无人机群控制方法以及装置与流程
本申请涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机群控制方法以及装置。
背景技术：
多无人机协同编队飞行(coordinatedformationflight，cff)是指将具有自主控制能力的多架无人机按照指定的三维队形和结构进行排列，使得所有的无人机在飞行过程中不仅能够保持队形的稳定，协同完成各项任务，而且可以进行队形的实时调整。无人机编队具有广泛应用价值，也是一项非常复杂的技术方案，涉及定位技术、通信、控制、决策算法等。
然而，传统的无人机群控制方法，通过在编队中选出一架无人机作为长机，其他单机通过保持与长机的相对位置和速度来达到保持队形的目的。但是，当长机出现故障时，会导致整个编队失去控制，使得控制误差逐级放大，从而影响无人机的整体控制。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种无人机群控制方法以及装置。
本申请提供一种无人机群控制方法，所述无人机群控制方法包括：
无人机群中多个无人机自身激发为长机；
多个所述长机分别向所述无人机群中多个僚机发送第一长机定位信号；
每个所述僚机接收多个所述第一长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
在一个实施例中，无人机群中多个无人机自身激发为长机的步骤，包括：
每个所述无人机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型最优位置；
若所述无人机位于所述几何构型最优位置，则所述无人机激发为所述长机。
在一个实施例中，多个所述长机分别向所述无人机群中多个僚机发送第一长机定位信号的步骤，包括：
多个所述长机之间建立无线时频同步链路，并实时检测彼此之间的位置关系；
每个所述长机向多个所述僚机发送所述第一长机定位信号。
在一个实施例中，每个所述僚机接收多个所述第一长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态的步骤，包括：
每个所述僚机根据多个所述第一长机定位信号，采用基于载波相位的到达时间差法实时进行定位解算，获得每个所述僚机与每个所述长机的相对位置关系；
根据每个所述僚机与每个所述长机的相对位置关系，每个所述僚机调控自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
在一个实施例中，所述无人机群控制方法还包括：
多个所述长机或多个所述僚机监测每个所述长机的长机信号，并判断所述长机是否发生故障；
若所述长机发生故障，则所述僚机切换为新长机。
在一个实施例中，所述无人机群控制方法还包括：
当所述僚机切换为所述新长机后，所述新长机与多个所述长机之间建立所述无线时频同步链路，并实时检测彼此之间的位置关系；
所述新长机与多个所述长机分别向多个所述僚机发送第二长机定位信号；
每个所述僚机接收所述第二长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
在一个实施例中，若所述长机发生故障，所述僚机切换为新长机的步骤，包括：
每个所述僚机判断自身是否与故障长机距离最短；
若所述僚机与所述故障长机距离最短，则所述僚机激发为所述新长机。
在一个实施例中，若所述长机发生故障，所述僚机切换为新长机的步骤，包括：
每个所述僚机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型次优位置；
若所述僚机位于所述几何构型次优位置，则所述僚机激发为所述新长机。
在一个实施例中，在无人机群中多个无人机自身激发为长机的步骤之前，所述无人机群控制方法还包括：
所述无人机群处于地面停止状态或自由飞行状态；
所述无人机群接收所述编队指令。
在一个实施例中，本申请提供一种无人机群控制装置，所述无人机群控制装置包括身份激发模块、第一控制模块以及第二控制模块。所述身份激发模块，用于判断所属的无人机是否为长机。所述第一控制模块，用于在所属的无人机确认为所述长机后，分别向多个所述僚机发送第一长机定位信号。所述第二控制模块，用于在所属的无人机确认为僚机后，接收多个所述第一长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
在一个实施例中，所述身份激发模块包括判断模块。所述判断模块用于判断所属的无人机自身是否位于所述无人机群形成的几何构型最优位置。
在一个实施例中，所述第一控制模块包括时间频率同步模块。所述时间频率同步模块，用于在所属的无人机确认为所述长机后，与多个所述长机之间建立无线时频同步链路。
在一个实施例中，所述第一控制模块与所述第二控制模块分别包括测距模块、定位信号发送模块以及接收解算模块。所述测距模块，用于所属的无人机监测分别与其余无人机的相对位置关系。所述定位信号发送模块，用于所属的无人机发送定位信号至其余无人机。所述接收解算模块，用于所属的无人机接收所述定位信号，并进行定位解算。
上述无人机群控制方法以及装置，所述无人机群包括多个所述长机和多个所述僚机。其中，每个所述长机负责接收并处理所述编队指令，建立所述无人机群的编队整体的定位体系。每个所述长机发送所述第一长机定位信号至多个所述僚机。每个所述第一长机定位信号分别代表了每个所述长机的位置信息。当每个所述僚机接收多个所述长机发送的多个所述第一长机定位信号时，通过多个所述长机的位置对每个所述僚机的位置进行了限定。此时，每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号，可以实现自身的高精度定位。进而，每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号实时调控自身飞行姿态，以完成编队指令并保持编队形态。
每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号进行高精度定位。当其中一个所述长机发生故障时，每个所述僚机基于其他多个所述第一长机定位信号仍然可以继续进行自身的高精度定位，控制误差不会被逐级放大，避免了传统控制方法中长机出现故障导致的整个无人机群失控问题。从而，通过本申请所述无人机群控制方法，提高了无人机编队控制系统鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述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申请的一些实施例，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为一个实施例中无人机群控制方法的步骤流程示意图；
图2为一个实施例中无人机群控制方法的图形结构示意图；
图3为一个实施例中无线时频同步链路的系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，本申请提供一种无人机群控制方法，所述无人机群控制方法包括：
无人机群中多个无人机自身激发为长机；
多个所述长机分别向所述无人机群中多个僚机发送第一长机定位信号；
每个所述僚机接收多个所述第一长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
本实施例中，所述无人机群包括多个所述长机和多个所述僚机。其中，每个所述长机负责接收并处理所述编队指令，建立所述无人机群的编队整体的定位体系。多个所述长机与多个所述僚机之间通过通信以交换信息和协同。每个所述长机发送所述第一长机定位信号至多个所述僚机。每个所述第一长机定位信号分别代表了每个所述长机的位置信息。当每个所述僚机接收多个所述长机发送的多个所述第一长机定位信号时，通过多个所述长机的位置对每个所述僚机的位置进行了限定。此时，每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号，可以实现自身的高精度定位。进而，每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号实时调控自身飞行姿态，以完成编队指令并保持编队形态。
每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号进行高精度定位。当其中一个所述长机发生故障时，每个所述僚机基于其他多个所述第一长机定位信号仍然可以继续进行自身的高精度定位，控制误差不会被逐级放大，避免了传统控制方法中长机出现故障导致的整个无人机群失控问题。从而，通过本申请所述无人机群控制方法，提高了无人机编队控制系统鲁棒性。
在一个实施例中，无人机群中多个无人机自身激发为长机的步骤，包括：
选择最优长机：每个所述无人机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型最优的多个位置之一；
若所述无人机位于所述几何构型最优位置，则所述无人机激发为所述长机。
本实施例中，无人机群中所有无人机整体会排列形成几何图形(请参阅图2)。每个所述无人机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型最优位置，以进行最终定位和完好性监测。当所述无人机位于所述几何构型最优位置，则自身激发为所述长机。此时，通过从所述无人机群中选取多个无人机作为多个所述长机，接收并处理所述编队指令，以建立编队整体的定位体系。进而，通过激发几何构型最优的位置处的多个无人机，实现了从所述无人机群的整体结构进行考虑选取最优位置，考虑到了所述无人机群的整体性，有利于进行高精度定位。
在一个实施例中，每个所述无人机通过决策算法，选择覆盖最优，判断自身所处位置是否位于几何构型最优的至少四台无人机的位置。此时，若所述无人机处于几何构型最优的至少四台无人机之一的位置，则自身激发为所述长机。其中，每个所述无人机通过几何精度因子(geometricdilutionprecision，gdop)为依据，判断自身是否位于几何构型最优位置。gdop为衡量定位精度的重要参数，gdop的数值越小，定位精度越高。
在一个实施例中，多个所述长机分别向所述无人机群中多个僚机发送第一长机定位信号的步骤，包括：
建立定位框架：多个所述长机之间建立无线时频同步链路，并实时检测彼此之间的位置关系；
每个所述长机向多个所述僚机发送所述第一长机定位信号。
本实施例中，多个所述长机之间建立无线时频同步链路，实时精确测距，测量相互位置关系，并开始向多个所述僚机播发所述第一长机定位信号。
请参阅图3，无线时频同步链路中采用频分复用器作为双工器。发射端与接收端双工器的两个通道共享收发天线。频率综合器内含4个锁相介质振荡器(pdro)，均相位锁定于参考频率信号。在发射端和接收端有4个伺服频率综合器a、b、c和d。每个频率综合器由一个恒温晶振(ocxo)和两个相位锁定于ocxo的pdro构成。为了实时补偿传输路径中的相位噪声，各pdro的频率须满足特定比例关系。每条链路中4个pdro频率比为k:l:m:n，其中m＝(l+n)/2，k不等于m。
在发射端的频率综合器a中，介质振荡器a1产生上行频率信号，经过功率放大器进行放大。进而，经过功率放大器放大后的信号通过频分复用器之后从发射端天线发送出去，通过大气由接收端天线接收。信号到达接收端多工器。此时信号被低相位噪声放大器(lna)放大到混频器的工作功率范围之内。
在接收端，将接收到的频率信号与伺服频率综合器c中一介质振荡器c1发出的频率信号混频并低通滤波产生误差信号，将误差信号输入到伺服电路，控制压控晶振频率的相位形成锁相环，使伺服频率综合器c中压控晶振c0锁定于频率信号。另伺服频率综合器c中一介质振荡器c2则发出下行频率信号回传给发射端。在发射端，通过两级混频获得误差信号，将误差信号输入伺服频率综合器a中伺服电路控制恒温晶振a0的相位形成锁相环。此时，在系统锁定带宽范围内大气湍流等引起的低频相位噪声得到补偿，伺服频率综合器c中压控晶振c0相位锁定于参考频率源。
此时，多个所述长机之间建立无线时频同步链路时，可以理解为多个所述长机中一个所述长机为发送端，另一个所述长机为接收端。从而，通过无线时频同步链路建立多个所述长机之间的联系，实时检测彼此之间的位置关系。同时，每个所述长机向多个所述僚机发送所述第一长机定位信号，每个所述僚机接收到多个所述第一长机定位信号后进行解算当前位置。
在一个实施例中，每个所述僚机接收多个所述第一长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态的步骤，包括：
定位及控制飞行：每个所述僚机根据多个所述第一长机定位信号，采用基于载波相位的到达时间差法实时进行定位解算，获得每个所述僚机与每个所述长机的相对位置关系；
实现指令编队：根据每个所述僚机与每个所述长机的相对位置关系，每个所述僚机调控自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
本实施例中，基于载波相位的到达时间差法测量的是信标所发射的信号到达各基站时，基站间接收到的载波相位的差值。其中，差值是由于到达时间差决定的，可由电磁波的相位与时间关系
每个所述僚机接收到多个所述第一长机定位信号以后，通过基于载波相位的到达时间差法进行定位解算，获得当前位置。此时，每个所述僚机根据当前位置与接收到的所述编队指令进行对比，实时调控自身飞行状态，以完成所述编队指令。
在一个实施例中，所述无人机群控制方法还包括：
长机缺失监测：多个所述长机或多个所述僚机监测每个所述长机的长机信号，并判断所述长机是否发生故障；
选择替补长机：若所述长机发生故障，则所述僚机切换为新长机。
本实施例中，由于多个所述长机之间建立有无线时频同步链路，并实时检测彼此之间的位置关系。当其中一个所述长机发生故障时，另外剩余的多个所述长机可以及时发现故障长机，并及时对故障长机进行切换。
同时，每个所述僚机基于多个所述第一长机定位信号进行调控。当其中一个所述长机发生故障时，多个所述僚机也可以及时发现故障长机，并对故障长机进行切换。
因此，通过多个所述长机或多个所述僚机对每个所述长机的长机信号的完好性进行监测，可以避免所述长机故障导致的整个编队故障的问题。
在一个实施例中，所述无人机群控制方法还包括：
当所述僚机切换为所述新长机后，所述新长机与多个所述长机之间建立所述无线时频同步链路，并实时检测彼此之间的位置关系；
所述新长机与多个所述长机分别向多个所述僚机发送第二长机定位信号；
每个所述僚机接收所述第二长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
本实施例中，当所述长机发生故障时，所述新长机加入长机团队，重新在所述新长机与多个所述长机之间建立无线时频同步链路，并实时测距，重新发送新的定位信息。所述第二长机定位信号即为新的定位信息。每个所述僚机接收所述第二长机定位信号，采用基于载波相位的到达时间差法实时进行定位解算，以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
在一个实施例中，若所述长机发生故障，所述僚机切换为新长机的步骤，包括：
每个所述僚机判断自身是否与故障长机距离最短；
若所述僚机与所述故障长机距离最短，则所述僚机激发为所述新长机。
本实施例中，当所述长机发生故障时，需要快速运行备份长机替代故障长机。每个所述僚机此时基于所述第一长机定位信号判断与所述故障长机之间的距离。如果所述僚机与所述故障长机距离最短，此时自身激发为所述新长机。
在一个实施例中，若所述长机发生故障，所述僚机切换为新长机的步骤，包括：
每个所述僚机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型次优位置；
若所述僚机位于所述几何构型次优位置，则所述僚机激发为所述新长机。
本实施例中，每个所述僚机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型次优位置时，通过几何精度因子(gdop)为依据进行排序，选取几何构型次优位置。当所述僚机处于几何构型次优位置时，则自身激发为所述新长机。
在一个实施例中，在无人机群中多个无人机自身激发为长机的步骤之前，所述无人机群控制方法还包括：
起飞初始状态：所述无人机群处于地面停止状态或自由飞行状态；
接收编队指令：所述无人机群接收所述编队指令。
本实施例中，所述无人机群处于地面停止状态或自由飞行状态，为起飞初始状态，随时等待接收所述编队指令。其中，通过控制台给所述无人机群发送所述编队指令。所述编队指令可以根据实际情况进行预设。
在一个实施例中，本申请提供一种无人机群控制装置，所述无人机群控制装置包括身份激发模块、第一控制模块以及第二控制模块。所述身份激发模块，用于判断所属的无人机是否为长机。所述第一控制模块，用于在所属的无人机确认为所述长机后，分别向多个所述僚机发送第一长机定位信号。所述第二控制模块，用于在所属的无人机确认为僚机后，接收多个所述第一长机定位信号，并实时定位解算以控制自身飞行状态，完成编队指令并保持编队形态。
本实施例中，所述身份激发模块、所述第一控制模块以及所述第二控制模块分别与所述无人机群控制方法相对应。所述身份激发模块、所述第一控制模块以及所述第二控制模块包括但不限于现场可编程门阵列(fpga)、arm处理器、微控制单元(mcu，单片机)等。
在一个实施例中，所述身份激发模块包括判断模块。所述判断模块用于判断所属的无人机自身是否位于所述无人机群形成的几何构型最优位置。
本实施例中，所述判断模块与所述无人机群控制方法中每个所述无人机判断自身是否位于所述无人机群形成的几何构型最优的多个位置之一的步骤相对应。所述判断模块包括但不限于现场可编程门阵列(fpga)、arm处理器、微控制单元(mcu，单片机)等。
在一个实施例中，所述第一控制模块包括时间频率同步模块。所述时间频率同步模块，用于在所属的无人机确认为所述长机后，与多个所述长机之间建立无线时频同步链路。
本实施例中，所述时间频率同步模块用于实现多个所述长机之间的无线时频同步链路。
在一个实施例中，所述第一控制模块与所述第二控制模块分别包括测距模块、定位信号发送模块以及接收解算模块。所述测距模块，用于所属的无人机监测分别与其余无人机的相对位置关系。所述定位信号发送模块，用于所属的无人机发送定位信号至其余无人机。所述接收解算模块，用于所属的无人机接收所述定位信号，并进行定位解算。
本实施例中，定位系统通过所述时间频率同步模块、所述测距模块、所述定位信号发送模块以及所述接收解算模块组成。其中，当所属的无人机为长机模式时，首先激活所述时间频率同步模块、所述测距模块以及所述定位信号发送模块，完成多个所述长机之间的时频同步和相互定位，确定区域参考系，并向编队范围内播发高精度定位信号。然后，多个所述僚机激活所述接收解算模块，接收多个所述长机发送的所述第一长机定位信号或所述第二长机定位信号。从而，多个所述僚机根据所述接收解算模块计算自身精确位置信息，及时调整飞行姿态，完成编队任务。
因此，通过所述无人机群控制方法和所述无人机群控制装置，所述无人机群可通过决策算法选择几何构型最优的至少四台无人机作为所述长机。多个所述长机之间建立高精度无线时频同步链路，实时精确测距，测量相互位置关系，确定区域参考系，并向多个所述僚机播发定位信号。同时，每个所述僚机基于调制相位实现粗粒度定位，结合载波相位实现高精度定位，定位精度可达到亚毫米，采样率可达100hz。并且，在实时定位过程中，多个所述僚机和多个所述长机可监测每个所述长机的信号完好性。当其中一个所述长机发生故障时，可以快速运行备份长机替代，进而提高无人机编队控制系统的鲁棒性。
在一个实施例中，本申请提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中任一项所述的方法的步骤。
在一个实施例中，本申请提供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实施例中任一项所述的方法的步骤。
本实施例中，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read-onlymemory，rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(staticrandomaccessmemory，sram)或动态随机存取存储器(dynamicrandomaccessmemory，dram)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！