一种无人机协同控制验证平台的制作方法

本发明涉及无人机协同控制验证领域，特别是涉及一种无人机协同控制验证平台。

背景技术：

无人机又可以看作是空中机器人，一种能够完成一定程度的自主控制，能在空中进行可控飞行，从而可以通过携带特定设备完成相应任务的非载人飞行器。与载人飞行器相比，它体积小、成本低、安全性好，更适合执行重复性的或危险性高的任务，因此在民用和军用领域有广泛的应用前景。然而，当单架无人机执行任务时，它能完成的工作是受到制约的，对于更为复杂的任务，需要多架协同执行任务，可以通过合理分配携带的设备并形成合适的队形，同时覆盖较大区域，以更高效率协同完成任务，具体应用包括协同侦察、探测以及围捕等。在多机协同作业时，机群一般有必要形成合适的队形。一方面，无人机之间保持合适的间距有助于避免发生碰撞或者有的无人机脱离机群的情况；另一方面，在一些任务中无人机之间有必要形成指定的队形，例如通信中继等。因此，自主协同控制是无人机机群执行各种任务的重要基础。

目前大多数的无人设备协同理论的验证平台都是基于仿真的软件，用仿真软件模拟出无人设备的运行状态，然后根据仿真运行过程中生成的各种参数评价无人设备协同算法的优劣性，然而，仿真软件无法做到完全还原无人设备的运行状态，因此，仿真软件模拟出的无人设备协同算法的评估所需要的各种数据不够精确，如何搭建一个现实的环境来采集无人设备在运行过程中的各种参数，来评价无人设备协同算法的优劣性是亟待解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无人机协同控制验证平台，能够现实的呈现无人机在协同控制算法下的运行状态，提高了对协同控制算法评估的准确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无人机协同控制验证平台，包括：

多个无人机，各所述无人机上均集成有第一控制器，第一控制器根据无人机协同控制算法控制所述无人机飞行；

定位系统，包括uwb导航定位系统和集成在所述无人机上的gps芯片，所述uwb导航定位系统位于室内，所述gps芯片与所述第一控制器电连接；

地面站，包括用于向所述无人机发送指令的第二控制器和用于显示所述无人机位置的显示器；和

通信模块，所述地面站通过所述通信模块与各所述无人机进行信息交互，各所述无人机之间通过所述通信模块进行通信。

可选的，各所述无人机上还集成有用于检测重力和加速度的三轴加速度计、用于检测机体角速度的三片单轴陀螺仪和用于检测地磁场方向的三轴电子罗盘。

可选的，所述无人机上还集成有测量无人机高度的激光测距传感器。

可选的，所述通信模块为xbee通信模块。

可选的，所述无人机上还集成有软件接口，外部程序通过所述软件接口载入所述第一控制器。

可选的，所述uwb导航定位系统包括pc主机、锚点和标签，所述锚点布设于设定位置，所述标签安装于所述无人机机架上，所述标签用于向所述锚点发送定位请求，所述锚点用于接收所述标签的请求信号并通过网口将所述信号传输至所述pc主机，所述pc主机用于解算得到所述无人机的位置信息。

可选的，所述无人机协同控制验证平台还包括用于控制所述无人机飞行的遥控器。

可选的，所述无人机上还集成有数据存储器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的无人机协同控制验证平台包括：多个无人机、定位系统、地面站和通信模块，各所述无人机上均集成有第一控制器，第一控制器根据无人机协同控制算法控制所述无人机飞行；定位系统包括uwb导航定位系统和集成在所述无人机上的gps芯片，所述gps芯片用于无人机在室外环境下的定位，所述uwb导航定位系统用于无人机在室内环境下的定位；地面站用于对无人机发送控制指令以及实时显示各无人机的位置。可见，本发明提供的供无人机协同控制算法验证的平台，能够使无人机的协同控制算法的优劣能够以实物的形式得到验证，与现有技术中采用仿真软件的形式进行验证相比较，具有评估准确度高的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例无人机协同控制验证平台的系统框图；

图2为本发明实施例地面站监控图；

图3为本发明实施例地面站对无人机单机调试界面图；

图4为本发明实施例地面站指令发送界面图；

图5为本发明实施例uwb导航定位系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种无人机协同控制验证平台，能够现实的呈现无人机在协同控制算法下的运行状态，提高了对协同控制算法评估的准确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例无人机2协同控制验证平台的系统框图，如图1所示，本发明提供的无人机2协同控制验证平台包括：多个无人机2、定位系统、地面站4和通信模块3，其中，各无人机2上均集成有第一控制器，第一控制器根据无人机协同控制算法控制所述无人机飞行；定位系统包括uwb导航定位系统1和集成在无人机2上的gps芯片，uwb导航定位系统1位于室内，gps芯片与第一控制器电连接；地面站4包括用于向无人机2发送指令的第二控制器和用于显示无人机2位置的显示器；地面站4通过通信模块3与各无人机2进行信息交互，各无人机2之间通过通信模块3进行通信。

在上述实施例的基础上，作为本发明的一个实施例，uwb导航定位系统1包括pc主机、锚点和标签，锚点布设于设定位置，标签安装于无人机2机架上，标签用于向锚点发送定位请求，锚点用于接收信号并通过网口将信号传输至pc主机，pc主机用于解算得到无人机2的位置信息。

在上述实施例的基础上，作为本发明的一个实施例，各无人机2上还集成有用于检测重力和加速度的三轴加速度计、用于检测机体角速度的三片单轴陀螺仪和用于检测地磁场方向的三轴电子罗盘。

在上述实施例的基础上，作为本发明的一个实施例，无人机2上还集成有测量无人机高度的激光测距传感器。

通信模块为xbee通信模块，用于提供通信网络，通信模块也可以包括xbee通信模块、wifi通信模块和3g/4g/5g通信模块等通信模块中的多种通信模块的配合使用。无人机上还集成有软件接口，外部程序通过软件接口载入第一控制器。

无人机可以为四旋翼无人机，四旋翼无人机是运动主体，定位系统为四旋翼无人机提供导航数据，地面站监控整个机群状态，整个系统由通信模块采用无线的方式联系起来。其中，每一架无人机都具备室外和室内条件下基于定位系统的自主飞行能力，同时各配备相应的遥控器用于紧急情况处理，无人机与无人机间、无人机与地面站间均可以通过通信模块进行无线通信，一方面用于编队飞行时无人机之间的协调，另一方面用于地面站与机群的交互。通过地面站软件，可以对机群系统的状态进行监控，并发送参数配置指令或编队飞行、航迹飞行指令，无人机接收到指令后，根据自身控制器中的协同控制算法计算飞行轨迹以及协调与其他无人机之间位置关系。本平台中的四旋翼无人机利用自身携带的传感器和外部定位系统精确确定绝对位置和相对位置，利用xbee通信模块和地面站进行信息共享，具备编队协同飞行的能力，并提供协同控制层面的软件接口，可对自主开发的协同控制算法进行验证。

地面站是指地面系统监控操作端，是一套软件运行在windows平台上，基于labview16.0编写，通过xbee无线通信模块与无人机进行信息交互，功能主要包括两部分：接收并显示各架无人机的状态，向机群或特定无人机发送参数或指令。图2所示为地面站的监控画面，系统中，每一架无人机发给地面站的信息包括姿态、位置等自身状态信息，每架无人机的详细信息显示在界面右半边的相应位置，而所有无人机的水平方向位置则统一显示在界面左半边的xy图上，以方便监控机群编队效果。界面上不同无人机的信息用不同颜色进行标记区分。

可以通过地面站向机群发送的参数和指令包括：飞行控制和编队控制的控制参数、航迹指令、编队队形指令、通信拓扑配置等。发送参数和指令可以直接在监控画面上点击弹出发送窗口进行发送。图3所示为地面站对无人机单机调试界面图，可以看到指定无人机的详细状态信息，包括姿态、位置、期望指令、飞控输出pwm波等详细信息，方便单架无人机的调试与检测。图4为指令发送界面，可以在界面左侧下拉菜单指定向特定无人机发送指令或向整个机群广播。在界面右侧，可以通过下拉菜单指定指令类型，输入相应参数，并发送指令。本发明中，地面站不执行任务规划、航迹生成、飞行控制等任务，因此，不需要实时向机群发送控制指令，理论上机群与地面站断开通信后不会对机群的控制造成影响。

定位系统指的是gps以及uwb导航定位系统，本平台对以上两种定位方式都支持，根据场地不同均可随时调整，gps定位系统适用于户外大型空旷场地，uwb定位系统适用于室内以及户外小型场地。其中gps定位系统由gps芯片构成，位于四旋翼无人机上，通过串口线与第一控制器相连接，第一控制器接收gps信号解算出当前经纬度，再转化为参考惯性系下的全局坐标。uwb定位系统由pc主机、锚点、标签、交换机、电源、网线构成，软件为主机解算软件安装于pc主机上，如图5所示。锚点布设于已知位置，标签安装于四旋翼机架上，在锚点覆盖的区域内，标签发送定位请求，锚点接收信号并通过网口送pc主机，经过pc主机解算可以为四旋翼提供位置信息。

四旋翼无人机是指搭载自主研发飞控系统的四轴多旋翼无人机，具备在室内外环境下检测自身位置姿态并对其进行控制的自主飞行能力以及与邻居四旋翼和地面站通信的能力。同时每架无人机配备遥控器，可使操作员在有需要时能随时人工干预四旋翼无人机飞行，从而提高安全性。

本平台中的ahrs(attitudeheadingreferencesystem，航姿参考系统)使用分立传感器元件搭建，包括用于检测重力和加速度的一片三轴加速度计、用于检测机体角速度的三片单轴陀螺仪和用于检测地磁场方向的一个三轴电子罗盘，都位于各无人机的控制板上，来实现对无人机姿态的解算。机身水平方向上的位置使用gps/uwb定位系统测量，高度使用激光测距模块测量。利用测得的位置和加速度信息，通过自行编写的位置滤波算法，可以得到精度和带宽更高的无人机位置和速度信息。本平台中，每架无人机携带一片2g内存的microsd卡，用于数据记录。本系统中使用xbee模块用于无人机和无人机、无人机和地面站之间的无线通信。xbee模块具有自组网的能力，支持点对点通信和广播，满足多机编队飞行这类应用的需求。每架无人机上使用的处理器为一片tms320f28335dsp(digitalsignalprocessor，数字信号处理器)，包含丰富的接口及运算资源，可以满足系统需求。飞控系统全部相关软件均在dsp上运行，包括数据采集、滤波、飞行控制、编队控制、通信、数据记录等。四旋翼的姿态滤波与控制等底层任务运行频率为500hz，由高优先级的时钟中断保证其实时性。

本发明提供的无人机协同控制验证平台包括：多个无人机、定位系统、地面站和通信模块，各所述无人机上均集成有第一控制器；定位系统包括uwb导航定位系统和集成在所述无人机上的gps芯片，所述gps芯片用于无人机在室外环境下的定位，所述uwb导航定位系统用于无人机在室内环境下的定位；地面站用于对无人机发送控制指令以及实时显示各无人机的位置。可见，本发明提供的供无人机协同控制算法验证的平台，能够使无人机的协同控制算法的优劣能够以实物的形式得到验证，与现有技术中采用仿真软件的形式进行验证相比较，具有评估准确度高的优势。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。