一种分布式无人机集群自主管理系统及控制方法技术方案

一种无人机集群自主管理系统及控制方法，该自主管理系统通过通用化的接口，分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和自身的集群通信链路等模块相连，并可根据需要外接高精度导航、图像处理、电气控制单元等模块；各无人机之间依靠信息交互进行任务决策和协调控制，实现集群任务分解、编队飞行、目标跟踪、自主避障等机间协同功能。与现有技术相比，搭载本发明专利技术的无人机可在简单的集群任务装订后，实现已有技术无法实现的全自主编队集结与保持、区域协同搜索、运动目标协同跟踪、快速俯冲抵近等集群飞行任务，使无人机集群获得良好的鲁棒性、灵活性和扩展性。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式无人机集群自主管理系统及控制方法
本专利技术涉及无人机管理领域，特别的，涉及一种采用分布式的无人机集群自主管理系统及控制方法。
技术介绍
随着无人机自主化能力的不断提高，无人机在蜂群作战、应急救援、精细农业等军民领域的地位日益提升。单架无人机由于探测、载荷能力等因素限制，难以完成复杂的飞行任务。采用无人机集群方式，机间利用互通链路共享感知信息、任务信息和状态信息，通过相互感知、能力互补和行动协调，实现集群整体任务能力提升。现有无人机集群飞行管理以集中式为主。在集中式无人机集群中，存在中心规划单元(主控无人机)，该单元可通过无线通信获取系统中所有无人机的位置、速度等飞行状态信息和任务环境状况，为集群中所有无人机规划出航迹或控制指令，实现预定集群飞行任务，同时避免无人机之间的冲突。集中式无人机集群管理系统对于管理无人机数目较少的集群比较有效，但随着无人机数目的增加，集群系统规模增大，集群管理问题将变得极其复杂，中心规划单元的计算资源难以满足无人机集群应用的实时性要求。同时，对无人机集群系统，很多情况下并不存在集中式规划节点，且无法保证全部无人机都能与规划节点可靠通信。例如，现有技术中国专利申请CN108490975A，专利技术名称为“无人机集群的飞控方法、主控无人机及计算机存储介质”，在该专利申请中具有主控无人机，该主控无人机收到集群航点任务后，将该集群航点任务进行分层处理，形成层级任务，并将分层后的层级任务分配给集群内的其他主控无人机进行协同计算处理，其他主控无人机处理完成后将结果返回给该主控无人机进行综合计算处理，由该主控无人机最终形成各个单无人机航点任务。分层处理的目的是为了更快地进行计算，利用多个主控无人机对经分层后的复杂集群航点任务进行协同计算处理，从而提高计算效率，节省时间。又例如，现有技术中国专利申请CN201810062953.9，专利技术名称为“一种无人机集群控制系统及方法”，该专利申请提供了一种无人机集群控制系统及方法，该方法包括：通过对所有无人机进行任务规划，并将任务规划内容发送给主机和从机，而在主机执行任务进行飞行时将自身的位置和速度信息发送给其他所有从机，对应地，从机根据任务规划跟随主机飞行。与其它现有技术相比，该申请能够实现同一时刻一个操控人员对多架无人机的控制，能够完成单一无人机所无法实现的编队表演、大范围搜索或测绘等任务。但上述的现有技术均具有如下缺点：1.均属于集中式无人机集群管理技术，需要无人机集群中存在高性能计算节点(主控无人机)，随着无人机数目的增加，集群系统规模增大，集群管理问题将变得极其复杂，中心规划单元的计算资源难以满足无人机集群应用的实时性要求。2.若主控无人机损毁或无法保证全部无人机都能与主控无人机可靠通信，集群系统将无法正常工作，鲁棒性、灵活性差；3.除主控无人机外的其他无人机均是遥控模式，缺乏自主性，无法处理区域搜索、目标跟踪等复杂飞行任务因此，如何降低分解无人机集群规划问题，降低单节点计算压力，提升集群中无人机单元的自主管理能力，成为无人机集群管理亟待解决的关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种分布式无人机集群自主管理系统。该系统摒弃传统的地面测控站集中控制模式，采用分布式体系架构，无中心规划节点，可在已有无人机设备上安装。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种无人机集群自主管理系统，其特征在于：包括控制器、存储器和通用接口；其中所述控制器通过所述通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和数据链路进行连接，具体而言，其中所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态；通过所述通用接口从所述任务载荷获取所采集的信息；通过所述数据链路进行机间数据交换与其它无人机通信获取邻居无人机的飞行任务和飞行姿态；通过所述数据链路获取地面测控站的任务装订和/或应急处理指令；从而使得所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，以获取无人机平台在每个决策周期内的飞行控制指令，并传输给无人机的所述导航与飞行控制系统，使得导航与飞控系统更新并执行所述无人机集群自主管理系统发来的飞行控制指令，控制无人机平台运动，完成编队飞行、目标搜索和/或跟踪。可选的，所述任务载荷能够将所采集的信息，输入所述分布式无人机集群自主管理系统中，为飞行任务提供指导，同时所述采集的信息还通过数据链路发送至地面测控站，进行进一步的融合处理和统一呈现，所述无人机集群自主管理系统根据从任务载荷获取的目标位置、本机与目标的相对位置，从而进行自主决策获得任务载荷的控制指令，并通过通用接口发往所述任务载荷。可选的，所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态能够包括以下参数中的多个：无人机的自检状态、飞行阶段、飞行状态、故障状态、系统时钟、GPS时钟、发动机转速、经度、纬度、高程、X/Y/Z轴速度、X/Y/Z轴加速度、横滚角、俯仰角、航向角、横滚角速度、俯仰角速度、航向角速度、空速和气压高；所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，传输给所述导航与飞行控制系统的飞行控制指令，包括飞行控制操纵和飞行控制操纵方式设置。可选的，所述无人机集群自主管理系统通过状态信息帧、任务协调帧和任务确认帧与其它无人机进行指令和数据的交互；所述状态信息帧，用于传递无人机之间交互飞行阶段位置、速度、航向和飞机状态的协同决策必须的信息；所述任务协调帧，用于搜索结束后多机协调任务执行前，向其它无人机通报决策结果，避免不完全信息条件下的决策可能带来的冲突；所述任务确认帧，用于收到其他无人机发来的任务协调帧后，对任务协调的响应。可选的，所述存储器包括RAM存储器、FLASH存储器和存储卡，其中RAM存储器用于数据的保存和部分非实时程序的运行，Flash存储器作为程序和固化数据存储器，存储卡作为机载数据记录仪；和/或，所述通用接口包括串口、SCI、SPI、CAN；和/或，所述无人机集群自主管理系统还通过所述通用接口与启动器相连。本专利技术进一步公开了一种利用上述的无人机集群自主管理系统进行无人机控制的方法，包括如下步骤：初始化步骤S110:对所述无人机平台和分布式无人机集群自主管理系统上电，完成相关设备初始化，接收地面测控站传来的统一的集群任务装订；起飞步骤S120：收到起飞指令后，向启动器发送指令，各无人机序贯起飞，加速爬升，各无人机满足起飞阶段结束条件，起飞阶段结束；飞行监控步骤S130:对无人机的飞行状态进行全过程监测：包括飞行速度、飞行姿态、电池电量、发动机转速、载荷状态、机载传感器状态和与其他无人机之间的飞行距离，当发生特情时，即时向地面测控站报警，同时根据特情严重程度中断飞行任务，进入特情处理阶段；飞行任务执行步骤S140：未发生特情时，执行当前集群飞行任务；回收步骤S150：集群飞行任务执行结束，且下一飞行任务为回收，进入回收阶段，各无人机自主决定回收顺序，序贯在回收点上空盘旋降高、盘旋减速、触地回收。可选的，在初始化步骤S110中，所述分布式无人机集群自主管理系统还对任务合法性进行判定，若任务合法，自主决策对任务进行初始分配，等待起飞指令；和/或，所述集群任务装订包括起飞任务、编队飞行任务、区域搜索任务、目标跟踪任务、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机集群自主管理系统，其特征在于：包括控制器、存储器和通用接口，其中所述控制器通过所述通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和数据链路进行连接，具体而言，其中所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态；通过所述通用接口从所述任务载荷获取所采集的信息；通过所述数据链路进行机间数据交换与其它无人机通信获取邻居无人机的飞行任务和飞行姿态；通过所述数据链路获取地面测控站的任务装订和/或应急处理指令；从而使得所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，以获取无人机平台在每个决策周期内的飞行控制指令，并传输给无人机的所述导航与飞行控制系统，使得导航与飞控系统更新并执行所述无人机集群自主管理系统发来的飞行控制指令，控制无人机平台运动，完成编队飞行、目标搜索和/或跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种无人机集群自主管理系统，其特征在于：包括控制器、存储器和通用接口，其中所述控制器通过所述通用接口分别与无人机的导航与飞行控制系统、无人机的任务载荷、和数据链路进行连接，具体而言，其中所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态；通过所述通用接口从所述任务载荷获取所采集的信息；通过所述数据链路进行机间数据交换与其它无人机通信获取邻居无人机的飞行任务和飞行姿态；通过所述数据链路获取地面测控站的任务装订和/或应急处理指令；从而使得所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，以获取无人机平台在每个决策周期内的飞行控制指令，并传输给无人机的所述导航与飞行控制系统，使得导航与飞控系统更新并执行所述无人机集群自主管理系统发来的飞行控制指令，控制无人机平台运动，完成编队飞行、目标搜索和/或跟踪。2.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：所述任务载荷能够将所采集的信息，输入所述分布式无人机集群自主管理系统中，为飞行任务提供指导，同时所述采集的信息还通过数据链路发送至地面测控站，进行进一步的融合处理和统一呈现，所述无人机集群自主管理系统根据从任务载荷获取的目标位置、本机与目标的相对位置，从而进行自主决策获得任务载荷的控制指令，并通过通用接口发往所述任务载荷。3.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：所述控制器通过所述通用接口从所述导航与飞行控制系统获取当前无人机的导航信息和飞行状态能够包括以下参数中的多个：无人机的自检状态、飞行阶段、飞行状态、故障状态、系统时钟、GPS时钟、发动机转速、经度、纬度、高程、X/Y/Z轴速度、X/Y/Z轴加速度、横滚角、俯仰角、航向角、横滚角速度、俯仰角速度、航向角速度、空速和气压高；所述无人机集群自主管理系统进行自我决策，传输给所述导航与飞行控制系统的飞行控制指令，包括飞行控制操纵和飞行控制操纵方式设置。4.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：所述无人机集群自主管理系统通过状态信息帧、任务协调帧和任务确认帧与其它无人机进行指令和数据的交互；所述状态信息帧，用于传递无人机之间交互飞行阶段位置、速度、航向和飞机状态的协同决策必须的信息；所述任务协调帧，用于搜索结束后多机协调任务执行前，向其它无人机通报决策结果，避免不完全信息条件下的决策可能带来的冲突；所述任务确认帧，用于收到其他无人机发来的任务协调帧后，对任务协调的响应。5.根据权利要求1所述的无人机集群自主管理系统，其特征在于：所述存储器包括RAM存储器、FLASH存储器和存储卡，其中RAM存储器用于数据的保存和部分非实时程序的运行，Flash存储器作为程序和固化数据存储器，存储卡作为机载数据记录仪；和/或，所述通用接口包括串口、SCI、SPI、CAN；和/或，所述无人机集群自主管理系统还通过所述通用接口与启动器相连。6.一种利用权利要求1-5中任意一项所述的无人机集群自主管理系统进行无人机控制的方法，包括如下步骤：初始化步骤S110:对所述无人机平台和分布式无人机集群自主管理系统上电，完成相关设备初始化，接收地面测控站传来的统一的集群任务装订；起飞步骤S120：收到起飞指令后，向启动器发送指令，各无人机序贯起飞，加速爬升，各无人机满足起飞阶段结束条件，起飞阶段结束；飞行监控步骤S130:对无人机的飞行状态进行全过程监测：包括飞行速度、飞行姿态、电池电量、发动机转速、载荷状态、机载传感器状态和与其他无人机之间的飞行距离，当发生特情时，即时向地面测控站报警，同时根据特情严重程度中断飞行任务，进入特情处理阶段；飞行任务执行步骤S140：未发生特情时，执行当前集群飞行任务；回收步骤S150：集群飞行任务执...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨祖强，柳海，刘光宏，张德，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11