一种无人机群飞行控制的方法、无人机、系统及介质与流程

本发明涉及无人机控制领域，尤其涉及一种无人机群飞行控制的方法、无人机、系统及介质。

背景技术：

近年来由于环境的复杂性和任务的多重性，单架无人机已经无法满足对地攻击与救援的需要，针对单架无人机的上述缺点，近些年国外提出了多无人机共同遂行任务的概念并取得了一定的研究成果，多无人机共同遂行任务的方式可以显著提高无人机整体的作战和救援效能，可以增加执行任务的成功率和抗突发事件的能力，基于上述优势，多无人机共同遂行飞行任务将成为今后无人机发展的一个重要方向。其中多无人机协同动态任务分配问题是多无人机共同遂行任务中的关键问题，本质上这是一个多约束、强耦合的复杂多目标优化与决策问题，具体涉及到无人机编队通信协议、协同搜索策略、动态任务分配方法和无人机运动学环节导引律设计等研究领域，这些设计的优劣直接影响多无人机协同动态任务分配的效果。

由于无人机群的特殊性，无人机的通信一般会遇到一些问题，例如无人机节点高速移动可达620km/h，造成网络拓扑的高动态变化，从而影响网络的连通性及协议性能。此外，无人机通信链路的不稳定性，通信失效也会造成链路中断和网络拓扑的更新；一定空域内，无人机节点的散布密度较低，飞行存在不确定性，因而网络有较强的临时性。针对不同任务，无人机群中还可能存在各种类型的无人机节点，节点间存在差异性；有时节点采用分层的分布结构，无人机网络还需与地面、卫星等通信平台进行通信连接，网络结构也存在很大差异。

在现有技术中，多无人机协同工作时，在小编队的无人机群中，传统的集中式自组织机制，即一架或多架无人机作为指挥机，承担领航机角色，其他无人机承担僚机角色，执行领航机发布的命令完成相应的任务。显然，这样的模式对领航机有较高要求，若领航机发生问题，将影响整个无人机群。分布式自组织机制则是每台无人机都独自承担任务，对相同无人机构成的集群较为适用，但同样有较大的局限性。随着网络技术的发展以及无人机智能化的提升，多无人机间的协同愈发呈现出智能化、综合化的趋势，但要实现协同工作，需要解决一些关键技术问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明公开了一种无人机群飞行控制的方法，所述无人机群包括:多架无人机以执行任务、无人机地面指挥控制系统，其中所述无人机地面指挥控制系统包括队形控制平台、航迹规划平台、数据通信平台、辅助系统控制平台、控制转换平台，所述无人机群在执行任务时，对所有的信息进行协调配合，共同运转完成各项任务；其中，对无人机群构建不同频率的通信信号网络，相同频率的无人机构成一个无人机小组，基于mas的无人机群编队控制算法对多个所述无人机小组实施分布式控制以弱化领航机的作用，所述无人机地面指挥控制系统时刻监控无人机群的所有通信信号网络，每架无人机在有需要时可以动态随机地指定为新的领航机，获取无人机群中所有所述小组的实时状态信息，对不同小组根据其通信网络的频率分配不同的初始化自主级别，再根据不同小组的所述实时状态信息对不同无人机小组的自主级别进行调整；所述无人机地面指挥控制系统获取所述无人机小组的实时环境信息，根据所述实时环境信息与地面控制的最终指令计算出无人机小组执行任务过程中复杂度信息，其中所述复杂度信息包括任务路线复杂度和环境复杂度与无人机的状态信息；若复杂度信息的复杂度值大于或者等于预设阈值，无人机群自动选择自主级别执行任务。

更进一步地，所述的航迹规划的方式包括:通过地面站设置编队航迹；或者通过编队自身对环境要素的观测，保持动态平衡；或者通过空中指挥平台及地面指挥中心的指令和空中实际态势规划编队航迹。

更进一步地，在同一频率的通信网络中，若某一无人机无法工作时，通过自组网广播该无人机的状况信息，系统重新分配任务以实现任务完成；若某一无人机资源耗尽不能飞行时，该无人机作为通信网络中的分析节点共享目标信息，自身雷达数据协助其他附近的无人机完成任务。

更进一步地，编队内部各无人机之间的信息传递方式为集中式信息传递；其中，所述的集中式信息传递为编队中每架无人机将自身的位置、高度、速度等信息和编队中其他无人机进行数据传输，使其他无人机可以在自身飞行参数不明确的情况下，根据其他无人机的飞行参数推算自己的速度、位置、高度等信息。

更进一步地，编队内部各无人机之间的信息传递方式为分布式信息传递；其中，所述分布式信息传递为无人机编队按照预设的方式进行编组，相邻的无人机组成一个小组，在进行飞行实时数据传输时，只需将自身飞行参数传递给所述小组中相邻无人机。

本发明还公开了一种用于协同工作的无人机，所述无人机为协同体系结构，所述无人机具有3层结构，为物理底层、功能层及管理层；其中所述物理底层具有多个子系统，所述子系统为控制系统、通信单元、传感器系统和飞行控制系统；所述功能层包括导航模块、航道路线规划模块、碰撞规避模块，所述功能层用于为无人机添加附加功能；所述的管理层用于调度无人机的信息并记录信息日志；若无人机作为无人机群的领航者时，所述功能层通过物理底层采集的信息获得目标位置，其根据目标位置，采用比例导引法追踪目标并控制跟踪距离；其中，对于无人机群中的每一个领航者，实时测得目标位置及自身位置，从而测得自身到目标的视线角速度，通过比例导引律控制领航者的制导与飞行来追踪定位目标。

本发明进一步公开了一种电子系统，包括：处理器；以及，存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述的无人机群飞行控制的方法。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的无人机群飞行控制的方法。

与现有技术相比，本发明为了克服传统无人机群编队中交互信息量大，算法复杂的问题，提出了一种基于智能突现下的分布式无人机群编队控制策略。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明的无人机群飞行控制的方法的流程图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示的一种无人机群飞行控制的方法，所述无人机群包括:多架无人机以执行任务、无人机地面指挥控制系统，其中所述无人机地面指挥控制系统包括队形控制平台、航迹规划平台、数据通信平台、辅助系统控制平台、控制转换平台，所述无人机群在执行任务时，对所有的信息进行协调配合，共同运转完成各项任务；其中，对无人机群构建不同频率的通信信号网络，相同频率的无人机构成一个无人机小组，基于mas的无人机群编队控制算法对多个所述无人机小组实施分布式控制以弱化领航机的作用，所述无人机地面指挥控制系统时刻监控无人机群的所有通信信号网络，每架无人机在有需要时可以动态随机地指定为新的领航机，获取无人机群中所有所述小组的实时状态信息，对不同小组根据其通信网络的频率分配不同的初始化自主级别，再根据不同小组的所述实时状态信息对不同无人机小组的自主级别进行调整；所述无人机地面指挥控制系统获取所述无人机小组的实时环境信息，根据所述实时环境信息与地面控制的最终指令计算出无人机小组执行任务过程中复杂度信息，其中所述复杂度信息包括任务路线复杂度和环境复杂度与无人机的状态信息；若复杂度信息的复杂度值大于或者等于预设阈值，无人机群自动选择自主级别执行任务。

更进一步地，所述的航迹规划的方式包括:通过地面站设置编队航迹；或者通过编队自身对环境要素的观测，保持动态平衡；或者通过空中指挥平台及地面指挥中心的指令和空中实际态势规划编队航迹。

更进一步地，在同一频率的通信网络中，若某一无人机无法工作时，通过自组网广播该无人机的状况信息，系统重新分配任务以实现任务完成；若某一无人机资源耗尽不能飞行时，该无人机作为通信网络中的分析节点共享目标信息，自身雷达数据协助其他附近的无人机完成任务。

更进一步地，编队内部各无人机之间的信息传递方式为集中式信息传递；其中，所述的集中式信息传递为编队中每架无人机将自身的位置、高度、速度等信息和编队中其他无人机进行数据传输，使其他无人机可以在自身飞行参数不明确的情况下，根据其他无人机的飞行参数推算自己的速度、位置、高度等信息。

更进一步地，编队内部各无人机之间的信息传递方式为分布式信息传递；其中，所述分布式信息传递为无人机编队按照预设的方式进行编组，相邻的无人机组成一个小组，在进行飞行实时数据传输时，只需将自身飞行参数传递给所述小组中相邻无人机。

本发明进一步公开了一种电子系统，包括：处理器；以及，存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述的无人机群飞行控制的方法。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的无人机群飞行控制的方法。

实施例二

本实施例主要对选择的无人机进行描述，本实施例提供了一种用于协同工作的无人机，所述无人机为协同体系结构，所述无人机具有3层结构，为物理底层、功能层及管理层；其中所述物理底层具有多个子系统，所述子系统为控制系统、通信单元、传感器系统和飞行控制系统；所述功能层包括导航模块、航道路线规划模块、碰撞规避模块，所述功能层用于为无人机添加附加功能；所述的管理层用于调度无人机的信息并记录信息日志；若无人机作为无人机群的领航者时，所述功能层通过物理底层采集的信息获得目标位置，其根据目标位置，采用比例导引法追踪目标并控制跟踪距离；其中，对于无人机群中的每一个领航者，实时测得目标位置及自身位置，从而测得自身到目标的视线角速度，通过比例导引律控制领航者的制导与飞行来追踪定位目标。

其中，无人机为协同体系结构，所述无人机具有3层结构，为物理底层、功能层及管理层；其中所述物理底层具有多个子系统，所述子系统为控制系统、通信单元、传感器系统和飞行控制系统，实现对周围环境的感知和自身的控制与相互通信功能。而功能层主要由安全导航、碰撞规避和航迹规划等功能子块构成，实现对目标的搜索、跟踪等功能，是无人机技术的核心。管理层主要实现对功能层各子模块的信息调度，实现系统的综合管理功能，是无人机系统的顶层应用。

对于无人机群而言，编队初期，由于跟随者和领航者之间的位置都是随机，并且跟随者之间的速度也不尽相同，无人机群整体呈现较混乱的态势，如两架跟随无人机由于初始位置距离整体中心太远，速度方向向外，因此，有远离整体中心移动的趋势。其他跟随无人机迅速通过数据链获取通信范围内其他无人机的速度和位置信息，由于初始投放距离短，使得无人机之间的距离都过于靠近，为了避免发生碰撞，无人机在受到排斥作用下开始有序散开，并开始逐渐编队。一些在初始状态下远离整体的跟随无人机，随着距离的逐渐增大，吸引作用逐渐增强，排斥作用逐渐减弱，均有飞回无人机群整体的趋势。在无人机群中，随着各个领航者飞向各自的目标，跟随者中突现出分群的现象，无人机群已经开始逐渐形成leader—follower的初期态势，由领航无人机带领若干跟随无人机飞向各自目标。不过仍然存在无人机飞出通信范围而飞离无人机群的控制范围。无人机群的自主编队控制问题进行了研究，为了克服传统无人机群编队中交互信息量大，算法复杂的问题，提出了一种基于智能突现下的分布式无人机群编队控制策。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。