一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法，该控制系统包括：底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。该方法为基于上述控制系统的控制方法。本发明专利技术具有原理简单、适用范围广、规模可扩展性好、能够支持任务多样性等优点。

A Hierarchical Distributed Control System and Control Method for Fixed-Wing UAV Cluster

【技术实现步骤摘要】
一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法
本专利技术主要涉及到无人机领域，特指一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法。
技术介绍
无人机集群通常是由大规模相对简单的无人机组成的、通过无人机个体之间的局部协作实现全局协同行为的群体系统。近年来，无人机集群以其独有优势在全球范围内受到了空前重视，在军事和民用领域具有巨大的应用与经济价值。国内外针对无人机集群领域做了大量探索性工作，例如编队飞行、任务规划、目标跟踪等，但是很少有针对无人机集群体系架构研究的报道。然而，采用何种方式将无人平台、载荷、功能模块等要素组织起来，从而发挥集群更大的效能，是构建集群系统要解决的关键问题。现有研究大多采用集中式架构的方式，即存在一个中心节点在收集其他节点的状态信息后进行集中决策，并将决策结果发送到各节点进行执行。例如，Grabe等提出一种异构无人机集群的端到端控制框架Telekyb，该方案将高层任务（例如任务规划等）集中运行在地面端，并将规划结果通过无线网络发送到各节点中执行，该类型的方法，信息交互多，具有单点失效的威胁，可扩展性有限，不适合大规模集群。现有研究也有采用分布式架构的方式，即不存在中心节点，各节点与邻居进行交互，并根据局部邻居信息进行决策。例如，Sanchez-Lopez等针对多无人机系统提出了一种混合反应/慎思式的开源体系架构AeroStack，包含了反应、执行、慎思、反思和社会等五层。然而，它为非实时架构，无法应用于时敏性强的底层控制（例如姿态控制、执行器控制等），可能无法满足无人机高速运动的实时性要求。Boskovic等提出无人机群的六层分层结构CoMPACT，有效结合了任务规划、动态重分配、反应式运动规划和突发式生物启发群体行为等。然而，CoMPACT将任务执行分为任务、功能、团队、班排、无人机等级别，每级别都需设计与它机协同的管理者，可能显著增加了任务管理的负担。特别需要指出的是，前述工作均主要针对小规模四旋翼无人机集群，并没有针对固定翼无人机设计。相比之下，Chung等提出了一个群体系统并演示了多达50个固定翼无人机的实时飞行实验。然而，该工作更多地集中在无人机集群的系统实现设计，包括自主发射、起降和飞行等，不支持集体行为和任务协调等。因此，目前集群架构设计主要针对旋翼集群，还欠缺适宜于执行多样化任务的大规模固定翼无人机集群的体系架构。综上所述，现有技术中的所有方法均存在一些不足，限制了其在无人机集群系统效能的有效发挥：（1）规模可扩展性不足。现有公开的体系架构大多采用集中式架构，并只在小规模系统（通常2到5）进行验证。随着规模增加，不论在理论还是系统实现上，集群系统的构建难度将会指数上升，体系结构设计也更有挑战。虽然目前存在百架规模的固定翼无人机集群飞行演示，但是现有研究主要为基于预先规划航线的无人机集群飞行，并未针对集群系统的体系架构提出设计方法。（2）任务多样性不足。现有体系架构方案通常只关注单一任务，尚缺乏可以支持多种任务灵活扩展的无人机集群体系架构。然而，支持多样化任务是集群系统高度自主化的重要需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种原理简单、适用范围广、规模可扩展性好、能够支持任务多样性的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统及控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其包括：底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。作为本专利技术的进一步改进：所述底层行为控制层接受高层协同控制层的制导控制指令，所述底层行为控制层中的姿态控制模块将结合制导控制指令的要求对生成姿态控制信号，并由控制分配模块根据无人机平台类型生成作动器的控制信号。作为本专利技术的进一步改进：所述高层协同控制层包括：高维感知处理模块，运用高维感知载荷对环境进行高维感知，并对感知图像进行分析处理；任务管理与分配模块，用来负责任务分解、任务分配、任务调度和进度监视业务；任务规划模块，用来负责根据子任务要求，生成规划序列；制导控制模块，用来负责根据规划序列要求，生成制导控制指令。作为本专利技术的进一步改进：所述通信层包括三条通信链路：a.控制链路，用于传输时延性要求高带宽需求低的业务；b.数据链路，用于传输感知图像带宽要求高时延需求相对较低的业务；c.遥控链路，用于操作手对无人机进行远程遥控，在出现意外情况下进行应急保护。作为本专利技术的进一步改进：所述人机交互层为指挥控制站。本专利技术进一步提供一种基于上述控制系统的控制方法，其流程包括：指挥控制站发送指控命令及数据给指定无人机，接收无人机回传的任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息；机载管理模块发送任务请求给任务管理与分配模块，发送感知载荷控制请求给高维感知处理模块，发送任务状态信息、飞行状态信息和感知图像信息给指挥控制站，接收指挥控制站发送的指控命令，接收其他无人机发送的任务状态信息和飞行状态信息，接收任务管理模块发送的任务状态信息，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块发送的飞行状态信息；任务管理与分配模块发送子任务请求给任务规划模块，发送任务状态信息给机载管理模块，接收机载管理模块的任务请求，接收任务规划模块的任务状态信息；高维感知处理模块发送感知图像信息给机载管理模块、任务规划模块和制导控制模块，接收机载管理模块发送的载荷控制指令，接收底层控制模块发送的飞行状态信息；任务规划模块发送规划序列给制导控制模块，发送任务状态信息到任务管理与分配模块，接收任务管理与分配模块的子任务请求，接收高维感知与处理模块的感知图像信息，接收底层控制模块的飞行状态信息，接收制导控制模块的制导状态信息；制导控制模块发送制导控制信息给底层控制模块，发送制导状态信息给任务规划模块，接收任务规划模块发送的规划序列，接收底层控制模块飞行状态信息，接收高维感知处理模块的感知图像信息；底层控制模块发送控制信号给无人机平台，发送飞行状态信息给制导控制模块，发送飞行状态信息给任务规划模块，发送飞行状态信息给高维感知处理模块，发送飞行状态信息给机载管理模块，接收制导控制模块发送制导序列，接收机载传感器发送的传感器信息。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术采用软件模块化的思想，将集群系统分为人机交互层、通信层、高层控制层和底层行为层四个层次，以及视觉感知、任务协调、任务规划、制导控制、飞行控制、通信管理等多个模块化组件。各模块组件可视为定义了输入输出接口的黑盒，模块之间通过输入输出接口进行交互，软件开发人员可以专注于所负责组件的开发工作而不需要了解其他组件的实现细节，有利于降低大系统构建的复杂度。同时，本专利技术基于工厂设计模式，设计统一的工厂类接口，并基于工厂类接口为不同的任务分别构建不同的实现类，便于新任务的灵活扩展。2、本专利技术采用分布式架构，各节点接受局部邻居信息，并自主进行“感知-判断-决策-行为”全流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：包括：底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。

【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：包括：底层行为控制层，用来负责飞行控制业务，部署于实时操作系统之上；高层协同控制层，用来负责协同控制业务，部署于高性能处理板上；通信层，用来负责无人机之间以及无人机与地面站之间的信息交互业务；人机交互层，用来负责无人机集群系统状态及感知环境的监视，以及指控命令的下达，包括集群系统状态及感知环境可视化接口和指控命令接口。2.根据权利要求1所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述底层行为控制层接受高层协同控制层的制导控制指令，所述底层行为控制层中的姿态控制模块将结合制导控制指令的要求对生成姿态控制信号，并由控制分配模块根据无人机平台类型生成作动器的控制信号。3.根据权利要求1所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述高层协同控制层包括：高维感知处理模块，运用高维感知载荷对环境进行高维感知，并对感知图像进行分析处理；任务管理与分配模块，用来负责任务分解、任务分配、任务调度和进度监视业务；任务规划模块，用来负责根据子任务要求，生成规划序列；制导控制模块，用来负责根据规划序列要求，生成制导控制指令。4.根据权利要求1或2或3所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述通信层包括三条通信链路：a.控制链路，用于传输时延性要求高带宽需求低的业务；b.数据链路，用于传输感知图像带宽要求高时延需求相对较低的业务；c.遥控链路，用于操作手对无人机进行远程遥控，在出现意外情况下进行应急保护。5.根据权利要求1或2或3所述的固定翼无人机集群的分层分布式控制系统，其特征在于：所述人机交互层为指挥控制站。6.一种基于上述权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志宏，王祥科，沈林成，李杰，尹栋，相晓嘉，丛一睿，赵述龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43