本发明涉及无人机控制领域，更具体地说，涉及一种室内视觉导航无人机集群飞行控制系统及方法。
背景技术：
现有无人机集群的控制依靠外部控制系统，例如地面控制站，外部控制系统根据无人机的位置和飞行环境实时发送控制指令给每架无人机，无人机根据控制指令完成对应的飞行任务，但该控制方法一旦地面站出现问题或无线信号被阻断，机群就会失去控制。另外，这种飞行控制方法需要无人机通过外部定位系统获取位置信息，例如GPS定位系统，而在室内基本无法定位，如果另外加装调试室内定位装置，如需要更换飞行场地还需要重新步骤室内定位装置，操作繁琐。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种室内视觉导航无人机集群飞行控制系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种室内视觉导航无人机集群飞行控制系统，所述系统包括至少两架无人机，所述无人机包括飞行动力模块，所述无人机包括：
用于通过图像获取所述无人机平面位置的光流传感模块，用于获取所述无人机高度的超声波测距模块；
用于所述无人机之间通信的短距离无线通信模块；
用于存储飞行控制程序的存储器，所述飞行控制程序对应各种飞行任务；以及
分别与所述光流传感模块、超声波测距模块、短距离无线通信模块、以及存储器连接，用于根据控制指令控制所述无人机飞行的控制器，其中所述控制指令由系统中无人机发送。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制系统，所述无人机还包括
与所述控制器连接、用于检测无人机与周围物体之间距离的距离检测模块，所述距离检测模块为红外测距模块或超声波测距模块；
与所述控制器连接、用于稳定所述无人机飞行姿态的姿态控制模块；
与所述控制器连接、用于获取所述无人机的方位信息的电子罗盘；
所述短距离无线通信模块为蓝牙模块或WiFi模块。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制系统，其中一架所述无人机为主控无人机，其余所述无人机为从属无人机，所述从属无人机将采集信息发送至所述主控无人机；
所述无人机之间发送控制指令，所述控制指令包括命令指令和状态指令，所述命令指令为所述无人机的飞行任务启动指令、或飞行任务切换指令、或飞行任务暂停指令，所述状态指令为所述无人机的飞行任务执行状态信息。
另，本发明还提供一种室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述方法用于控制室内至少两架无人机，其中一架所述无人机为主控无人机，其余所述无人机为从属无人机；所述方法包括下述步骤：
S1、设定每架所述无人机的初始位置和飞行控制程序；
S2、所述主控无人机自主飞行并控制所述从属无人机飞行，所述无人机之间通过短距离无线通信模块通信；
S3、飞行结束后所述无人机降落至预设目标位置。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述飞行控制程序包括垂直起飞程序、定点悬停程序、直线飞行程序、飞行上升程序、飞行下降程序、垂直降落程序、编队飞行程序、避障程序中的一种或多种；
所述无人机执行所述飞行控制程序完成对应飞行任务。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述步骤S2包括：
S21、所述主控无人机执行所述飞行控制程序达到预设节点后，发送命令指令至所述从属无人机，所述从属无人机执行与所述命令指令对应的所述飞行控制程序；
S22、所述从属无人机将飞行任务执行状态信息发送至所述主控无人机，所述主控无人机根据所述飞行任务执行状态信息发送对应的命令指令至所述从属无人机。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述步骤S2包括：
S23、在飞行过程中所述无人机根据距离相邻无人机之间的距离，自动调整飞行路线，其中所述无人机通过距离检测模块获取与相邻无人机之间距离。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述步骤S2包括：
S24、所述无人机通过光流传感模块获取所述无人机的平面位置，通过超声波测距模块获取所述无人机的高度，根据所述平面位置和高度并结合所述初始位置获取所述无人机的当前位置；
S25、所述从属无人机将所述当前位置发送至所述主控无人机。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述步骤S2包括：
S26、所述主控无人机发送故障信号或所述从属无人机未接收到所述主控无人机正常状态信号，则按照预设优先级将所述从属无人机中优先级最高的作为所述主控无人机；或
S27、其中一架所述无人机同时接收到至少两架所述无人机发送的控制指令，优先处理优先级高的无人机发送的所述控制指令。
优选地，本发明所述的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，所述步骤S2包括：
S28、在飞行过程中，若所述无人机检测到飞行障碍物，则暂停当前飞行任务并启动避障程序进行避障飞行；所述启动避障程序进行避障飞行包括：
S281、检测到飞行障碍物的所述无人机根据相邻无人机的位置在安全距离内自动调整飞行路线绕过飞行障碍物；或
S282、检测到飞行障碍物的所述无人机在自动避障同时将避障指令发送至相邻无人机，相邻无人机接收到所述避障指令后，优先执行所述避障指令；或
S283、检测到飞行障碍物的所述无人机将障碍物信息发送至所述主控无人机，所述主控无人机根据所述障碍物信息和所有所述无人机的状态得到避障方案，并将避障指令发送至需要调整的所述无人机，接收到所述避障指令的无人机优先执行所述避障指令；或
S284、当两架所述无人机之间的距离小于安全距离时，优先级低的所述无人机自动降落；
S29、避障结束后，所述无人机恢复执行暂停的所述当前飞行任务。
实施本发明的一种室内视觉导航无人机集群飞行控制系统及方法，具有以下有益效果：系统包括至少两架无人机，无人机包括：用于通过图像获取无人机平面位置的光流传感模块，用于获取无人机高度的超声波测距模块；用于无人机之间通信的短距离无线通信模块；用于存储飞行控制程序的存储器，飞行控制程序对应各种飞行任务；以及分别与光流传感模块、超声波测距模块、短距离无线通信模块、以及存储器连接，用于根据控制指令控制无人机飞行的控制器，其中控制指令由系统中无人机发送。通过实施本发明，预先将飞行控制程序写入无人机，无人机集群在飞行过程中不再需要外部基站和定位系统，实现独立飞行和自主控制，减少飞控设备以及增强无人机集群的生存能力。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种室内视觉导航无人机集群飞行控制系统的结构示意图；
图2是本发明无人机的结构示意图；
图3是本发明一种室内视觉导航无人机集群飞行控制方法的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明一种室内视觉导航无人机集群飞行控制系统的结构示意图。
具体的，该室内视觉导航无人机集群飞行控制系统包括至少两架无人机，所有无人机都在室内飞行，例如在体育馆、商场、展览馆等。优选地，无人机可选用多旋翼无人机，例如四旋翼无人机。每架无人机都具有自主飞行能力，且能够按照内部存储的不同飞行程序执行对应的飞行任务，其中飞行控制程序需要预先写入无人机中。无人机之间通过短距离无线通信方式传递信息，例如蓝牙、WiFi等。每架无人机通过自身携带的传感器获取位置信息以及周围环境信息，并通过短距离无线通信方式与其他无人机互换信息，从而使机群中的每架无人机都可实时获取其处于机群中的位置，实现整个机群的安全飞行。优选地，每架无人机都有唯一的物理地址，即唯一编号，可设置每架无人机的优先级别，在飞行控制过程中根据优先级高低执行飞行指令。
进一步，为便于集中控制，本发明在机群中选择一架无人机作为主控无人机，其他无人机为从属无人机，从属无人机根据主控无人机发送的控制指令飞行。主控无人机通过短距离无线通信方式与每架从属无人机进行信息交换，从属无人机将其采集的信息传输至主控无人机，主控无人机发送控制指令至从属无人机。需要说明的是，本发明中的从属无人机并不是直接根据主控无人机的控制指令进行飞行，而是根据主控指令查找对应的飞行控制程序，进而执行该飞行控制程序，也就是说飞行控制程序用于直接控制无人机的飞行，主控无人机发送的控制指令仅是一种触发指令，该触发指令用于触发飞行控制程序。基于此，无人机写入飞行控制程序时，同时写入飞行控制程序与控制指令的对应关系，即无人机的存储器内存储有飞行控制程序与控制指令的对应关系。
图2是本发明无人机的结构示意图。
本发明的无人机包括飞行动力模块、光流传感模块、超声波测距模块、短距离无线通信模块、存储器、以及控制器等，其中，控制器分别与光流传感模块、超声波测距模块、短距离无线通信模块、以及存储器连接，控制器用于根据控制指令控制无人机飞行，其中控制指令由系统中无人机发送。
飞行动力模块包括供电电池组、螺旋桨、以及控制飞行基本控制电路等，飞行动力模块采用现有技术，本申请对此不再赘述。
光流传感模块用于通过图像获取无人机平面位置，光流传感模块包括光流传感器以及外围电路，光流传感器的镜头朝向地面，获取地面图像，通过对图像灰度的光流计算得到无人机的飞行速度，结合飞行时间按照预设算法计算出无人机的相对位移。例如，设定无人机的飞行空间直角坐标系，设定水平方向为X轴和Y轴，垂直方向为Z轴，在飞行过程中，无人机根据光流法算出的X轴和Y轴速度算出无人机移动的位移，结合初始位置实现实时得知自身的空间位置。
超声波测距模块用于获取无人机高度，在上述建立的飞行空间直角坐标系中，通过无人机高度获取无人机在Z轴的坐标。超声波测距模块包括超声波发射单元和超声波接收单元，超声波接收单元接收超声波发射单元发射的超声波，根据发射和接收时间计算距离，得到无人机高度。
短距离无线通信模块用于无人机之间通信，每架无人机都具有唯一的物理地址，即唯一的身份识别码。机群中的每架无人机预先知道其他无人机的物理地址，即每架无人机都是相互记忆且可识别的，无人机之间按照预设的握手方式进行告知和建立连接。优选地，为防止集群外的信号干扰，在每架无人机上设置权限验证模块。在无人机之间请求连接时，需要首先验证对方无人机的身份，验证通过可建立连接。优选地，短距离无线通信模块包括但不限于蓝牙模块或WiFi模块等。
存储器用于存储飞行控制程序，飞行控制程序对应各种飞行任务，无人机执行飞行控制程序完成对应飞行任务。优选地，飞行控制程序包括但不限于垂直起飞程序、定点悬停程序、直线飞行程序、飞行上升程序、飞行下降程序、垂直降落程序、编队飞行程序、避障程序等。该飞行控制程序包含无人机自主完成特定飞行任务的一系列程序，该程序一旦触发启动便可持续执行，直至完成该飞行任务，当中途接到停止或切换指令除外。例如，垂直起飞程序被触发后，无人机自动起飞，并飞行至预设高度停止，完成垂直起飞任务；又例如，直线飞行程序被触发后，无人机保持现有的航向和高度飞行预设距离，完成执行飞行任务。从上述无人机执行飞行控制程序可以看出，本发明中的无人机具有较强的自主性，并不需要实时接收控制指令，而仅需要接收一些触发指令，根据触发指令触发对应的飞行控制程序，进而自主完成飞行任务。优选地，本发明为减小无人机体积，可选用集成控制器和存储器的单片机来替代分离的控制器和存储器，也可选用其他集成电路。
进一步，在本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制系统中，其中一架无人机为主控无人机，其余无人机为从属无人机，从属无人机将采集信息发送至主控无人机。无人机之间发送控制指令，控制指令包括命令指令和状态指令，命令指令为无人机的飞行任务启动指令、或飞行任务切换指令、或飞行任务暂停指令，状态指令为无人机的飞行任务执行状态信息。
作为选择，无人机还包括与控制器连接、用于检测无人机与周围物体之间距离的距离检测模块，周围物体既包括集群中的其他无人机，也包括障碍物。优选地，距离检测模块为红外测距模块或超声波测距模块。
作为选择，无人机还包括与控制器连接、用于稳定无人机飞行姿态的姿态控制模块。优选地，姿态控制模块可选用稳定无人机姿态的MPU6050传感器。
作为选择，无人机还包括与控制器连接、用于获取无人机的方位信息的电子罗盘。优选地，电子罗盘可选用AK8975电子罗盘。
综上，本发明无人机集群在室内实现自主飞行，自主获取空间位置和飞行状态，并根据空间位置和飞行状态执行飞行任务，不需要其他外部工作站指挥和配合，具有独立性强、设备简单、适应性强、生存能力强等特点。
图3是本发明一种室内视觉导航无人机集群飞行控制方法的流程图。
具体的，该室内视觉导航无人机集群飞行控制方法用于控制室内至少两架无人机，无人机的属性信息可参考上述室内视觉导航无人机集群飞行控制内的无人机，在此不再赘述。其中一架无人机为主控无人机，其余无人机为从属无人机。该方法包括下述步骤：
S1、设定每架无人机的初始位置和飞行控制程序。
具体的，在无人机飞行之前，首先需将初始位置和飞行程序写入每架无人机的存储器内，作为选择，还可同时写入无人机的优先级，主控无人机作为这个机群的指挥机，具有最高优先级。每架无人机的初始位置根据飞行编队设置，设置好后将无人机按照编号放置在对应位置，做好起飞准备。优选地，飞行控制程序包括但不限于垂直起飞程序、定点悬停程序、直线飞行程序、飞行上升程序、飞行下降程序、垂直降落程序、编队飞行程序、避障程序等，无人机执行飞行控制程序完成对应飞行任务。该飞行控制程序包含无人机自主完成特定飞行任务的一系列程序，该程序一旦触发启动便可持续执行，直至完成该飞行任务，当然中途接到停止或切换指令除外。例如，垂直起飞程序被触发后，无人机自动起飞，并飞行至预设高度停止，完成垂直起飞任务；又例如，直线飞行程序被触发后，无人机保持现有的航向和高度飞行预设距离，完成执行飞行任务。进一步，本发明中无人机内存储有整个飞行任务各个阶段所需的所有飞行控制程序。从上述无人机执行飞行控制程序可以看出，本发明中的无人机具有较强的自主性，并不需要实时接收控制指令，而仅需要接收一些触发指令，根据触发指令触发对应的飞行控制程序，进而自主完成飞行任务。
S2、主控无人机自主飞行并控制从属无人机飞行，无人机之间通过短距离无线通信模块通信。
具体的，在设置完成后将所有无人机放置在预设位置，所有无人机通过短距离无线通信模块建立连接，主控无人机连接所述从属无人机，从属无人机之间可相互连接，也可仅选择与其相邻无人机连接。优选地，短距离无线通信模块包括但不限于蓝牙模块或WiFi模块等。所有无人机完成连接后，主控无人机发送控制指令至一架或多架从属无人机，从属无人机根据控制指令启动对应的飞行控制程序，完成对应的飞行任务。在飞行过程中，每架无人机通过自身携带的传感器获取位置信息以及周围环境信息，并通过短距离无线通信方式与其他无人机互换信息，从而使机群中的每架无人机都可实时获取其处于机群中的位置，实现整个机群的安全飞行。以下对这个机群的飞行过程及故障处理进行详细说明。
作为选择，在本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法中，步骤S2包括：
S21、主控无人机执行飞行控制程序达到预设节点后，发送命令指令至从属无人机，从属无人机执行与命令指令对应的飞行控制程序。预设节点是指整个飞行过程中每段飞行任务的连接点，例如，整个飞行过程为：起飞--水平飞行--降落，则存在三个飞行节点，分别是起飞前、起飞后、水平飞行结束后。
S22、从属无人机将飞行任务执行状态信息发送至主控无人机，主控无人机根据飞行任务执行状态信息发送对应的命令指令至从属无人机。从属无人机执行某一飞行控制程序后，需要将飞行任务执行状态信息实时反馈至主控无人机，主控无人机借此判断机群当前的飞行状态，并判断根据当前状态是否需要对从属无人机的飞行状态进行调整。
作为选择，本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，步骤S2包括：
S23、在飞行过程中无人机根据距离相邻无人机之间的距离，自动调整飞行路线，其中无人机通过距离检测模块获取与相邻无人机之间距离。因本发明已预先设定每架无人机在整个飞行任务中的飞行状态，在正常飞行状态下，相邻两架无人机之间具有一定的安全距离，所以就存在一定的调节空间，例如安全距离为1米。在其中一架无人机飞行偏离其相邻无人机后，会被其携带的红外测距模块或超声波测距模块检测到，该无人机便可自动调整飞行方向，将飞行距离控制在预设的安全距离内。进一步，当一架无人机为避障向其相邻无人机靠近时，如果安全距离小于预设安全距离，则该相邻无人机可向相同方向进行避障飞行，即相邻无人机进行同向移动避障，在绕过障碍物后，再恢复调整前的飞行路径。
另外，该安全距离也可用于无人机进行避障处理，其中一架无人机检测到飞行路径前方具有障碍物后，如障碍物不是太大，则可通过该无人机自身调整即可避障，该无人机在安全距离内偏向其他无人机飞行，绕过障碍物后再恢复到之前的飞行路线。
作为选择，本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，步骤S2包括：
S24、无人机通过光流传感模块获取无人机的平面位置，通过超声波测距模块获取无人机的高度，根据平面位置和高度并结合初始位置获取无人机的当前位置。光流传感模块包括光流传感器以及外围电路，光流传感器的镜头朝向地面，获取地面图像，通过对图像灰度的光流计算得到无人机的飞行速度，结合飞行时间按照预设算法计算出无人机的相对位移。例如，设定无人机的飞行空间直角坐标系，设定水平方向为X轴和Y轴，垂直方向为Z轴，在飞行过程中，无人机根据光流法算出的X轴和Y轴速度算出无人机移动的位移，结合初始位置实现实时得知自身的空间位置。超声波测距模块在上述建立的飞行空间直角坐标系中，通过无人机高度获取无人机在Z轴的坐标。超声波测距模块包括超声波发射单元和超声波接收单元，超声波接收单元接收超声波发射单元发射的超声波，根据发射和接收时间计算距离，得到无人机高度。通过上述过程可得到无人机在坐标系中的坐标，进而得到无人机的当前位置。
S25、从属无人机通过短距离无线通信模块将当前位置发送至主控无人机。
作为选择，本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，步骤S2包括：
S26、主控无人机发送故障信号或从属无人机未接收到主控无人机正常状态信号，则按照预设优先级将从属无人机中优先级最高的作为主控无人机。在飞行过程中，主控无人机可能出现故障，一旦出现故障，则会导致整个无人机机群失去控制。为防止因主控无人机出现故障导致机群失控，本发明设置主控无人机替代机制，即当主控无人机出现故障后，使用优先级最高的从属无人机进行替代，使用替代后的主控无人机控制机群飞行。
作为选择，本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，步骤S2包括：
S27、其中一架无人机同时接收到至少两架无人机发送的控制指令，优先处理优先级高的无人机发送的控制指令。例如，在飞行过程中，一架无人机同时接收到两架从属无人机的控制指令，则首先比较发送控制指令的两架无人机的优先级，执行优先级较高的从属无人机发送的控制指令。
作为选择，本发明的室内视觉导航无人机集群飞行控制方法，步骤S2包括：
S28、在飞行过程中，若无人机检测到飞行障碍物，则暂停当前飞行任务并启动避障程序进行避障飞行；启动避障程序进行避障飞行包括：
S281、检测到飞行障碍物的无人机根据相邻无人机的位置在安全距离内自动调整飞行路线绕过飞行障碍物。例如安全距离为1米，其中一架无人机检测到飞行路线前方有一盏吊灯，该吊灯的大小为0.2米，则该无人机可执行自我避障功能，不需要影响其他无人机的飞行。具体操作是：无人机执行避障控制程序后，根据距离障碍物的距离和障碍物大小调整飞行方向，完成避障。该避障方式不需要主控无人机操作，也不会影响其他无人机的飞行，提高飞行稳定性。或
S282、检测到飞行障碍物的无人机在自动避障同时将避障指令发送至相邻无人机，相邻无人机接收到避障指令后，优先执行避障指令。如果无人机检测到障碍物较大，单靠自身调整飞行状态无法完成避障，需要相邻无人机配合，则在自身启动避障同时将避障指令发送至相邻无人机，相邻无人机根据该避障执行做出对应飞行调整，配合该无人机完成避障。进一步，如果相邻无人机依靠自身调整还不能避障，则可进一步通知相邻无人机进行避障配合，直至能躲避障碍物。或
S283、检测到飞行障碍物的无人机将障碍物信息发送至主控无人机，主控无人机根据障碍物信息和所有无人机的状态得到避障方案，并将避障指令发送至需要调整的无人机，接收到避障指令的无人机优先执行避障指令。或
S284、当两架无人机之间的距离小于安全距离时，优先级低的无人机自动降落或悬停。
S29、避障结束后，无人机恢复执行暂停的当前飞行任务。
S3、飞行结束后无人机降落至预设目标位置。
通过实施本发明，预先将飞行控制程序写入无人机，无人机集群在飞行过程中不再需要外部基站和定位系统，实现独立飞行和自主控制，减少飞控设备以及增强无人机集群的生存能力。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。