基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公布了一种基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统及方法，属于定位与导航技术领域。本发明专利技术系统由传感器模块，协同导航系统启动模块，基于相对距离信息的无人机位置解算模块和实时显示模块依次串接组成。本发明专利技术方法通过传感器模块搭建集群无人机协同导航系统，通过协同导航系统启动模块远程发送启动命令来启动无人机协同导航系统，基于相对距离信息的无人机位置解算模块解算待定位无人机的位置数据；实时显示模块实时显示解算结果。本发明专利技术方法实现了传感器数据的实时采集，分类存储，对距离测量模块，卫星接收机模块数据进行实时计算处理，最后实时显示数据测量结果以及算法处理结果等功能。

【技术实现步骤摘要】
基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统及方法
本专利技术涉及一种基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统及方法，属于定位与导航

技术介绍
近年来，飞行器集群飞行越来越受到国际上的关注，所谓飞行器集群飞行，即多架飞行器为适应任务要求而进行的某种队形排列和任务分配的组织模式。飞行器编队飞行能够扩大飞行器搜索侦查范围，具有可执行多重任务，可靠性高，整体效率高，减少飞行阻力等优点。飞行器协同集群飞行模式相比单架无人机具有更多优势以及更广阔的应用前景。采用多无人机协同的作战方式，进一步提高了无人机自主生存能力和整体作战效能，通过集群无人机之间的信息共享，将实战中协调任务、协同搜索、侦查与攻击等协同打击效能得以充分发挥。因此，高精度的相对导航系统为提高集群整体作战效能提供了支撑和保障，是实现无人机集群飞行的关键核心技术。目前，用于相对导航系统的传感器主要有惯性测量器件和卫星导航系统。由于惯性测量单元存在常值漂移，而卫星导航系统信号易受外界干扰，可靠性低，无法满足集群无人机相对导航系统对精度的要求。协同导航技术利用多飞行器间的传感器信息，实现多飞行器间的信息协同，结合数据融合的方法以提高多飞行器间的定位精度，弥补了导航传感器的误差，并且对可能出现的故障进行识别、隔离和恢复。
技术实现思路
为了实时显示多无人机集群飞行时，各无人机飞行航迹以及无人机之间的距离变化情况；并且验证通过相对距离信息解算精度较低的待定位无人机的定位精度方法的有效性。本专利技术提出了一种基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统及方法，该方法通过距离测量单元，卫星接收机单元，数据传输单元以及导航计算机来实时解算参与集群飞行的待定位无人机位置，并实时显示各集群无人机的飞行航迹，以及待定位无人机的位置数据等。本专利技术可以有效验证了基于相对距离信息的集群无人机协同导航算法的有效性，提高协同导航算法在工程上的应用能力。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统，包括顺序连接的传感器模块、协同导航系统启动模块，基于相对距离信息的无人机位置解算模块和实时显示模块；所述传感器模块包括距离测量单元、卫星接收机单元、数据传输单元和数据计算单元，其中：距离测量单元、卫星接收机单元分别和数据计算单元连接，数据计算单元和数据传输单元连接；所述协同导航系统启动模块包括无人机飞行控制单元、导航系统节点启动单元和导航系统节点数据实时采集分类存储单元，其中，无人机飞行控制单元、导航系统节点启动单元分别与导航系统节点数据实时采集分类存储单元连接；基于相对距离信息的无人机位置解算模块包括顺序连接的坐标系转换单元，相对距离方程建立单元和位置协同解算单元；实时显示模块包括集群飞行器航迹显示单元、待定位飞行器位置解算结果显示单元、传感器测量数据显示单元、位置解算误差显示单元，其中，各显示单元模块相互独立显示导航系统采集的数据。基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统的导航方法，包括如下步骤：(1)通过传感器模块搭建集群无人机协同导航系统；(2)集群无人机协同导航系统搭建完成后，通过协同导航系统启动模块远程发送启动命令来启动无人机协同导航系统，其中无人机飞行控制单元控制集群无人机飞行航迹，导航系统节点启动单元启动各导航传感器，导航系统节点数据实时采集分类存储单元采集存储无人机集群系统飞行传感器数据；(3)基于相对距离信息的无人机位置解算模块通过获取各无人机导航系统传感器数据，以此来解算待定位无人机的位置数据；(4)待定位无人机位置解算完毕后，实时显示模块中集群飞行器航迹显示单元、待定位飞行器位置解算结果显示单元、传感器测量数据显示单元、位置解算误差显示单元实时显示解算结果。步骤(1)中所述传感器模块搭建集群无人机协同导航系统方法如下：步骤(3-1)，确定集群无人机协同导航系统仿真所需集群无人机数量n；步骤(3-2)，判断协同导航系统仿真所需飞行器数量n是否大于5，若n＞＝5则继续执行下面步骤，若n＜5，则该协同导航系统无法使用，需继续等待直至集群无人机数量符合要求；步骤(3-3)，对上述的n个协同导航系统节点进行编号，编号为i，其中1≤i≤n，配置n个协同导航系统节点，通过每个导航系统节点的数据来模拟单架飞行器机载导航数据；步骤(3-4)，令i＝1，配置第一个系统节点；步骤(3-5)，配置距离测量单元，将距离测量单元和数据计算单元串接，距离测量单元测量该系统节点至其他所有系统节点的距离数据，该数据包括该系统节点编号M，距离测量时间Td，其余系统节点编号i，其中1≤i≤n,i≠M，以及相对应的与其余系统节点的距离数据Di，其中1≤i≤n,i≠M和数据有效标志位Pd；步骤(3-6)，配置卫星接收机单元，将卫星接收机单元和数据计算单元串接，卫星接收机单元测量该节点所处位置数据，该数据包括测量时间Tg、节点所处位置的经度数据EM、纬度数据NM，高度数据HM，以及数据有效标志位Pg；步骤(3-7)，配置数据计算单元，将接受到的节点间距离测量信息以及节点的卫星接收机数据进行组合和处理，读取接受到的距离测量单元数据的有效标志位Pd，判断接受到的距离数据是否有效，如果数据有效则继续进行下一步骤，否则继续接受新的距离数据重新判断；步骤(3-8)，根据数据计算单元接受到的有效的节点距离数据，数据计算单元将该数据进行切割和分块储存，将接受到的有效距离数据按照数据格式将系统自身节点编号M、测量时间数据Td、系统节点编号数据i、以及和对应系统节点的距离数据Di进行分割，分别存储在数据计算单元的存储器中；步骤(3-9)，判断数据计算单元接受到的卫星接收机单元数据的有效标志位Pg，如果数据有效则继续进行下一步骤，否则继续接受新的有效的卫星接收机单元数据；步骤(3-10)，根据数据计算单元接受到的有效的卫星接收机单元数据，数据计算单元将卫星接收机单元数据进行切割和分块储存，将接收到的卫星接收机单元数据按照数据格式将数据测量时间Tg、经度数据EM、纬度数据NM、高度数据HM进行切割然后分块存储在数据计算单元的存储器中；步骤(3-11)，数据计算单元将分块存储在存储器中的系统节点距离测量时间Td、系统节点编号数据i，其中1≤i≤n,i≠M、对应系统节点距离数据Di其中1≤i≤n,i≠M、卫星接收机测量时间Tg、经度数据EM、纬度数据NM、高度数据HM按照顺序连接在一起形成新的系统节点数据A，并且两两数据间添加数据标识位“-”，并且在新合成的节点数据前添加数据头即该系统节点编号M，每条数据末端添加数据结束符Φ，数据计算单元最终形成的数据A如下所示：M-Td-1-D1-2-D2…-i-Di…-n-Dn-Tg-EM-NM-HM-Φ步骤(3-12)，将数据计算单元和数据传输单元串接，来将数据计算单元最终形成的系统节点数据A通过数据传输单元传输至导航计算机；步骤(3-13)，比较i和n的大小关系，来判断参与仿真测试的所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统，其特征在于，包括顺序连接的传感器模块、协同导航系统启动模块，基于相对距离信息的无人机位置解算模块和实时显示模块；所述传感器模块包括距离测量单元、卫星接收机单元、数据传输单元和数据计算单元，其中：距离测量单元、卫星接收机单元分别和数据计算单元连接，数据计算单元和数据传输单元连接；所述协同导航系统启动模块包括无人机飞行控制单元、导航系统节点启动单元和导航系统节点数据实时采集分类存储单元，其中，无人机飞行控制单元、导航系统节点启动单元分别与导航系统节点数据实时采集分类存储单元连接；基于相对距离信息的无人机位置解算模块包括顺序连接的坐标系转换单元，相对距离方程建立单元和位置协同解算单元；实时显示模块包括集群飞行器航迹显示单元、待定位飞行器位置解算结果显示单元、传感器测量数据显示单元、位置解算误差显示单元，其中，各显示单元模块相互独立显示导航系统采集的数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统，其特征在于，包括顺序连接的传感器模块、协同导航系统启动模块，基于相对距离信息的无人机位置解算模块和实时显示模块；所述传感器模块包括距离测量单元、卫星接收机单元、数据传输单元和数据计算单元，其中：距离测量单元、卫星接收机单元分别和数据计算单元连接，数据计算单元和数据传输单元连接；所述协同导航系统启动模块包括无人机飞行控制单元、导航系统节点启动单元和导航系统节点数据实时采集分类存储单元，其中，无人机飞行控制单元、导航系统节点启动单元分别与导航系统节点数据实时采集分类存储单元连接；基于相对距离信息的无人机位置解算模块包括顺序连接的坐标系转换单元，相对距离方程建立单元和位置协同解算单元；实时显示模块包括集群飞行器航迹显示单元、待定位飞行器位置解算结果显示单元、传感器测量数据显示单元、位置解算误差显示单元，其中，各显示单元模块相互独立显示导航系统采集的数据。


2.根据权利要求1所述的基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统的导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过传感器模块搭建集群无人机协同导航系统；
(2)集群无人机协同导航系统搭建完成后，通过协同导航系统启动模块远程发送启动命令来启动无人机协同导航系统，其中无人机飞行控制单元控制集群无人机飞行航迹，导航系统节点启动单元启动各导航传感器，导航系统节点数据实时采集分类存储单元采集存储无人机集群系统飞行传感器数据；
(3)基于相对距离信息的无人机位置解算模块通过获取各无人机导航系统传感器数据，以此来解算待定位无人机的位置数据；
(4)待定位无人机位置解算完毕后，实时显示模块中集群飞行器航迹显示单元、待定位飞行器位置解算结果显示单元、传感器测量数据显示单元、位置解算误差显示单元实时显示解算结果。


3.根据权利要求2所述的基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统的导航方法，其特征在于，步骤(1)中所述传感器模块搭建集群无人机协同导航系统方法如下：
步骤(3-1)，确定集群无人机协同导航系统仿真所需集群无人机数量n；
步骤(3-2)，判断协同导航系统仿真所需飞行器数量n是否大于5，若n＞＝5则继续执行下面步骤，若n＜5，则该协同导航系统无法使用，需继续等待直至集群无人机数量符合要求；
步骤(3-3)，对上述的n个协同导航系统节点进行编号，编号为i，其中1≤i≤n，配置n个协同导航系统节点，通过每个导航系统节点的数据来模拟单架飞行器机载导航数据；
步骤(3-4)，令i＝1，配置第一个系统节点；
步骤(3-5)，配置距离测量单元，将距离测量单元和数据计算单元串接，距离测量单元测量该系统节点至其他所有系统节点的距离数据，该数据包括该系统节点编号M，距离测量时间Td，其余系统节点编号i，其中1≤i≤n,i≠M，以及相对应的与其余系统节点的距离数据Di，其中1≤i≤n,i≠M和数据有效标志位Pd；
步骤(3-6)，配置卫星接收机单元，将卫星接收机单元和数据计算单元串接，卫星接收机单元测量该节点所处位置数据，该数据包括测量时间Tg、节点所处位置的经度数据EM、纬度数据NM，高度数据HM，以及数据有效标志位Pg；
步骤(3-7)，配置数据计算单元，将接受到的节点间距离测量信息以及节点的卫星接收机数据进行组合和处理，读取接受到的距离测量单元数据的有效标志位Pd，判断接受到的距离数据是否有效，如果数据有效则继续进行下一步骤，否则继续接受新的距离数据重新判断；
步骤(3-8)，根据数据计算单元接受到的有效的节点距离数据，数据计算单元将该数据进行切割和分块储存，将接受到的有效距离数据按照数据格式将系统自身节点编号M、测量时间数据Td、系统节点编号数据i、以及和对应系统节点的距离数据Di进行分割，分别存储在数据计算单元的存储器中；
步骤(3-9)，判断数据计算单元接受到的卫星接收机单元数据的有效标志位Pg，如果数据有效则继续进行下一步骤，否则继续接受新的有效的卫星接收机单元数据；
步骤(3-10)，根据数据计算单元接受到的有效的卫星接收机单元数据，数据计算单元将卫星接收机单元数据进行切割和分块储存，将接收到的卫星接收机单元数据按照数据格式将数据测量时间Tg、经度数据EM、纬度数据NM、高度数据HM进行切割然后分块存储在数据计算单元的存储器中；
步骤(3-11)，数据计算单元将分块存储在存储器中的系统节点距离测量时间Td、系统节点编号数据i，其中1≤i≤n,i≠M、对应系统节点距离数据Di，其中1≤i≤n,i≠M、卫星接收机测量时间Tg、经度数据EM、纬度数据NM、高度数据HM按照顺序连接在一起形成新的系统节点数据A，并且两两数据间添加数据标识位“-”，并且在新合成的节点数据前添加数据头即该系统节点编号M，每条数据末端添加数据结束符Φ，数据计算单元最终形成的数据A如下所示：
M-Td-1-D1-2-D2…-i-Di…-n-Dn-Tg-EM-NM-HM-Φ(1)
步骤(3-12)，将数据计算单元和数据传输单元串接，来将数据计算单元最终形成的系统节点数据A通过数据传输单元传输至导航计算机；
步骤(3-13)，比较i和n的大小关系，来判断参与仿真测试的所有系统节点是否都已经配置完成，如果i＜n则跳转至步骤(3-5)，并且令i＝i+1，如果i≥n，则所有的系统节点都已经配置完成了，继续执行下一步骤；
步骤(3-14)，将配置好的n个系统节点安装在n架无人机上，无人机机载电源与系统节点供电部分相连，为仿真系统节点供电；
步骤(3-15)，导航计算机通过无线传输的方式接受数据传输单元所传输的传感器数据并且同时向系统节点发送启动命令。


4.根据权利要求2所述的基于分布节点信息区块的无人机集群协同导航系统的导航方法，其特征在于步骤(2)中所述的协同导航系统启动模块启动无人机协同导航系统包括如下步骤：
步骤(4-1)，协同导航系统启动模块中无人机飞行控制单元通过无人机机载无线电通信方式发送无人机飞行启动命令至n架无人机上，所有参与集群飞行的n架无人机同时按照既定的航线飞行；
步骤(4-2)，选择无人机集群系统中一架无人机作为待定位无人机，一架无人机...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜君南，王融，熊智，刘建业，赵伟，陈明星，陈欣，赵耀，康骏，聂庭宇，安竞轲，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32