基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统及采用该系统实现的仿真方法
【专利摘要】基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统及采用该系统实现的仿真方法，涉及卫星智能集群控制技术领域。本发明是为了解决现有的多星智能集群控制技术依靠单纯的数字进行仿真，导致可信度低的问题。本发明每个四旋翼无人机上设置有多个双目视觉图像定位设备，双目视觉图像定位设备用于测量可视范围内四旋翼无人机的相对位置，每个四旋翼无人机的上方设置有一个球体，每个球体由两种相间的灰度值组成，且每个球体作为每个四旋翼无人机唯一的识别标志，每个四旋翼无人机上和地面控制计算机上均设置有组网通信设备。它用于多星智能集群控制。
【专利说明】
基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统及采用该系统实现的仿真方法
技术领域
[0001]本发明涉及基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统。属于卫星智能集群控制技术领域。
【背景技术】
[0002]近几年，具备低成本、短开发周期等优势的微小卫星产业飞速发展，国内外很多企业、高校、研究所等机构加入到该领域的研发与应用工作中，已提出各种基于微小卫星技术的空间探索、全球互联网等项目。复杂多变的各类空间任务对微小卫星提出了新的发展方向，即多星智能集群控制，利用多颗微小卫星的协同工作完成各类空间探索任务。另外，一般用于验证卫星编队控制算法的仿真平台成本高昂，可扩展性差，如基于气浮平台的三自由度仿真系统，难以满足多星智能集群控制技术的验证要求。
[0003]四旋翼无人机是一种通过调整四个电机转速实现位置和姿态改变的四轴飞行器，是一种飞行控制技术成熟的具备6个活动自由度的欠驱动系统，且结构简单，机械稳定性好，可扩展性强。通过严格控制四个电机的转速，四旋翼无人机可实现水平、垂直、俯仰、滚转、偏航等6个自由度的运动。多四旋翼无人机组网协同运行时，尽管对于单个无人机的控制模型不同于卫星，但是从网络集群控制的角度，每个无人机和卫星均被看作一个节点，那么，无人机集群和卫星集群的网络模型是一致的。并且，当卫星集群在轨运行时，其相对速度一般在几米每秒，而四旋翼无人机的性能也能满足该要求。
[0004]目前，多星智能集群控制技术在理论研究上发展迅速，但单纯的数学仿真可信度较低，难以推动该技术的长足发展。因此，一种合适的多星智能集群控制技术的仿真系统与方法的提供符合现阶段技术发展需要。
[0005]通过对现有专利数据库的检索，并未发现类似专利。特别是多星智能集群控制技术，尚未有一种有效的仿真平台。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决现有的多星智能集群控制技术依靠单纯的数字进行仿真，导致可信度低的问题。现提供基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统及采用该系统实现的仿真方法。
[0007]基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统，它包括多个四旋翼无人机、多个双目视觉图像定位设备、地面控制计算机、组网通信设备和多个球体，
[0008]每个四旋翼无人机上设置有多个双目视觉图像定位设备，双目视觉图像定位设备用于测量可视范围内四旋翼无人机的相对位置，
[0009]每个四旋翼无人机的上方设置有一个球体，每个球体由两种相间的灰度值组成，且每个球体的灰度值作为每个四旋翼无人机唯一的识别标志，
[0010]每个四旋翼无人机上和地面控制计算机上均设置有组网通信设备。
[0011]基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统实现的仿真方法，它包括以下内容:
[0012]步骤一、选择一个演示场地，将每个四旋翼无人机上和地面控制计算机上均装配一个组网通信设备，并为每个四旋翼无人机上的组网通信设备配置独立的ID识别号；
[0013]步骤二、在每个四旋翼无人机上安装不同灰度值的球体，并在四旋翼无人机上安装双目视觉图像定位设备，通过双目视觉图像定位设备对所有球体进行俩俩相互拍摄作为后续图像识别的灰度基准，并将灰度基准和对应的ID识别号录入到四旋翼无人机上的计算机；
[0014]步骤三、每个四旋翼无人机将保存的ID识别号和对应的灰度值，经由各自的组网通信设备全网广播，使得该网络内每个四旋翼无人机和地面控制计算机得到此数据；
[0015]步骤四、地面控制计算机将仿真参数由地面控制计算机上的组网通信设备发送给所有的四旋翼无人机;待数据发送完毕后，地面控制计算机发送仿真开始指令；
[0016]步骤五、所有四旋翼无人机通过各自的组网通信设备接收到仿真开始指令后，按照地面控制计算机发送的仿真参数进入仿真开始初始位置，并悬停在初始位置，等待所有四旋翼无人机就位后，
[0017]由仿真参数规定俩俩相互的四旋翼无人机作为彼此的参考四旋翼无人机，向全网广播多星轨道控制模拟指令，然后，所有双目视觉图像定位设备不断测量各四旋翼无人机的相对位置，构建以参考四旋翼无人机体坐标系为基准的全网无人机坐标系，并按照仿真参数给定的运行轨迹运动，直至仿真结束。
[0018]本发明的有益效果为:本发明为每个四旋翼无人机上的组网通信设备配置独立的ID识别号，双目视觉图像定位设备对所有球体进行俩俩相互拍摄作为后续图像识别的灰度基准，并将灰度基准和对应的ID识别号录入到四旋翼无人机上的计算机，每个四旋翼无人机将保存的ID识别号和对应的灰度值，经由各自的组网通信设备全网广播，使得该网络内每个四旋翼无人机和地面控制计算机得到此数据，地面控制计算机将仿真参数发送给所有的四旋翼无人机，由仿真参数规定俩俩相互的四旋翼无人机作为彼此的参考四旋翼无人机;所有四旋翼无人机接收到仿真开始指令后，按照地面控制计算机发送的仿真参数进入仿真开始初始位置，并悬停在初始位置，等待所有四旋翼无人机就位后，双目视觉图像定位设备不断测量各四旋翼无人机的相对位置，构建以参考四旋翼无人机体坐标系为基准的全网无人机坐标系，并按照仿真参数给定的运行轨迹运动，直至仿真结束。采用四旋翼无人机平台，模拟卫星多星集群智能控制的数据流，提高多星智能集群控制技术仿真场景的真实性，从而增强了该仿真系统与方法的可信度，同时，也降低了多星集群智能控制技术仿真系统搭建的难度与成本，也便于后续仿真平台的功能扩展。同时具有以下优点:
[0019]I应用技术成熟的四旋翼无人机平台，封装了无人机底层飞行控制接口，更好地模拟了卫星多星集群智能控制的数据流，提高了多星智能集群控制技术仿真场景的真实性，从而增强了该仿真系统与方法的可信度。
[0020]2基于分布式协同实时控制设计的多星无线通信模块，将仿真过程中的各类数据实时地发送到地面控制计算机，并以图形界面形式直观地显示关键控制参数及控制结果的变化，更好地反应了多星集群智能控制算法的性能优劣，方便研究人员的后续研发工作。
[0021]3在保证仿真精度的情况下，应用商用的开源的四旋翼无人机平台，降低了多星集群智能控制技术仿真系统搭建的难度与成本，也便于后续仿真平台的功能扩展，从而进一步推动多星集群智能控制技术的快速发展。
【附图说明】
[0022]图1是本发明所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统框图，图1中tcurrent为当前时间，tlast为上一次轨道参数修正时间，ΛΤ为轨道参数修正周期；
[0023]图2是【具体实施方式】一所述的基于四旋翼无人机的多星仿真节点的主视图；
[0024]图3是【具体实施方式】一所述的基于四旋翼无人机的多星仿真节点的俯视图；
[0025]图4是【具体实施方式】一所述的球体的主视图；
[0026]图5是【具体实施方式】一所述的球体的俯视图；
[0027]图6是本发明提供的基于四旋翼无人机的多星仿真节点的功能框图。
【具体实施方式】
[0028]【具体实施方式】一:参照图2至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统，它包括多个四旋翼无人机1、多个双目视觉图像定位设备2、地面控制计算机、组网通信设备和多个球体3，
[0029]每个四旋翼无人机I上设置有多个双目视觉图像定位设备2，双目视觉图像定位设备2用于测量可视范围内四旋翼无人机I的相对位置，
[0030]每个四旋翼无人机I的上方设置有一个球体3，每个球体3由两种相间的灰度值组成，且每个球体3作为每个四旋翼无人机唯一的识别标志，
[0031]每个四旋翼无人机I上和地面控制计算机上均设置有组网通信设备。
[0032]实施例:
[0033]如图1和图5所示，本实施例包括16个四旋翼无人机、80个方位的双目视觉图像定位设备、地面控制计算机、组网通信设备和球体，
[0034]每个四旋翼无人机上和地面控制计算机上均设置有组网通信设备，
[0035]所述16四旋翼无人机在本实施例中分为两个集群，Cl和C2，每个集群包括8个四旋翼无人机，其中每个无人机都配有唯一的识别号，如Cl中I号四旋翼无人机用识别号Cl-1表不O
[0036]所述地面控制计算机可通过所述智能组网通信设备同各个四旋翼无人机进行数据交互，实时监控并获取网络中的各类信息，如各无人机当前状态、网络平均传输延时、网络负载等，然后将这些信息一方面储存在地面数据库中，另一方面实时图形显示在数据分析软件中，供仿真测试人员分析。
[0037]所述双目视觉图像定位设备固定在每个所述四旋翼无人机的5个方位上:前、后、左、右、下，分别用符号A、B、C、D、E表不，如图3所不。
[0038]所述双目视觉图像定位设备基于其可视范围内的灰度图像，解算可视范围内每个无人机的相对位置以及识别号。
[0039]每个四旋翼无人机的控制板上方设置有一个球体，每个球体作为每个四旋翼无人机唯一的识别标志，基于所述识别标志，所述双目视觉图像定位装置可测量可视范围内所述四旋翼无人机的相对位置。
[0040]如图4和图5所示，球体由两种相间的灰度值组成，两种灰度值分别为浅色灰度值a和深色灰度值b，浅色灰度值a依据不同识别号，可选择的标准灰度值为0、30、60、90、120、150、180、210、240九种。深色灰度值13需满足标准灰度值比浅色灰度值&大或者相等。这样，灰度值组[a，b]的可选方案有45种，即最多支持识别45个节点。
[0041 ]所述双目视觉图像定位设备在系统初始化时，需要对某个特定所述识别标志进行识别，并给定相应的标志编号，从而以此灰度值信息作为后续视觉图像识别基准。在本实施例中，选择智能仿真节点Cl-1的灰度值[0，30]作为灰度值测量基准。在仿真过程中，所述双目视觉图像定位设备同灰度值测量基准进行对比，得到测量目标的灰度值，从而实现目标识别。然后，依据双目视觉所得到的不同角度的图像，解算得到目标的相对位置。
[0042]智能集群控制技术仿真系统中，每个集群中的智能节点围绕其中一节点做绕飞运动。在本实施例中，四旋翼无人机模拟星间相互运动，两个集群分别绕仿真节点Cl-1和C2-1绕飞。
[0043]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统作进一步说明，本实施方式中，每个四旋翼无人机I上设置有5个双目视觉图像定位设备2，且5个双目视觉图像定位设备2分别设置在每个四旋翼无人机I的前端、后端、左端、右端和底端。
[0044]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统作进一步说明，本实施方式中，多个四旋翼无人机I经由自组织网络构建多个分布式集群网络。
[0045]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统作进一步说明，本实施方式中，多个双目视觉图像定位设备2在系统初始化时，对某个球体3进行标识，并给定相应的标志编号，并以此球体3的灰度值作为其他球体3灰度值的识别基准。
[0046]【具体实施方式】五:参照图1和图6具体说明本实施方式，根据【具体实施方式】一或【具体实施方式】二所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统实现的仿真方法，本实施方式中，它包括以下内容:
[0047]步骤一、选择一个光线明亮的演示场地，在每个四旋翼无人机I上和地面控制计算机上均装配一个组网通信设备，并为每个四旋翼无人机I上的组网通信设备配置独立的ID识别号；
[0048]步骤二、在每个四旋翼无人机I上安装不同灰度值的球体3，并在四旋翼无人机I上安装双目视觉图像定位设备2，通过双目视觉图像定位设备2对所有球体3进行俩俩相互拍摄作为后续图像识别的灰度基准，并将灰度基准和对应的ID识别号录入到四旋翼无人机I上的计算机；
[0049]步骤三、每个四旋翼无人机I将保存的ID识别号和对应的灰度值，经由各自的组网通信设备全网广播，使得该网络内每个四旋翼无人机I和地面控制计算机得到此数据；
[0050]步骤四、地面控制计算机将仿真参数由地面控制计算机上的组网通信设备发送给所有的四旋翼无人机I;待数据发送完毕后，地面控制计算机发送仿真参数开始多星轨道控制模拟指令，其中仿真参数从多个四旋翼无人机中规定一个四旋翼无人机I作为参考四旋翼无人机；
[0051]步骤五、所有四旋翼无人机I通过各自的组网通信设备接收到仿真开始指令后，按照地面控制计算机发送的仿真参数进入仿真开始初始位置，并悬停在初始位置，等待所有四旋翼无人机就位后，
[0052]由仿真参数规定俩俩相互的四旋翼无人机I作为彼此的参考无人机，向全网广播多星轨道控制模拟指令，然后，所有双目视觉图像定位设备2不断测量各四旋翼无人机I的相对位置，构建以参考四旋翼无人机体坐标系为基准的全网无人机坐标系，并按照仿真参数给定的运行轨迹运动，直至仿真结束。
[0053]本实施方式中，地面控制计算机发送仿真参数控制双目图像定位系统不断测量各四旋翼无人机I的俩俩相对位置，构建以参考四旋翼无人机体坐标系为基准的全网无人机坐标系，并按照仿真参数给定的运行轨迹运动。
[0054]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统实现的仿真方法作进一步说明，本实施方式中，地面控制计算机能够通过组网通信设备实时监测各个四旋翼无人机I的位置速度姿态信息以及执行的相关控制指令。
【主权项】
1.基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统，其特征在于，它包括多个四旋翼无人机(I)、多个双目视觉图像定位设备(2)、地面控制计算机、组网通信设备和多个球体⑶， 每个四旋翼无人机(I)上设置有多个双目视觉图像定位设备(2)，双目视觉图像定位设备(2)用于测量可视范围内四旋翼无人机(I)的相对位置， 每个四旋翼无人机(I)的上方设置有一个球体(3)，每个球体(3)由两种相间的灰度值组成，且每个球体(3)的灰度值作为每个四旋翼无人机唯一的识别标志， 每个四旋翼无人机(I)上和地面控制计算机上均设置有组网通信设备。2.根据权利要求1所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统，其特征在于，每个四旋翼无人机(I)上设置有5个双目视觉图像定位设备(2)，且5个双目视觉图像定位设备(2)分别设置在每个四旋翼无人机(I)的前端、后端、左端、右端和底端。3.根据权利要求1所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统，其特征在于，多个四旋翼无人机(I)经由自组织网络构建多个分布式集群网络。4.根据权利要求1所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统，其特征在于，多个双目视觉图像定位设备(2)在系统初始化时，对某个球体(3)进行标识，并给定相应的标志编号，并以此球体(3)的灰度值作为其他球体(3)灰度值的识别基准。5.根据权利要求1或2所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统实现的仿真方法，其特征在于，它包括以下内容: 步骤一、选择一个演示场地，将每个四旋翼无人机(I)上和地面控制计算机上均装配一个组网通信设备，并为每个四旋翼无人机(I)上的组网通信设备配置独立的ID识别号； 步骤二、在每个四旋翼无人机(I)上安装不同灰度值的球体(3)，并在四旋翼无人机(I)上安装双目视觉图像定位设备(2)，通过双目视觉图像定位设备(2)对所有球体(3)进行俩俩相互拍摄作为后续图像识别的灰度基准，并将灰度基准和对应的ID识别号录入到四旋翼无人机(I)上的计算机； 步骤三、每个四旋翼无人机(I)将保存的ID识别号和对应的灰度值，经由各自的组网通信设备全网广播，使得该网络内每个四旋翼无人机(I)和地面控制计算机得到此数据； 步骤四、地面控制计算机将仿真参数由地面控制计算机上的组网通信设备发送给所有的四旋翼无人机(I);待数据发送完毕后，地面控制计算机发送仿真开始指令； 步骤五、所有四旋翼无人机(I)通过各自的组网通信设备接收到仿真开始指令后，按照地面控制计算机发送的仿真参数进入仿真开始初始位置，并悬停在初始位置，等待所有四旋翼无人机就位后， 由仿真参数规定俩俩相互的四旋翼无人机(I)作为彼此的参考四旋翼无人机，向全网广播多星轨道控制模拟指令，然后，所有双目视觉图像定位设备(2)不断测量各四旋翼无人机(I)的相对位置，构建以参考四旋翼无人机体坐标系为基准的全网无人机坐标系，并按照仿真参数给定的运行轨迹运动，直至仿真结束。6.根据权利要求5所述的基于四旋翼无人机的多星智能集群控制仿真系统实现的仿真方法，其特征在于，它还包括以下内容: 地面控制计算机能够通过组网通信设备实时监测各个四旋翼无人机(I)的位置速度姿态信息以及执行的相关控制指令。
【文档编号】G05B17/02GK105955067SQ201610389454
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】张锦绣, 陈庆, 俞阳, 曹喜滨, 郑岩
【申请人】哈尔滨工业大学