一种无人机集群编队飞行地面实时控制方法及控制装置与流程

本发明涉及无人机集群编队飞行控制技术领域，尤其涉及一种无人机集群编队飞行地面实时控制方法及控制装置。

背景技术：

无人机集群包括多架无人机，无人机集群是为完成同一任务或者同一系列任务而构建的集群系统。单体无人机具备自动控制系统，无人机集群将多架无人机按照一定的结构形式进行三维空间排列，使多架无人机在飞行中保持稳定的队形，并且能够根据外部情况以及任务需求进行动态调整，以体现整个机群的协同一致性。无人机集群可以利用一定数量的无人机，快速发射、部署形成集群应用，通过重构、自组织组网、构成无人机编队，分别赋予干扰欺骗、预警探测、火力打击、电子对抗等功能。

为适应任务需求，无人机集群中的无人机需进行某种队形排列以及任务分配的组织模式，包括编队飞行的队形产生、保持和变化以及飞行任务的规划和组织。

目前，要实现无人机集群编队飞行，需要依赖功能强大的无人机机间通信网络。无人机主站通常将无人机集群编队中的一台无人机作为领航无人机，将领航无人机所需的飞行路线作为无人机集群编队的预设飞行路线，其它无人机根据相对领航无人机的相对位置信息，相对位置信息包括与领航无人机之间的相对距离、俯仰角和方位角，通过解算确定各自的飞行路线。

然而，无人机通信系统通常不包括机间通信系统，仅包括一站多机通信系统，不支持机间通信，无人机集群编队飞行的控制指令需要集中由地面站解算，并从地面站经一站多机通信系统发送至无人机集群中的各无人机，这就导致现有的依靠机间通讯的各种无人机集群编队飞行用控制策略及控制方法无法有效应用。而且，无人机地面站通常采用的是windows,linux等非实时操作系统，若采用实时操作系统，很难支持当前的地面站软件运行，非实时操作系统采用时间片轮转调度，无法保证精确地控制程序运行的节拍，这种情况下会导致控制指令解算的实时性较差，地面站解算出的编队控制指令无法保证实时性，从而导致无人机集群达不到理想的编队效果。综上所述，迫切需要研发一种无人机集群编队飞行用地面实时控制装置及方法，配合集群用无人机地面站以及一站多机通信系统，通过地面实时控制装置的控制来实现通信有限条件下的无人机集群编队飞行。

技术实现要素：

本发明的提供一种无人机集群编队飞行地面实时控制方法及控制装置，能够在无人机主站和一站多机通信系统的配合下，实现通信有限条件下无人机编队飞行控制指令的实时解算，使得编队效果更加理想。

本发明采用的技术方案为：一种无人机集群编队飞行地面实时控制方法，包括以下步骤：

步骤一：无人机主站发送无人机集群编队的预定航线信息和编队构型信息；所述的预定航线信息包含无人机集群编队中的领航无人机飞行所需的n个航点位置和每个航点位置的预设飞行速度，其中n＝1,2，……，n，n表示领航无人机飞行所需的航点位置的个数；编队构型信息包括无人机集群编队中每架无人机相对于与领航无人机的相对位置信息；

步骤二：实时控制系统通过通讯模块接收预定航线信息和编队构型信息，并根据接收到的预定航线信息和编队构型信息，生成引导无人机集群编队中每架无人机飞行的编队飞行控制指令；具体包括以下步骤：

步骤2.1：实时控制系统通过通讯模块接收预定航线信息和编队构型信息，生成与无人机集群编队中的每架无人机一一对应的编队导航引导信息；

编队导航引导信息包括对应的无人机在到达第i个航点位置时的时刻ti、预测速度vi；其中，i表示无人机飞行所需的第i个航点位置，1≤i≤n；

步骤2.2：无人机集群编队中的每架无人机分别通过一站多机通信系统、通讯模块将各自的飞行状态信息回传至所述实时控制系统，所述的飞行状态信息包括无人机在时刻ti时的实时航点位置和实时飞行速度vi′；实时控制系统根据每架无人机的飞行状态信息，采用基于偏差的编队飞行控制算法，获取每架无人机的实时航点位置与第i个航点位置的偏差q，根据偏差q解算生成每架无人机的调整速度vi″，调整速度vi″作为编队飞行控制指令；

步骤2.3：所述的实时控制系统通过一站多机通讯系统，将解算生成的每架无人机的编队飞行控制指令发送至参与编队飞行的相对应的无人机上；

步骤三：无人机集群编队中的每架无人机根据接收到的编队飞行控制指令进行飞行，从而实现编队飞行。

所述的步骤2.2中，根据时刻ti和时刻ti+1之间的间隔δti以及偏差值q，得到无人机在时刻ti的修正速度δv；调整速度vi″＝vi+δv。

优选的，所述的步骤2.2中，调整速度vi″的速度方向作为无人机航向控制指令；调整速度vi″的速度大小作为无人机速率控制指令。

一种无人机集群编队飞行地面实时控制装置，包括实时控制系统、通讯模块和电源模块；所述的实时控制系统用于解算无人机主站发送的无人机集群编队的预定航线信息和编队构型信息以及无人机集群编队中每架无人机的飞行状态信息，得到每架无人机的编队飞行控制指令；

所述的通讯模块用于实现无人机主站、一站多机通信系统与实时控制系统的通信；

所述的电源模块为实时控制系统和通讯模块供电；

所述的通讯模块包括通讯单元、第一接口单元和第二接口单元，所述的通讯单元与实时控制系统电连接，所述的通讯单元通过第一接口单元连接无人机主站，所述的通讯单元通过第二接口单元连接一站多机通信系统。

所述的实时控制系统采用armcortex-m4，所述的通讯单元采用型号为usr-tcp232-e2的串口服务器模块，所述的第一接口单元采用max232芯片，所述的第二接口单元采用rj45网口模块。

为了节约电能，所述的电源模块包括锂电池组和电源管理芯片，所述锂电池组的输出端连接电源管理芯片，所述电源管理芯片的输出端分别连接实时控制系统和通讯模块的电源连接端。

所述的无人机集群编队飞行地面实时控制装置，还包括指示灯模块，所述的指示灯模块包括用于指示电源模块电压是否正常的电源指示灯、用于指示实时控制系统中的软件运行是否正常的工作指示灯和用于指示通信是否正常的通信指示灯，通过指示灯便捷的查看对应的功能是否正常。

本发明所述的地面实时控制装置在集群无人机主站和无人机集群一站多机通信系统的配合下，通过接收集群无人机主站发送的无人机编队飞行编队构型信息和预定航线信息，实时的解算出控制无人家集群编队中每架无人机的编队飞行控制指令，编队飞行控制指令经一站多机通信系统发送到编队中对应的无人机上，各编队无人机在接收到编队飞行控制指令后，通过各自的飞行控制系统进行解算，控制无人机按照各自接收到的编队飞行控制指令来飞行，实现无人机集群编队飞行，解决了无人机主站解算出的编队飞行控制指令无法保证实时性的问题，提升编队无人机中所有无人机的同步性，使得编队无人机的编队效果更为理想。

本发明所述的无人机编队飞行控制方法，将预定航线信息和编队构型信息发送至能够进行实时解算的控制装置中，控制装置生成编队导航引导信息，并根据一站多机无人机集群通信系统回传的编队无人机各自的飞行状态信息，采用基于偏差的编队飞行控制算法进行信息解算，生成编队飞行无人机各自的编队飞行控制指令，编队飞行控制指令经一站多机通信系统发送到对应的编队无人机上，从而实现编队飞行控制指令的实时解算，从而使得无人机集群编队飞行效果更为理想。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为具体实施方式中等边三角形编队构型信息解算过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括实时控制系统、通讯模块和电源模块；

所述的实时控制系统用于解算无人机主站发送的无人机集群编队的预定航线信息和编队构型信息以及无人机集群编队中每架无人机的飞行状态信息，得到每架无人机的编队飞行控制指令；

所述的通讯模块用于实现无人机主站、一站多机通信系统与实时控制系统的通信；

所述的电源模块为实时控制系统和通讯模块供电。

所述的通讯模块包括通讯单元、第一接口单元和第二接口单元，所述的通讯单元与实时控制系统电连接，所述的通讯单元通过第一接口单元连接无人机主站，所述的通讯单元通过第二接口单元、路由器连接一站多机通信系统。所述的一站多机通讯系统通过路由器连接无人机主站，所述的一站多机通讯系统连接无人机编队中的各个无人机。

所述的无人机集群编队飞行地面实时控制装置还包括指示灯模块，所述的指示灯模块包括用于指示电源模块电压是否正常的电源指示灯、用于指示实时控制系统中的软件运行是否正常的工作指示灯和用于指示通信是否正常的通信指示灯。

地面实时控制装置上电运行后，实时控制系统依据其运行状态控制其驱动的指示灯模块进行状态显示。

本实施例中，所述的实时控制系统采用基于armcortex-m4架构的微处理器，所述的通讯单元采用型号为usr-tcp232-e2的串口服务器模块，所述的第一接口单元采用max232芯片，所述的第二接口单元采用rj45网口模块。

实时控制装置选用armcortex-m4作为解算单元，依靠armcortex-m4内部自带的定时器和计数器控制计算是否达到无人机需回传飞行状态信息的时刻ti，并且直接在实时控制装置完成对每架无人机飞行的编队飞行控制指令的解算，不通过操作系统，可以较好的保持实时性。

实时控制系统通过两路ttl信号与通信模块进行通信。通信模块分别采用usr-tcp232-e2串口转rj45网口模块和max232芯片，分别将对应的ttl信号转换成为网络信号以及rs232信号，网络信号用来与一站多机通信系统通信，用以接收编队无人机实时飞行状态信息并发送解算生成的编队飞行控制指令；rs232信号用以同无人机主站进行通信，接收无人机发送的预定航线信息以及编队构型信息。

所述的电源模块包括锂电池组和电源管理芯片，所述锂电池组的输出端连接电源管理芯片，所述电源管理芯片的输出端分别连接实时控制系统和通讯模块的电源连接端。

本实施例中，锂电池组采用18650可充电锂电池组。

本实施例中，所述的地面实时控制装置设置有壳体，所述的电源指示灯、工作指示灯、通信指示灯、rj45网口模块的网口、max232芯片的串口和电源开关均设置于壳体上。

本发明所述的地面实时控制装置在集群无人机主站和无人机集群一站多机通信系统的配合下，通过接收集群无人机主站发送的无人机编队飞行编队构型信息和预定航线信息，实时的解算出控制无人家集群编队中每架无人机的编队飞行控制指令，编队飞行控制指令经一站多机通信系统发送到编队中对应的无人机上，各编队无人机在接收到编队飞行控制指令后，通过各自的飞行控制系统进行解算，控制无人机按照各自接收到的编队飞行控制指令来飞行，实现无人机集群编队飞行，解决了无人机主站解算出的编队飞行控制指令无法保证实时性的问题，使得编队无人机的编队效果更为理想。

如图2所示，一种无人机集群编队飞行地面实时控制方法，包括以下步骤：

步骤一：无人机主站发送无人机集群编队的预定航线信息和编队构型信息；所述的预定航线信息包含无人机集群编队中的领航无人机飞行所需的n个航点位置和每个航点位置的预设飞行速度，其中n＝1,2，…i…，n，n表示领航无人机飞行所需的航点位置的个数，i表示无人机飞行所需的第i个航点位置，1≤i≤n；编队构型信息包括无人机集群编队中每架无人机相对于与领航无人机的相对位置信息；

步骤二：实时控制系统通过通讯模块接收预定航线信息和编队构型信息，并根据接收到的预定航线信息和编队构型信息，生成引导无人机集群编队中每架无人机飞行的编队飞行控制指令；具体包括以下步骤：

步骤2.1：实时控制系统通过通讯模块接收预定航线信息和编队构型信息，生成与无人机集群编队中的每架无人机一一对应的编队导航引导信息；

编队导航引导信息包括对应的无人机在到达第i个航点位置时的时刻ti、预测速度vi；

具体的说，编队导航引导信息包括对应无人机的第1个预测航点位置、第2个预测航点位置…第i个预测航点位置…第n个预测航点位置，编队导航引导信息还包括对应无人机到达第1个预测航点位置、第2个预测航点位置…第i个预测航点位置…第n个预测航点位置时的时刻t1、时刻t2…时刻ti…时刻tn，编队导航引导信息还包括对应无人机到达预测第1个预测航点位置、第2个预测航点位置…第i个预测航点位置…第n个预测航点位置时的预测速度v1、预测速度v2…预测速度vi…预测速度vn；

步骤2.2：无人机集群编队中的每架无人机分别通过一站多机通信系统、通讯模块将各自的飞行状态信息回传至所述实时控制系统，所述的飞行状态信息包括无人机在时刻ti时的实时航点位置和实时飞行速度vi′；实时控制系统根据每架无人机的飞行状态信息，采用基于偏差的编队飞行控制算法，获取每架无人机的实时航点位置与第i个航点位置的偏差q，根据偏差q解算生成每架无人机的调整速度vi″。

本实施例中，根据时刻ti和时刻ti+1之间的间隔δti以及偏差值q，得到无人机在时刻ti的修正速度δv；调整速度vi″＝vi+δv。

调整速度vi″的速度方向作为无人机航向控制指令；调整速度vi″的速度大小作为无人机速率控制指令，无人机航向控制指令和无人机速率控制指令作为编队飞行控制指令。

步骤2.3：所述的实时控制系统通过一站多机通讯系统，将解算生成的每架无人机的编队飞行控制指令发送至参与编队飞行的相对应的无人机上；

步骤三：无人机集群编队中的每架无人机根据接收到的编队飞行控制指令进行飞行，从而实现编队飞行。

如图3所示，给出一个等边三角形编队构型信息，用于详细的说明本发明所述的控制方法的步骤2.2中，基于偏差的编队飞行控制算法。本发明所述的控制方法不限于该三角形构型以及三架无人机，可以应用于多种构型以及多架无人机。

如图3所示，实时控制系统根据预订航线信息和等边三角形编队构型信息，处理生成三架无人机编队飞行的编队导航引导信息，编队导航引导信息中第一架无人机的在时刻ti的预测航点位置为uav1′，第二架无人机在时刻ti的预测航点位置为uav2′，第三架无人机在时刻ti的预测航点位置为uav3′，uav1′，uav2′和uav3′用空心箭头做标识。

第一架无人机在时刻ti的实时航点位置为uav1，第二架无人机在时刻ti的实时航点位置为uav2，第三架无人机在时刻ti的实时航点为uav3。uav1，uav2和uav3用实心头做标识。

以uav1为例，通过实时控制系统，实时解算出uav1所处实时位置与uav1’在该时刻应处虚拟位置在第一方向的偏差dx1和在第二方向的偏差dx2，依据第一方向的偏差dx1和在第二方向的偏差dy1，ti和时刻ti+1之间的间隔δti，解算出无人机在时刻ti的修正速度δv。

uav1处的第一架无人机实际所需的调整速度vi″＝δv+vi，其中vi为第一架无人机在时刻ti预测速度。

实时控制系统解算出第一架无人机调整速度vi″的速度方向，作为第一架无人机的航向控制指令；第一架无人机调整速度vi″的速度大小作为第一架无人机的速率控制指令，作为第一架无人机的编队飞行控制指令。

由此类推计算出参与编队的第二架无人机的编队飞行控制指令和第三架无人机的编队飞行控制指令。

至此，编队构型信息为等边三角形的无人机编队飞行所需的编队飞行控制指令解算完毕，通过通信模块发送至一站多机通信系统，对应上传至构成等边三角形的无人机上，无人机在时刻ti依据编队飞行控制指令飞行，直至到达时刻ti+1，编队飞行控制指令更新。

在实际的解算过程中，无人机的实时航点位置和预测航点位置均包括经纬度和高度。

本发明所述的无人机编队飞行控制方法，将预定航线信息和编队构型信息发送至能够进行实时解算的控制装置中，控制装置生成编队导航引导信息，并根据一站多机无人机集群通信系统回传的编队无人机各自的飞行状态信息，采用基于偏差的编队飞行控制算法进行信息解算，生成编队飞行无人机各自的编队飞行控制指令，编队飞行控制指令经一站多机通信系统发送到对应的编队无人机上，从而实现编队飞行控制指令的实时解算，从而使得无人机集群编队飞行效果更为理想。