基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统及方法，由主、从端两部分组成；其中主端包括操作员、主端计算机和力反馈人机接口装置；从端包含基站、搭载有无线传感器节点的多旋翼领导飞行器、跟随飞行器以及从端环境中的障碍物。从端多旋翼飞行器具有局部自主能力，多个多旋翼飞行器搭载的传感器节点可通过多跳自组织方式与基站组成网状网络，多旋翼飞行器之间可相互传输数据。主端的力反馈控制人机接口装置只控制从端的领导飞行器，在从端的飞行器系统面临复杂不能自主完成的任务时，由主端引导主机摆脱困境，同时从端跟随飞行器产生自主跟随行为。本发明专利技术为复杂、非结构化环境中多机器人全自主工作难以实现提供了一种技术手段和方法。

【技术实现步骤摘要】
基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统及方法
本专利技术涉及多旋翼飞行器的无线通信、控制领域，特别涉及一种共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统及方法。
技术介绍
无线传感器网络由于其低功耗、低成本、分布式和自组织等优点，在医疗、军事、安全监测等领域得到了广泛的应用。根据已知位置进行节点的部署与投放的固定部署方法，已经趋于成熟，但是在探测目标区域情况复杂时，固定部署往往会浪费资源，难以完成任务。采用多轮式或者履带式移动机器人搭载无线传感器网络节点，进行自部署改善了此类不足。然而在一些非友好环境中，进行大范围的侦察探测、安全巡检和灾后搜救等任务时，搭载传感器网络节点的轮式或者履带式机器人组成的多机器人系统往往无法进入崎岖的现场环境，导致传感器节点无法在现场进行组网，难以完成侦查探测任务。多旋翼飞行器具备空中机动性，在大型障碍物面前具有得天独厚的优势。因此多旋翼飞行器搭载无线传感器节点相比传统轮式或履带式机器人，更有利于执行在非友好环境中的侦查探测任务。然而由于现有的传感、控制、人工智能等水平的限制，能够在复杂、非友好环境中实现多机器人尤其是多个多旋翼飞行器的全自主工作是相对困难的。在远程遥操作的时候，借助视频图像等反馈信息，操作员的临场感效果不强烈，不利于准确地感受从端的环境状况。
技术实现思路
针对复杂环境中多飞行器监测系统的全自主控制困难多，操作员的临场感效果差的问题，本专利技术提供一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，通过力反馈手控器增强操作员的临场感，采用半自主的控制方式，在操作员的监督或辅助控制下完成复杂任务。一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统由主端和从端两部分组成，其中主端包括操作员、力反馈人机接口装置和主端计算机；从端包括基站、搭载着传感器节点的若干多旋翼飞行器以及从端环境中的障碍物；所述的主端和从端通过无线方式进行数据交互，从端的多个搭载传感器节点的多旋翼飞行器具有基本的局部自主能力，比如空中姿态保持、指定队形保持以及避障；主端的操作员可以通过力反馈人机接口装置进行远程干预，同时通过力反馈人机接口装置得到从端飞行器的飞行状态与环境信息。在本专利技术中：所述多旋翼飞行器传感器节点包括供电装置、动力系统、传感设备单元、控制与处理单元和无线通信单元；其中供电装置提供飞行器的能量来源；动力系统驱动整个飞行器运动；传感设备单元负责采集飞行器飞行过程中运动参数以及环境数据；控制与处理单元负责飞行器的姿态与导航控制，以及处理传感设备单元采集到的数据信息；无线通信单元用于接收主端传送的指令以及相邻飞行器之间数据通信。在本专利技术中：从端的多个搭载传感器节点的多旋翼飞行器包括从端领导飞行器和从端跟随飞行器，其中从端领导飞行器作为从端的对外接口负责响应主端的控制命令，从端跟随飞行器不受主端直接控制，在编队导航过程中以从端领导飞行器为核心产生多级的自主跟随行为；任何正常工作的飞行器都可以被选作领导者或跟随者，并可在两种角色之间切换，具体如何分配与切换角色取决于实际的应用要求，由主端计算机将任务指令送达。在本专利技术中：所述的从端领导飞行器和从端跟随飞行器上的传感器节点之间通过多跳自组织的方式形成网状网络，将采集到的外部环境监测数据以单跳或者多跳的方式传送给基站，基站将信息分类，并重新打包，传送给主端计算机。在本专利技术中：所述的动力系统包括机架、螺旋桨、电机和电子调速器，所述的螺旋桨和电机的数量与多旋翼飞行器中相应的旋翼数量一致，具体为偶数；所述螺旋桨包括正桨和反桨，在相邻旋翼上间隔排列。在本专利技术中：所述的传感设备单元包括飞行定位传感器和环境监测传感器，所述的飞行定位传感器包括陀螺仪、加速度计、GPS、气压计和超声波传感器；所述的环境监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、视觉传感器和激光测距仪。一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测方法，包括如下步骤：步骤1：主端看作一种常规的机械系统，其动力学模型通过欧拉-拉格朗日方程表示：其中，Fh为操作员对力人机接口装置的作用力，Fm为主从端交互作用对主端产生的作用力，xM和分别代表主端的手控器等人机接口设备的位置和速度，MM(xM)代表惯量矩阵，代表科氏力和离心力，代表摩擦力等阻力；步骤二：rm为主端施加给从端领导飞行器i的速度控制参量，取决于主端手控器的位置和速度：其中，λ和k皆为正常数，通过合理选择这两个参数的大小，尽量降低速度分量的影响；步骤三：假设主从端之间存在通信时延T，存在以下关系式：rm'(t)＝rm(t-T)和vi'(t)＝vi(t-T)步骤四：将主端、从端和主从端之间的遥操作通道设计为无源系统，主从端之间的连接关系为一个阻尼器的模型，具体表现为Fm与Fs大小相等，方向相反，且Fm＝b(vi'-rm)，其中b为一个正常数，通过实验确定；步骤五：从端的每个飞行器i建模为R3中的自由质点，动力学方程为：其中pi∈R3是飞行器i的动量，阻尼力矩阵Bi∈R3×3代表运动过程中施加在飞行器i上的各种阻尼，Mi∈R3×3代表惯性矩阵，各飞行器的速度为其中Ki是动能，且步骤六：Fienv为环境对从端领导飞行器产生的作用力，本专利技术中环境对飞行器产生的人工势场表现为排斥势，以防飞行器与障碍物碰撞对机器造成损坏；该排斥作用势的特点为，在障碍物影响范围ρ0之外，作用势为0；否则为相应的作用力Fienv为作用势对相对距离di,env的负梯度；步骤七：在从端，为相邻的飞行器设计虚拟势场，从端的飞行器只有与其相邻的飞行器之间存在这种势场，这里的相邻指飞行器i能够收到飞行器j发送的数据；对于两个飞行器，它们之间距离dij的测定依赖于测距传感器；当两个飞行器之间的相对距离等于预设的距离时，它们之间的势场为零；当相对距离大于预设的距离时，势场为表现为吸引势；当相对距离小于预设的距离时，势场为排斥势；这种势场E(dij)采用虚拟弹簧模型，作用力代表虚拟弹簧的输出；Fia为与飞行器i的邻居飞行器对其产生的作用力的合力，通过上述技术方案，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术针对存在大型障碍物的非友好环境，采用多旋翼飞行器作为无线传感器节点的载体，充分利用了飞行器的空中灵活性，方便地用于障碍物环境中远距离通信设施的部署；(2)使用双边共享控制系统，建立遥操作系统实现操作员对多个飞行器的有效远程控制，将操作员的智能很好地引入多飞行器系统中，通过力反馈控制人机接口装置使得操作员能对从端的状况产生临场感并可以显著提升快速反应能力；在多飞行器系统智能不够的情况下，能够很好地借助于操作员的智能做出决策。附图说明图1是本专利技术的系统组成示意图；图2是本专利技术中搭载传感器的多旋翼飞行器节点示意图；图3是本专利技术中的动力系统示意图；图4是本专利技术中的传感设备单元示意图；图5是本专利技术中主端与从端领导飞行器的运动分析图；图6是本专利技术中从端飞行器之间的运动分析图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参见图1所示，一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统由主端和从端两部分组成，其中主端包括操作员101，力反馈人机接口装置102和主端计算机103；从端包括基站104、若干搭载着传感器的多旋翼飞行器节点和从端环境中的障碍物107，从端的搭载传感器的多旋翼飞行器节点包括从端领导飞行器105和从端跟随飞行器106。从端的基站本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：包括主端和从端，所述的主端包括操作员、力反馈人机接口装置和主端计算机，所述的从端包括基站、搭载着传感器节点的多旋翼飞行器以及从端环境中的障碍物；所述的主端和从端通过无线方式进行数据交互，从端的多个搭载传感器节点的多旋翼飞行器包括从端领导飞行器和从端跟随飞行器，主端的操作员可以通过力反馈人机接口装置进行远程干预，同时通过力反馈人机接口装置得到从端飞行器的飞行状态与环境信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：包括主端和从端，所述的主端包括操作员、力反馈人机接口装置和主端计算机，所述的从端包括基站、搭载着传感器节点的多旋翼飞行器以及从端环境中的障碍物；所述的主端和从端通过无线方式进行数据交互，从端的多个搭载传感器节点的多旋翼飞行器包括从端领导飞行器和从端跟随飞行器，主端的操作员可以通过力反馈人机接口装置进行远程干预，同时通过力反馈人机接口装置得到从端飞行器的飞行状态与环境信息。2.根据权利要求1所述的一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：所述的从端领导飞行器和从端跟随飞行器上的传感器节点之间通过多跳自组织的方式形成网状网络，将采集到的外部环境监测数据以单跳或者多跳的方式传送给基站，基站将信息分类，并重新打包，传送给主端计算机。3.根据权利要求1所述的一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测系统，其特征在于：所述的从端领导飞行器为从端的对外接口负责响应主端的控制命令；所述的从端跟随飞行器不受主端直接控制，在编队导航过程中以从端领导飞行器为核心产生多级的自主跟随行为；其中所述的从端领导飞行器和从端跟随飞行器可以通过主端计算机的任务指令随时进行两者的角色切换。4.一种基于共享控制的多旋翼飞行器环境监测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：主端看作一种常规的机械系统，其动力学模型通过欧拉-拉格朗日方程表示：其中，Fh为操作员对力人机接口装置的作用力，Fm为主从端交互作用对主端产生的作用力，xM和分别代表主端的手控器等人机接口设备的位置和速度，MM(xM)代表惯量矩阵，代表科氏力和离心力，代表摩擦力等阻力；步骤二：rm为主...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，乔贵方，温秀兰，王东霞，崔俊宇，张腾飞，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32