基于视觉的无人机编队飞行控制方法与流程

本发明属于无人机飞行控制技术领域，具体涉及一种无人机编队飞行控制方法。

背景技术：

无人驾驶飞机，简称为无人机。随着航空技术和电子技术的发展，无人机因其成本低、易控制等优势，广泛应用于军事与民用领域：敌情侦察、协同打击、地形勘探、地理测绘、线路巡检等。随着任务需求的多样性和复杂性，单架无人机执行任务的能力有限，生存能力受到极大的挑战，而多架无人机协同可以实现信息的互享和行动协调，实现单架无人机的任务扩展，提高任务执行的成功率。无人机编队协同能够使实现微小型无人机的效能最大化，不仅能够扩大其在军事领域的作战能力，也能在民用领域给国民经济带来巨大的推动作用。

目前主要的无人机编队控制方法大体上有图论法、主从式(leader-follower)、基于行为法(behavior-based)、虚拟结构法(virtualstructure)以及一致性理论等，在进行编队飞行时，各无人机除了感知自身状态信息外，还需掌握相邻无人机状态信息。gps/ins是获得自身状态的主要手段，通信则是获得相邻无人机状态的主要手段，但在电磁信号收到压制的环境下，通信受到干扰，编队难以继续保持队形飞行，同时部分僚机执行任务后不再返回，如利用昂贵的抗干扰设备则会造成极大的资源浪费。视觉导航定位技术的发展为无人机相对定位导航提供了一条解决方案，本发明基于视觉定位技术提出了一种无人机编队飞行控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是解决在通信受到干扰环境下无人机编队能够持续保持飞行的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供基于视觉的无人机编队飞行控制方法，具体实现过程如下步骤：

步骤1、根据编队队形需求，确定无人机编队长僚机，将多无人机编队问题分解为每组两架无人机之间的位置保持问题；

进一步的，无人机编队时，长僚机之间设置一定的高度差，高度差可设置为长僚机之间距离的5％～10％

步骤2、根据无人机的特征，在长僚机上布置特征点，作为视觉定位的参考点，在僚机上布置视觉设备。

进一步的，对于固定翼无人机，可将主特征点设置为机翼两端，并在该部位布置led灯，led灯的特性可和僚机机载视觉设备的搭配进行选择和设置。

对于复合翼无人机，除了机翼两侧外，还可将四个旋翼中心设置为辅助特征点。

如果编队飞行时设置两架主机，可将两架主机上的led灯的分别设置为红外led灯、紫外led灯，同时将各自僚机机载视觉设备镜头上配置响应的红外和紫外滤光片。

步骤3、僚机机载设备开机工作，并锁定各自的长僚机，长僚机、僚机先后起飞，在指定的地点集合；

步骤4、获得长僚机在地心坐标系下的位姿信息

步骤5、将步骤4中获取数据传递给僚机飞行控制系统，飞控根据编队需求，针对长僚机位置保持问题进行控制指令结算，引导僚机跟随长僚机按预定队形飞行。

进一步的，可根据长僚机的位置、姿态信息进行更为精细的编队控制指令的结算

假设无人机僚机和长僚机需要保持的距离为l，角度为θ，由于长僚机之间的高度差为其距离的5％～10％，可认为长僚机位于同一水平面内飞行，

t时刻僚机位置为

视觉设备测量的长僚机相对僚机位置为

t时刻长僚机位置

t-1时刻僚机位置为

视觉设备测量的长僚机相对僚机位置为

t-1时刻长僚机位置为

基于无人机长僚机上一时刻位置预测下一时刻位置：

则可得下一时刻僚机位置指令为：

步骤6、每架僚机依据步骤5给出的位置指令跟随各自长僚机飞行，实现整个无人机的编队飞行，直至完成任务。

本发明的有效收益是：

1、本发明中无人机编队飞行不依赖于通信手段，僚机通过自身机载视觉设备获得长僚机的位姿信息，从而引导自身跟随长僚机飞行形成编队，共同完成任务；

2、本发明能有效提高无人机编队执行任务的能力，在通信受到干扰的复杂电磁环境或强拒止环境下具有很强的应用价值和广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明菱形编队示意图；

图2为本发明菱形编队分解示意图；

图3为本发明长机特征点布置示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的阐释和说明。

本发明的核心思路是在编队飞行过程中，将无人机编队奉行分解为多组长僚机的位置保持问题，对长僚机进行特征点布置，长僚机按预定的飞行航迹飞行，僚机通过视觉手段获得长僚机的位姿信息，通过解算僚机的导航定位指令，引导无人机进行实现编队飞行。

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本方法作进一步详细描述。基于视觉的无人机编队飞行方法，包括如下步骤：

步骤1、根据编队队形需求，确定无人机编队长僚机，将多无人机编队问题分解为每组两架无人机之间的位置保持问题；

无人机编队时，长僚机之间设置一定的高度差，高度差可设置为长僚机之间距离的5％～10％，所有僚机在同一在水平面内进行编队飞行构成僚机群。进行分解时，分解方案并不唯一，比如，图1所示的菱形编队问题可以分解为图2所示的3组长僚机位置保持问题，其中僚机3的长机可以选择为图中的长机1,也可选择为僚机1或者僚机2，具体选择可根据实际编队规模和几何关系确定。

步骤2、根据无人机的特征，在长撩机上布置特征点，作为视觉定位的参考点，在僚机上布置视觉设备。

对于固定翼无人机，可将主特征点设置为机翼两端，在该部位布置led灯，如图3所示，为了便于对特征点的识别，led灯可贴于机翼上表面，亦可贴于机翼侧面，具体位置视情而定。对于复合翼无人机，除了机翼两侧外，还可将四个旋翼中心设置为辅助特征点。僚机上的视觉设备通过云台和僚机机体相连，降低机体震动对其影响，提高定位精度。

led灯的特性可和僚机机载视觉设备的搭配进行选择和设置，如果编队飞行时设置两架主机，可将两架主机上的led灯的分别设置为红外led灯、紫外led灯，同时将各自僚机机载视觉设备镜头上配置响应的红外和紫外滤光片，提高识别定位效果。

步骤3、僚机机载设备开机工作，并锁定各自的长僚机，长僚机、僚机先后起飞，在指定的地点集合；

步骤4、获取长僚机在地心坐标系下的位姿信息；

僚机机载计算机对视觉设备采集图片进行处理，提取led等轮廓，根据僚机位置、姿态信息、视觉设备的安装参数、特征参数、长僚机的特征参数、特征点位置等信息解算长僚机在僚机机体坐标系下的位姿信息，进而获得长僚机在地心坐标系下的位姿信息。

具体的长僚机位置坐标的求解可参考相关的视觉定位文献，如《计算机单目视觉定位》(秦丽娟等，国防工业出版社)、《计算机双目立体视觉》(高宏伟编，电子工业出版社)等专业书籍中的相关方法，这不是本专利的重点，不做详细介绍。

步骤5、将步骤4中获取数据传递给僚机飞行控制系统，飞控根据编队需求，针对长僚机位置保持问题进行控制指令结算，引导僚机跟随长僚机按预定队形飞行。

本发明提供一种可根据长僚机的位置、姿态信息进行更为精细的编队控制指令的结算方法。

假设无人机僚机和长僚机需要保持的距离为l，角度为θ，由于长僚机之间的高度差为其距离的5％～10％，可认为长僚机位于同一水平面内飞行，

t时刻僚机位置为

视觉设备测量的长僚机相对僚机位置为

t时刻长僚机位置

t-1时刻僚机位置为

视觉设备测量的长僚机相对僚机位置为

t-1时刻长僚机位置为

基于无人机长僚机上一时刻位置预测下一时刻位置：

则可得下一时刻僚机位置指令为：

步骤6、每架僚机依据步骤5给出的位置指令跟随各自长僚机飞行，实现整个无人机的编队飞行，直至完成任务。

此时，长机根据飞行任务自主飞行，每架僚机根据步骤5中计算的位置指令跟随各自长机飞行，实现整个无人机的编队飞行，直至完成任务。结束任务后，长机自主返航，僚机接受返航指令返航。