一种无人机集群管理系统及其控制方法与流程

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机集群管理系统及其控制方法。

背景技术：

目前在无人机培训时经常会遇到以下问题：1、目前很少的无人机有教练模式，即学员飞行过程出现问题，教练无法及时接管操作。2、多架无人机飞机在同一空域飞行时，相撞的机率比较大。3、目前无人机监管还欠缺有效的手段，来划定禁飞区，及阻止无人机进入禁飞区域。

在无人机作业方面，例如农业喷洒，为提高效率，经常需要多台无人机同时工作。这就涉及到怎么样给每台无人机划定作业空域，怎么样给无人机设定飞行线路，怎么样了解每台无人机的状态，怎么样能保证人员和飞机的安全等。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是，一种无人机集群管理系统,其特征在于：由空中部分和地面部分两部分组成，所述空中部分包括无人机飞控模块和无人机通讯模块,所述无人机通讯模块包括天线、空中射频模块、总线接口，所述天线设置在空中射频模块上方，所述总线接口与空中射频模块相连接，所述无人机飞控模块和无人机通讯模块通过总线接口相连接；所述地面部分包括集群地面站、地面天线阵列、GPS标定杆；所述集群地面站与地面天线阵列相连接，所述GPS标定杆设置在地面上。

优选为，集群地面站包括机箱、通讯电缆接口、复位开关、电脑通讯口、控制杆、接管开关、通讯指示灯、充电口、电源开关及笔记本电脑，所述通讯电缆接口、复位开关、电脑通讯口、控制杆、接管开关、通讯指示灯、充电口、电源开关设置在机箱内，所述笔记本电脑与机箱通过电脑通讯口相连接；接管开关用来取得地面站控制无人机的权限；控制杆用来控制无人机；通讯指示灯用来指示无人机与地面站的通讯状态。

优选为，地面天线阵列包括通讯天线、地面射频模块、天线支撑杆、通讯电缆接口、三脚架，所述三脚架设置在天线支撑杆下方，所述通讯天线、通讯电缆接口设置在天线支撑杆上，所述地面射频模块设置在通讯天线下方，与通讯天线相连接；地面射频模块安装于天线支撑杆上，并保持一定间隔，避免相互干扰。

优选为，GPS标定杆包括GPS标定杆主模块，所述GPS标定杆主模块上设置GPS指示灯、充电口、电源开关、标定按钮和模式开关，所述GPS标定杆主模块下方连接连接座，所述连接座下方连接支撑杆。

优选为，GPS标定杆主模块包括GPS装置和射频模块，所述GPS装置用来指示所在地的经纬度，射频模块与通讯天线保持通讯。

优选为，GPS标定杆可以用于设定电子围栏，人携带GPS标定杆一起运动，每隔一定距离，标定杆就会自动记录一个位置点坐标，这些点坐标用于组成电子围栏。

优选为，GPS标定杆可以用于提供参考坐标，与无人机的GPS进行差分处理，提高定位精度。

一种无人机集群管理系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

S1：系统对一定区域内的无人机进行数据采集，并且处理，实时分析并预测无人机未来的状态；

S2：当分析得到的结果会出现意外事故时，系统自动接管多架无人机，整体规划每架无人机的飞行路线并协调多台无人机同时编队作业。

本发明的有益效果是，一个集群系统可以同时监管、协调控制多台无人机；系统具有数据采集和处理能力，它能实时分析并预测无人机未来的状态，当出现紧急的情况时，系统能够自动接管飞机，可以有效避免撞击、炸机、飞丢等一系列飞行事故；它也能够整体规划每架无人机的飞行路线并协调多台无人机同时编队作业。

附图说明

图1为无人机集群系统组成图。

图2为无人机通讯模块的结构图。

图3为集群地面站的结构图。

图4为地面端天线阵列结构图。

图5为GPS标定杆的结构图。

附图标记：1、集群地面站，2、地面天线阵列，3、GPS标定杆，4、通讯模块天线，5、无人机通讯模块，6、通讯总线，7、地面站机箱，8、通讯电缆接口，9、复位按钮，10、PC通讯口，11、控制杆，12、接管开关，13、通讯指示灯，14、地面站充电口，15、电源开关，16、PC机，17、天线，18、通讯模块，19、通讯电缆接口，20、天线支撑杆，21、三脚架， 23、GPS指示灯，24、模式开关，25、电源开关，26、支撑杆，27、标定杆充电口，28、标定按钮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-5，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种无人机集群管理系统,由空中部分和地面部分两部分组成。所述空中部分包括：无人机飞控模块和无人机通讯模块, 所述无人机通讯模块包括天线4、空中射频模块5、总线接口6；总线接口6与无人机飞控模块连接，取得无人机的相关信息，包括姿态、位置、距离、高度、速度、电压、卫星、遥控数据等；空中射频模块5负责把无人机相关的数据发送到地面，同时接收地面来的控制信号；无人机通讯模块上有一复位按键，初始时，用来加入集群网络。

所述地面部分包括：集群地面站1、地面天线阵列2、GPS标定杆3；集群地面站是数据处理中心，地面天线阵列2负责与无人机进行无线通讯，GPS标定杆3负责设定电子围栏和提供差分坐标。

所述集群地面站包括：机箱7、通讯电缆接口8、复位开关9、电脑通讯口10、控制杆11、接管开关12、通讯指示灯13、充电口14、电源开关15、笔记本电脑16。通讯电缆接口8通过一根电缆与地面天线阵列2连接；复位开关用来恢复地面站参数，可以用来系统重组；电脑通讯口10与笔记本电脑16保持通讯链路，目前使用USB通讯；通讯指示灯13的闪烁代表地面站与无人机之间的通讯；接管开关12是个两段式的拨动开关，打上时无人机的控制权在遥控器上，打下时地面站取代遥控器；这个时候地面站上的控制杆11就可以直接控制无人机了；集群地面站内置锂电池供电，充电口14用来给电池充电的；电源开关15用来启动整个集群地面站工作的；笔记本电脑16充当后台服务器的角色，所以的数据都汇总到笔记本电脑16上显示，所有的数据存储，及Internet通讯都由它来完成。

所述地面天线阵列包括：通讯天线17、地面射频模块18、通讯电缆接口19、天线支撑杆20、三脚架21。通讯天线17配合地面射频模块18负责与无人机建立通讯链接，为了增加通讯实时性，目前设置了三个地面射频模块组，每个地面射频模块组与三台无人机通讯，系统总容量为九台无人机；每个模块组之间为了避免串频干扰，需要保持一定的间隔，目前使用三个天线支撑杆20各成120度夹角的形式来安装地面射频模块18；各地面射频模块18之间的通讯线路汇总到电缆接口19，然后连接到地面站；三脚架21的作用是让通讯天线17离地一定距离，避免地面吸收无线电波。

所述GPS标定杆包括：GPS指示灯23、模式开关24、标定按钮28、电源开关25、充电口27、支撑杆26。GPS指示灯23用来显示标定杆的工作状态及搜星情况；模式开关24是一个两段式的拨动开关，打上时标定杆工作在差分模式，打下时标定杆工作在设定电子围栏模式；标定按钮28用来校准无人机GPS的偏差；标定杆内置锂电池，充电口用来给电池充电；支撑杆26用来把GPS装置顶高，避免GPS受遮挡，提高搜星率。

以上提及标定杆两种工作模式，一种是差分模式，差分模式时，标定杆插在地面某处不动，它定时发送一组经纬度坐标到地面站，地面站上所有的无人机坐标都以该坐标为参考标准，消除误差，提高定位精度。如何消除误差目前的做法是使用标定杆来校准无人机，具体步骤是：1、把无人机与GPS标定杆放在一起。2、按下标定杆上的标定按钮，标定杆会发送一组经纬度坐标数据。3、把无人机的当前经纬度坐标与标定杆的坐标做比较，计算偏差值。4、存储该偏差值，以后该无人机的坐标都需要减去该偏差值，所得的坐标就和标定杆的一致了。5、把所有的无人机坐标都同步校准到标定杆上，那么无人机之间的坐标就相对精确了。

另一种是设定电子围栏模式，该模式工作时，需要人拿着标定杆走动，间隔一定距离，标定杆就会自动记录一个坐标点，当人走完一圈，重新再回到起始点时，它就形成一个闭合回路，这些坐标点数据共同组成一个虚拟的电子围栏。

以上提及集群地面站采集了所有无人机的状态和位置信息，以及可以计算出未来的位置信息，那么它就很容易做出判断，某台无人机是否在划定的电子围栏内、是否在指定的高度内飞行，或者估算出哪两台无人机可能会相撞或者会出危险，这时地面站就可以直接向无人机发送命令，让其悬停、自动降落、返航等，也可以直接控制它。

集群地面站也可以为每架无人机规划飞行路线，合理安排，在指定的区域协调作业。例如农业喷洒，集群系统可以划分每架无人机的喷洒区域，规划合理的飞行路线，避免相撞。一个集群系统可以取代多名飞手，在目前飞手匮乏的背景下，最大满足需求。

集群地面站配有笔记本电脑，所以的显示都在笔记本电脑上完成，同时它还担任后台服务器的角色，所有无人机的姿态、飞行轨迹、控制、载荷平台信息等都存储在电脑上，笔记本还实时把这些信息上传到Internet云服务上，作为大数据的一部分，同时可供第三方监管部门调阅。

一种无人机集群管理系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

S1：系统对一定区域内的无人机进行数据采集，并且处理，实时分析并预测无人机未来的状态；

S2：当分析得到的结果会出现意外事故时，系统自动接管多架无人机，整体规划每架无人机的飞行路线并协调多台无人机同时编队作业。