一种无人机群夜间协同定位方法

1.本发明属于飞行器导航定位技术领域，涉及一种无人机群夜间协同定位方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，无人机集群在军事领域和民用领域都具有广阔的应用前景，特别是面向未来临地安防体系下的低空安防，无人机集群因具有作战能力强、体系生存率高以及攻击成本低等诸多优势，对我国工业生产、社会经济、科研教育等方面的防护、生产、安全、救援，以及对国防安全、社会稳定、经济发展均具有重要意义。而如何获取集群内各无人机之间高精度、高可靠的相对时空关系对于无人机集群飞行安全和任务的执行至关重要。因此，快速、经济和高质量的无人集群协同定位技术的需求和必要程度日益剧增。
3.目前，国内外学者在无人机集群自主相对定位领域已取得了丰富成果，并提出了一系列方法，如激光脉冲测距定位、uwb测距定位、视觉测距定位、超声波测距定位以及无线电测距定位等，被广泛应用到各个领域。激光脉冲测距定位成本极为高昂；uwb测距定位稳定性差，还可能干扰其他无线通讯；超声波测距定位采集速度慢，适用范围较小；无线电测距定位易被干扰，可靠性差。其中，视觉定位相比于其他几类方法，具有低成本、无源被动感知、低可探测性等的优点，是未来的重要研究方向之一，而现有的视觉测距定位主要是采用双目相机，计算任务繁重，且无法满足夜间使用需求的。
4.与此同时，无人机集群应用的终极目标是适应全天候全场景需求，为此主要面对的是来自复杂环境的挑战。目前在复杂地理和气象环境已经有了许多相关研究成果，而对于夜间条件下依靠无人机自身进行协同定位感知的研究较少，而夜间是无人机集群重要应用场景之一，特别是在军事领域。因此就需要一种夜间无人机群内部视觉协同定位方法来保证无人机集群在夜间环境下的正常运作。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种无人机群夜间协同定位方法。
6.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一个无人机群包括5台无人机，每台无人机均包含一个二维转台相机和一个led灯，包括如下步骤：步骤1：无人集群编队起飞前布置将无人机群的无人机1、无人机2、无人机3和无人机4按照矩形编队顺次布置于起飞场地，无人机0置于矩形中心也即矩形对角线的交叉点，并确保相邻无人机之间的初始实际距离大于相互之间的安全半径之和，且保证在无人机0航向前方的无人机1和无人机2的led灯不会出现在无人机0的相机视线范围内；步骤2：无人集群编队上电；步骤3：设置各无人机的led灯光颜色；
矩形对角的两台无人机的led灯设置为设置颜色ⅰ，矩形另一个对角的两台无人机的led灯设置为颜色ⅱ，无人机0的led灯设置为颜色ⅲ，其中颜色ⅰ、颜色ⅱ和颜色ⅲ为不同的颜色；步骤4：无人机起飞前自动基准构建，包括定位基准构建和时间基准构建；步骤5：通过外部系统的控制指令实现对无人机0的起飞控制；同时，当在飞行过程中，无人机1或无人机2的led灯光进入无人机0的相机视角范围内时，即无人机0相机成像平面中将会出现颜色ⅰ或颜色ⅱ的led灯光像素点时，无人机0将通过通讯拓扑发送给无人机1或人机2防碰撞告警指令；步骤6：随着无人机0起飞动作，使得无人机0颜色ⅲ的led灯在无人机1～无人机4的相机成像平面内的实时像素坐标值发生变化，从而通过无人机1～无人机4姿态控制器计算其与无人机1～无人机4地面记录存储的像素坐标值（x10，y10）～（x40，y40）之间的偏差，进而通过闭环控制，最终实现对无人机0的起飞等动作的跟随。
7.进一步地，所述定位基准构建具体过程包括：步骤4.1.1：设置无人机0的二维转台相机轴线与其航向的夹角α0为零；步骤4.1.2：无人机1～无人机4分别顺时针自动旋转其二维转台相机搜索无人机0颜色ⅲ的led灯光，并使得颜色ⅲ的led灯光位于其相机成像平面的水平中心处；步骤4.1.3：记录并存储此时无人机0～无人机4的二维转台相机轴线与其航向的α0～α4夹角值；步骤4.1.4：启动二维转台相机夹角闭环保持控制程序，使得在后续整个飞行过程中α0～α4夹角值与起飞前的记录存储值保持一致；步骤4.1.5：记录并存储此时无人机0的led的颜色ⅲ光点分别在无人机1～无人机4相机成像平面的像素坐标值（x10，y10）～（x40，y40）；同时，记录并存储此时无人机1与无人机2的led灯光分别在对方的相机成像平面内的像素坐标（x12，y12）和（x21，y21），无人机3与无人机4的led灯光分别在对方的相机成像平面内的像素坐标（x34，y34）和（x43，y43）；步骤4.1.6：依靠有向通讯拓扑实现无人机1获取其分别在无人机2和无人机4相机成像平面内的像素坐标（x21，y21）和（x41，y41），从而获得无人机1在集群中的协同定位基准信息记为{（x10，y10）,（x21，y21）,（x41，y41）}；同理，无人机2～4可分别获取其在集群中的协同定位基准信息{（x20，y20）,（x12，y12）,（x32，y32）}、{（x30，y30）,（x23，y23）,（x43，y43）}和{（x40，y40）,（x14，y14）,（x34，y34）}；并将此协同定位基准信息作为后续无人机1～无人机4的位置控制指令。
8.进一步地，所述时间基准构建包括：进行各无人机之间的通讯时钟同步。
9.进一步地，在飞行过程中，无人机1～无人机4中任意一台的位置变化都将导致实时监测的各无人机led灯光像素坐标值与其协同定位基准之间的偏差，进而通过其姿态闭环控制器实现无人机群编队保持。
10.进一步地，步骤4.1.6中的有向通讯拓扑具体为：无人机1同无人机2和无人机4之间均为双向通信关系；无人机3同无人机2和4之间均为双向通信关系；无人机1与无人机3之间无通讯关系，无人机2和4之间为无通讯关系；无人机0同无人机1和无人2之间均为单向通讯关系，其中无人机0为信息发送方。
11.优选地，所述相机为单目相机。
12.进一步地优选地，所述单目相机的视角为90
°
。
13.优选地，所述led灯能够通过驱动软件进行灯光颜色的设置。
14.本技术所述的安全半径为无人机机体最大轮廓外接圆半径的2倍。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过无人机led灯和二维转台相机实现了夜间无人机群协同视觉定位，无需增加额外设备，无需依赖gps、激光雷达和超声波雷达等，无需依赖外部信号源，避免了受到外界干扰，相较于传统方式当中的定位方法，本发明有效简化了系统，能够较为简单地、低成本地实现对无人集群内部之间的协同定位、实现无人机群编队的保持。
附图说明
16.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明实施例技术方案图。
17.图2为本发明实施例通讯拓扑有向图。
18.图3为本发明实施例的工作流程图。
实施方式
19.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
20.下面通过具体实施方式进一步详细说明：本施例提出了一种无人机群夜间协同定位方法，如附图1所示，主要包括5台无人机，每台无人机均包含一个二维转台单目相机和一个led灯，其中单目相机的视角为90
°
，led灯可通过驱动软件进行灯光颜色的设置，作为夜间视觉定位的标记。
21.具体实施流程图如附图3所示，步骤如下所示：步骤1：无人集群编队起飞前布置：将各无人机群按照附图1所示矩形几何编队布置于起飞场地，应确保无人机之间的初始实际距离于γ10、γ20、γ30、γ40、γ12、γ13、γ24、γ34、应大于相互之安全半径之和，从而避免碰撞风险；与此同时，应保证无人机1和无人机2的led灯不会出现在无人机0的相机视线范围内；其中γ10是指无人机1和无人机0之间的初始实际距离，以此类推。
22.步骤2：无人集群编队上电。
23.步骤3：按照附图1所示要求设置相应的无人机灯光颜色。
24.矩形对角的两台无人机设置颜色ⅰ的led灯，矩形另一个对角的无人机设置颜色ⅱ的led灯，无人机0设置颜色ⅲ的led灯，其中颜色ⅰ、颜色ⅱ和颜色ⅲ为不同的颜色；本实施例中，位于矩形对角的无人机1和无人机4设置黄色led灯，位于矩形另一个对角的无人机2和无人机3设置绿色led灯，无人机0设置红色led灯。
25.说明：本实施例中各无人机的颜色设置，不仅限于附图1中所述颜色，所有符合附图1所述颜色分布规律的其他颜色设置同样是可行的。
26.步骤4：无人机起飞前自动基准构建。
27.步骤4.1：定位基准构建：步骤4.1.1：设置无人机0的二维转台相机轴线与其航向的夹角α0为零；步骤4.1.2：无人机1～无人机4分别顺时针自动旋转其二维转台相机搜索无人机0的红色led灯光，并使得红色led灯光位于其相机成平面的水平中心处；步骤4.1.3：记录并存储此时无人机0～无人机4的二维转台相机轴线与其航向的α0～α4夹角值，α0为无人机0的二维转台相机轴线与无人机0航向的夹角，α1为无人机1的二维转台相机轴线与无人机1航向的夹角，以此类推，α2为无人机2的二维转台相机轴线与无人机2航向的夹角，α3为无人机3的二维转台相机轴线与无人机3航向的夹角，α4为无人机4的二维转台相机轴线与无人机4航向的夹角；步骤4.1.4：启动二维转台相机夹角闭环保持控制程序，使得在后续整个飞行过程中α0～α4夹角值与起飞前的记录存储值保持一致；步骤4.1.5：记录并存储此时无人机0的led红色光点分别在无人机1～无人机4相机成像平面的像素坐标值（x10，y10）～（x40，y40），无人机0的led红色光点在无人机1相机成像平面的像素坐标值为（x10，y10），以此类推，无人机0的led红色光点在无人机2相机成像平面的像素坐标值为（x20，y20），无人机0的led红色光点在无人机3相机成像平面的像素坐标值为（x30，y30），无人机0的led红色光点在无人机4相机成像平面的像素坐标值为（x40，y40）；同时，记录并存储此时无人机1与无人机2的led灯光分别在对方的相机成像平面内的像素坐标（x21，y21）和（x12，y12），无人机3与无人机4的led灯光分别在对方的相机成像平面内的像素坐标（x34，y34）和（x43，y43）；需指出由于光线遮挡，此时无人机1与无人机4的led灯光分别在对方的相机成像平面内的像素坐标（x14，y14）和（x41，y41）分别与（x10，y10）和（x40，y40）重合，无人机2与无人机3的led灯光分别在对方的相机成像平面内的像素坐标（x23，y23）和（x32，y32）分别与（x20，y20）和（x30，y30）重合。
28.步骤4.1.6：依靠附图2所示有向通讯拓扑实现无人机1获取其分别在无人机2和无人机4相机成像平面内的像素坐标（x21，y21）和（x41，y41），从而获得无人机1在集群中的协同定位基准信息记为{（x10，y10）,（x21，y21）,（x41，y41）}；同理，无人机2～4可分别获取其在集群中的协同定位基准信息{（x20，y20）,（x12，y12）,（x32，y32）}、{（x30，y30）,（x23，y23）,（x43，y43）}和{（x40，y40）,（x14，y14）,（x34，y34）}；并将此协同定位基准信息作为后续无人机1～无人机4的位置控制指令。有向通讯拓扑描述了各无人机与编队中其他无人机之间的通讯关系，其有向性表现为无人机之间通信信息的接受与发送关系。附图2中箭头指向信息的接收者，即无人机1与无人机2和4之间均为双向通信关系；无人机3与无人机2和4之间均为双向通信关系；无人机1与无人机3之间，无人机2和4之间均为无通讯关系；无人机0与无人机1和2之间均为发送与接受的单向通讯关系。
29.步骤4.2：时间基准构建：进行各无人机之间的通讯时钟同步，从而保证集群内无人机协同定位的一致性。
30.步骤5：通过外部系统的控制指令实现对无人机0垂直起飞等控制；同时，当在飞行过程中，无人机1或无人机2的led灯光进入无人机0的相机视角范围内时，即无人机0相机成像平面中将会出现黄色或绿色led灯光像素点，以此无人机0将通过通讯拓扑发送给无人机1或2防碰撞告警指令，从而避免无人机之间的碰撞风险。
31.步骤6：随着无人机0垂直起飞等动作，使得无人机0的红色led灯在无人机1～无人机4的相机成像平面内的实时像素坐标值发生变化，从而通过无人机1～无人机4姿态控制器计算其与无人机1～无人机4地面记录存储的像素坐标值（x10，y10）～（x40，y40）之间的偏差，进而通过闭环控制，最终实现对无人机0的起飞等动作的跟随。
32.补充说明：在飞行过程中，无人机1～无人机4中任意一台的位置变化都将导致实时监测的各无人机led灯光像素坐标值与其协同定位基准之间的偏差，进而通过其姿态闭环控制器实现该偏差为零或一定精度范围内的控制，从而实现无人机群编队保持。
33.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。