任务和控制层的指令信息进行规划和调整的，并对移动性进行路径规划和管理，所述网络层用于控制多架无人机之间的交互通信、信息共享及网关互连协同，所述无人机接入应用层用于所述多架无人机的接入应用服务。
7.根据权利要求I所述的时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，其特征在于，所述根据每架无人机的预定任务建立相应的控制策略，并根据所述控制策略对所述控制系统进行协同控制的步骤包括 根据不同的预定任务从整体到局部规划采用相应的控制方式，以从主控、辅控和监控建立控制策略，以对所述控制系统进行协同控制。
全文摘要
本发明提出一种时空联合的多架无人机协同控制系统的构建方法，包括以下步骤确定每架无人机的用途和特性，并根据所述每架无人机的飞行环境、用途和预定任务确定对所述多架无人机的协同控制的协同控制项目；建立所述多架无人机协同控制系统的构建模型，根据所述每架无人机的预定任务和所述构建模型构建所述多架无人机协同应用的控制系统；根据所述每架无人机的预定任务建立相应的控制策略，并根据所述控制策略对所述控制系统进行协同控制。根据本发明实施例的方法，可以有效控制多架无人机的协作，具有高效、稳定和可靠的优点。
文档编号G05B19/418GK102707693SQ201210183668
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者刘慧 , 戴琼海 申请人:清华大学