一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统

摘要

一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统，包括上层任务规划模块、飞行协同控制模块、组网协同通信模块和电源管理模块，上层任务规划模块用于实现任务规划。飞行协同控制模块通过当前无人机的状态信息以及航迹信息，运行导航控制算法和飞行控制算法，输出控制指令到对应的舵机执行机构，实现无人机的航迹控制。同时接收上层任务规划模块下传的任务规划，并生成并输出相应的控制指令到舵机执行机构，执行相应的任务。组网协同通信模块采用多频段多通道通信方式，实现多无人机集群中各无人机之间、无人机与地面站之间的通信。电源管理模块提供电源分配与管理。本发明具有多任务规划、高集成度、动态组网、智能决策等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机系统技术领域，具体涉及一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统。

背景技术

随着电子信息技术的发展，未来信息战的需求使得无人机系统成为当今各国武器装备的发展重点。单架无人机平台在未来信息化、网络化战场环境下所能发挥的作战效能将极为有限。多架无人机协同、集群作战将成为未来重要的一种作战样式，这也对无人机机载协同控制系统提出了更高的要求。因此，小型无人机协作和自主化程度的提高是发展重点，这也是未来小型无人机系统应用扩展和执行复杂任务的基础。

由于现有无人机飞行任务规划大都是在地面预先设置好航线，进入飞行控制系统程序自主飞行，适用于单机无协同飞行，不适合多无人机协同集群控制。多无人机共同执行任务时，需要相互通信、协调、规避互撞等。机载协同控制系统作为无人机系统的核心是实现集群无人机自主协同飞行并完成复杂任务的控制中心。因此，研究具有高集成度、在线信息处理、实时任务规划、动态组网、协同决策的小型无人机机载协同控制系统具有十分重要的意义，也将成为小型无人机机载协同控制系统新的发展趋势。

发明内容

针对现有技术存在的多无人机集群技术问题，本发明提出了一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统。其是一套集成度高、可靠性强、稳定性好，具有在线信息处理、分布协同决策、动态组网、编队飞行功能的小型机载协同控制系统。

本发明提出了一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统。

本发明的技术方案如下：

一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统，包括：

上层任务规划模块，获取当前无人机的状态信息以及航迹信息，接收相邻无人机位置、状态、距离信息，根据当前无人机的自身状态信息、航迹信息以及相邻无人机之间的关系状态完成无人机航线任务规划，控制无人机编队飞行。通过实时获取无人机当前各机载传感器采集的数据，控制无人机完成图像跟踪、吊舱控制或空中避障任务规划。通过接收相邻无人机之间的关系状态信息，控制分配多无人机任务规划。

飞行协同控制模块，通过当前无人机的状态信息以及航迹信息，运行加载在该模块上的导航控制算法和飞行控制算法，并输出控制指令到对应的舵机执行机构，实现无人机的姿态和速度控制，实现对水平位置、高度、航向的控制，实现无人机的航迹控制。同时接收上层任务规划模块下传的任务规划，运行加载在该模块上的导航控制算法和飞行控制算法，并输出控制指令到对应的舵机执行机构，执行相应的任务。

组网协同通信模块，采用多频段多通道通信方式，实现多无人机集群中各无人机之间、无人机与地面站之间的通信。

电源管理模块，为整个系统提供电源分配与管理。

优选地，本发明中上层任务规划模块是基于NVIDIA实时处理芯片的嵌入式在线实时任务协同控制系统，上层任务规划模块与飞行协同控制模块进行数据交互通信，获取当前无人机的状态信息以及航迹信息，同时通过读取无人机当前各机载传感器数据，输入到NVIDIA实时处理芯片进行数据处理与融合算法计算，实时进行无人机任务规划，按照任务规划与决策算法，计算出无人机的期望飞行航迹，并通过任务下传数据接口发送给飞行协同控制模块，飞行协同控制模块接收到期望飞行航迹，生成相应控制指令到对应的舵机执行机构，使无人机按照期望飞行航迹飞行，实现设定任务。

优选地，本发明中上层任务规划模块通过与飞行协同控制模块的组网通信模块进行数据通信，得到相邻无人机之间的位置、状态信息，进而按照机载集群协同控制与决策算法，进行协同决策控制律计算，同时产生集群无人机的期望飞行航迹，并传输给各相邻无人机的飞行协同控制模块，各相邻无人机的飞行协同控制模块接收到对应的期望飞行航迹，生成相应控制指令到对应的舵机执行机构，使各相邻无人机按照期望飞行航迹飞行，完成集群无人机的任务控制飞行。

优选地，本发明中上层任务规划模块通过组网协同通信模块的组网通信模块与地面控制站之间建立数据通信，进行数据显示与监控，并接受地面站的指控信息，根据地面站的指控信息产生集群无人机的期望飞行航迹，并传输给各相邻无人机的飞行协同控制模块，各相邻无人机的飞行协同控制模块接收到对应的期望飞行航迹，生成相应控制指令到对应的舵机执行机构，使各相邻无人机按照期望飞行航迹飞行，完成地面站干预下的集群无人机任务飞行。

优选地，本发明中上层任务规划模块集成多传感器接口、多无人机组网通信接口和任务下传接口，通过多传感器接口支持外接各种机载传感器，包括摄像头、无人机吊舱、雷达高度表、UWB传感器、空速管、IMU和/或磁罗盘，上层任务规划模块实时获取各机载传感器数据，进行数据处理与融合；通过多无人机组网通信接口，接收其它相邻无人机位置、状态、距离信息，计算处理相邻无人机之间关系状态，并将当前无人机状态、航迹信息输出下传地面站并把协同飞行控制的任务信息分发给相邻无人机。

优选地，本发明中上层任务规划模块基于图像在线处理技术，与UWB数据融合实现空中避障任务规划。

优选地，本发明中组网协同通信模块为TDMA系统，采用TDMA方式实现信道的共享，在设置的同一个系统周期时间内，以多无人机集群中每个无人机的GPS时间为基准同步，TDMA系统在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠的，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个无人机；TDMA系统根据设定的时隙分配原则，使每个无人机在每帧内只能按指定的时隙向地面站发射信号，在满足定时和同步的条件下，各无人机与地面站可在各时隙中接收到多无人机集群中每个无人机的信号而互不干扰。

优选地，本发明中电源管理模块集成多种电源转换电路，满足一路输入，多路输出不同电压、不同功率的模块供电方案，为整个系统提供电源分配与管理。

优选地，本发明中飞行协同控制模块结合多传感器信息的融合，实现无人机自身的位置、姿态、速度和角速度估计，飞行协同控制模块运行单机控制律，实现无人机姿态、速度、水平位置和高度的控制，进而实现单架无人机的航迹跟踪控制；飞行协同控制模块集成协同数据接口，通过协同数据接口读取相邻无人机的位置、状态、距离等关键信息，运行协同控制律，实现多个无人机集群控制及协同编队飞行。

优选地，本发明中飞行协同控制模块设有主遥控信号链路模块和备份遥控信号链路模块，主遥控链路模块用于机载接收遥控信号，备份遥控信号链路模块用来传输PWM信号，用作无人机飞手、故障处理与人工操作等。特别在无人机集群飞行控制实验中，它还能实现“一人控多机”、“一站控多机”的功能，可以减少无人机集群实验中无人机飞手、地面站数量、与设备成本等。通过上层任务规划模块可以给飞行协同控制模块发出不同的飞行组合模式，执行复杂的飞行任务。飞行控制的输入是飞机的当前状态、预期状态以及协同状态，输出是无人机舵面的控制量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明具有在线信息处理、分布协同决策、动态组网、编队飞行功等功能，和即插即用、高度集成、重量轻、计算性能强等优点。本发明针对多无人机集群控制过程的复杂性，采用上层任务协同模块、飞行协同控制模块、组网协同通信模块与电源管理模块四个模块架构组成方法，根据不同的任务功能运行在不同任务模块管理模式，利用高计算能力的CPU与GPU并行处理，对一些特定数据利用NPU加速，通过动态组网模式组成多无人机集群与数据分发，采用多层PCB设计技术，最终实现了一套小型机载协同控制系统。

附图说明

图1为在一具体应用实例中的结构示意图。

图2为本发明的拓扑框架示意图。

图3为本发明在一具体应用实例中的上层任务规划模块系统功能示意图。

图4为本发明在一具体应用实例中的飞行协同控制模块系统功能示意图。

图5为本发明在一具体应用实例中的组网协同通信模块系统功能示意图。

图6为本发明在一具体应用实例中的电源管理模块系统功能示意图。

图7为本发明在一具体应用实例中的软件框架流程示意图。

具体实施方案

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1为在一具体应用实例中的结构示意图，一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统，其采用三层电路板结构叠层的方式，系统硬件设计成三部分，即上层电路板1、中层电路板2、下层电路板3，每层电路板管理不同的功能模块，相互独立不受影响，又通过层与层板载通信连接，各个任务功能又可以相互传达，这种结构模式又可以缩小系统的体积，以适应在不同小型无人机快速移植。

如图1所示，本实施例所提供的一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统，其外形体积尺寸为：150mm*78mm*70mm，考虑到上层任务规划模块、飞行协同控制模块中CPU与GPU处理、识别图像数据、集群控制算法等复杂任务，功耗大，主控芯片不易散热，在结构上面加入了T型散热片，通过与无人机结合把热量导出。如图1所示，设计了快速安装孔位，用于快速安装移植到不同无人机上面。对于振动较大的油动力无人机，通过把小型机载协同控制系统连接自制减震板，然后安装在无人机上面。

其中上层电路板1是基于两个ARM处理器设计的飞行协同控制模块，通过与导航数据融合，实现无人机的航迹飞行控制。中层电路板2为基于NVIDIA的高性能实时处理芯片集成设计的上层任务规划模块，其是一种嵌入式在线实时任务协同控制系统。下层电路板3包括系统所需的各种电源电路转化与通信组网模块电路设计，其中电源转化电路包括一种输入电源，多种输出电源电路，应满足各个模块所需求的电压、功率要求。

参照图2，一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统，包括上层任务规划模块，获取当前无人机的状态信息以及航迹信息，接收相邻无人机位置、状态、距离信息，根据当前无人机的自身状态信息、航迹信息以及相邻无人机之间的关系状态完成无人机航线任务规划，控制无人机编队飞行；通过实时获取无人机当前各机载传感器采集的数据，控制无人机完成图像跟踪、吊舱控制或空中避障任务规划；通过接收相邻无人机之间的关系状态信息，控制分配多无人机任务规划。无人机编队飞行是指2架及以上无人机能实时变换不同队形实现不同的编队飞行。

飞行协同控制模块，通过当前无人机的状态信息以及航迹信息，运行加载在该模块上的导航控制算法和飞行控制算法，并输出控制指令到对应的舵机执行机构，实现无人机的姿态和速度控制，实现对水平位置、高度、航向的控制，实现无人机的航迹控制；同时接收上层任务规划模块下传的任务规划，运行加载在该模块上的导航控制算法和飞行控制算法，并输出控制指令到对应的舵机执行机构，执行相应的任务。

组网协同通信模块，采用多频段多通道通信方式，实现多无人机集群中各无人机之间、无人机与地面站之间的通信。

电源管理模块，为整个系统提供电源分配与管理。

在功能实现上，中层电路板2是整个机载协同控制系统的核心，第一，中层电路板2的上层任务规划模块与上层电路板1的飞行协同控制模块进行数据交互通信，获取当前无人机的状态信息以及航迹信息，同时通过读取无人机当前各机载传感器数据，输入到NVIDIA实时处理芯片进行数据处理与融合算法计算，实时进行无人机任务规划，按照任务规划与决策算法，计算出无人机的期望飞行航迹以及期望飞行状态，并通过任务下传数据接口发送给飞行协同控制模块，飞行协同控制模块接收到期望飞行航迹以及期望飞行状态，生成相应控制指令到对应的舵机执行机构，使无人机按照期望飞行航迹以及期望飞行状态飞行，实现设定任务。

上层任务规划模块通过与飞行协同控制模块的组网通信模块进行数据通信，既可以得到相邻无人机之间的位置、状态信息，进而按照机载集群协同控制与决策算法，进行协同决策控制律计算，同时产生集群无人机的期望飞行航迹以及期望飞行状态，并传输给各相邻无人机的飞行协同控制模块，各相邻无人机的飞行协同控制模块接收到对应的期望飞行航迹以及期望飞行状态，生成相应控制指令到对应的舵机执行机构，使各相邻无人机按照期望飞行航迹以及期望飞行状态飞行，完成集群无人机的任务控制飞行。

上层任务规划模块通过组网协同通信模块的组网通信模块与地面控制站之间建立数据通信，进行数据显示与监控，并接受地面站的指控信息，根据地面站的指控信息产生集群无人机的期望飞行航迹，并传输给各相邻无人机的飞行协同控制模块，各相邻无人机的飞行协同控制模块接收到对应的期望飞行航迹以及期望飞行状态，生成相应控制指令到对应的舵机执行机构，使各相邻无人机按照期望飞行航迹以及期望飞行状态飞行，完成地面站干预下的集群无人机任务飞行。无人机的协同状态包括多机之间的状态参量、位置信息、距离信息，它是通过上层任务规划模块给出的。

其中本发明机载传感器包括机载加速度计、陀螺仪、磁罗盘、气压高度计、GPS、空速计、吊舱图像、UWB。状态信息以及航迹信包括无人机的偏航角、俯仰角、滚转角、飞行速度、角速度、高度、位置信息、相邻无人机之间的位置信息、相邻无人机之间的相对距离等。无人机的当前状态是通过飞行协同控制模块给出的，包括速度、加速度、位置和姿态等运动参量。所述无人机的期望飞行状态(预期状态)包括根据不同的飞行任务有不同的形式，如直线飞行、盘旋飞行。

上层任务协同模块的系统框图如图3所示，由高性能的嵌入式机载处理器构成，支持多核GPU提速与NPU神经网络处理，支持外接摄像头、吊舱、UWB等传感器数据接口，支持多无人机之间通信数据接口，支持下传飞行控制指令接口。上层任务规划模块集成多传感器接口、多无人机组网通信接口和任务下传接口，通过多传感器接口支持外接各种机载传感器，包括摄像头、无人机吊舱、雷达高度表、UWB传感器、空速管、IMU和/或磁罗盘。上层任务规划模块主要运行包括复杂任务规划算法实现、集群控制决策分配、多传感器数据融合处理等工作，用于在线规划无人机航线，控制无人机编队飞行。上层任务规划模块用于融合挂载吊舱、摄像头、UWB等传感器设备数据，进行数据处理与融合，控制无人机图像跟踪、吊舱控制、空中避障等任务。通过多无人机组网通信接口，接收其它相邻无人机位置、状态、距离信息，计算处理相邻无人机之间关系状态，并将当前无人机状态、航迹信息输出下传地面站并把协同飞行控制的任务信息分发给相邻无人机，控制分配多无人机任务规划。上层任务规划模块是这个机载协同控制器的智慧决策大脑。

飞行协同控制模块其系统功能框图如图4所示，是这个机载协同控制器的第二功能模块，它区别于上层任务协同模块的智慧决策、任务发布不同，它是任务执行模块，主要包括：1、接收上层任务规划模块下传的航线规划任务、跟踪任务、集群控制任务等；2、无人机导航数据融合处理与飞行控制处理功能；3、舵机执行机构输出控制；4、遥控器数据链路输入；5、与地面站之间数据传输。它的工作流程是：飞行协同控制模块本身也是一个独立的飞行控制器，它通过把遥控器数据输入，机载导航传感器数据融合，解算出无人机所需的俯仰、滚转、偏航三个欧拉角，根据无人机的状态数据，运行飞行控制算法，进行控制律解算，将控制量进行分配，输出控制舵机等执行机构运动，实现无人机的姿态和速度控制，从而实现对水平位置和高度的控制。在此基础上，实现无人机的航迹控制，能够完成简单的路径规划。通过上层协同控制模块可以给出不同的飞行组合模式，执行复杂的飞行任务。飞行控制的输入是无人机的当前状态、预期状态以及协同状态，输出是无人机舵机的控制量。当前状态是通过飞行协同控制模块中的导航模块给出的，包括速度、加速度、位置和姿态等运动参量。所述无人机的预期状态包括根据不同的飞行任务有不同的形式，如直线飞行、盘旋飞行。所述无人机的协同状态包括多无人机之间的状态参量、位置信息、距离信息，它是通过上层任务规划模块给出的。

组网协同通信模块，是这个机载协同控制器第三功能模块，实现无人机之间协同、集群控制，无人机之间数据通信主要利用组网协同通信模块传输。无人机飞行控制系统需要强大的通信系统支持，特别是编队飞行等复杂任务，需要支持无人机与地面站(GCS)、无人机之间、无人机和地基视觉导航系统之间通信。单一频率、点对点的通信方式以无法满足多机编队飞行任务。因此，点对多点、组网、多频段通信方式是完成多机编队飞行任务的基础。跳频通信是上世纪开发出来一种载波频率不断跳变的通信系统，由于其出色的抗干扰特性和高灵敏度，被广泛应用于军事领域与民用领域。它采用多频段多通道通信方式，实现多架飞机之间、飞机与地面站之间的通信。无人机之间通信需要组网，实现相邻两架无人机之间都能实现信息交换。为了提高效率，采用TDMA方式实现信道的共享。组网协同通信模块为TDMA系统，采用TDMA方式实现信道的共享，在设置的同一个系统周期时间内，以多无人机集群中每个无人机的GPS时间为基准同步，TDMA系统在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠的，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个无人机；TDMA系统根据设定的时隙分配原则，使每个无人机在每帧内只能按指定的时隙向地面站发射信号，在满足定时和同步的条件下，各无人机与地面站可在各时隙中接收到多无人机集群中每个无人机的信号而互不干扰。在硬件基础上，实现通信协议控制模块，管理信道资源，保障任务层的透明数据传输。组网协同通信模块之间的数据传输如图5所示。所述TDMA方式是指时分多址技术，通过分配给每个用户一个互不重叠的时隙，使N个用户共享同一载波频道。

参照图6，电源管理模块的系统功能示意图。电源管理模块用于提供协同控制系统的电源分配与状态管理。供电电源是整个机载协同控制系统的动力给出，它的稳定性决定整个控制系统的安全。机载协同控制系统对电源性能要求比价高，在电源电路设计中，除了要考虑电源本身参数外，还应该充分考虑电气参数、电磁兼容设计、安全性设计等。电源管理模块集成多种电源转换电路，满足一路输入，多路输出不同电压、不同功率的模块供电方案，为整个系统提供电源分配与管理。在机载协同控制系统中根据模块、器件的不同，需要12V、5V、3.3V、1.9V等不同电压，外部输入采用的是4-12S锂电池供电，因此，需要不同电压转换电路。

机载协同控制器扩展任务的增加，系统功能更加完善，但也增加了不少硬件检测难度。如串口线折断，引起某模块通信中断。进一步地，一种支持多无人机集群控制的小型机载协同控制系统中加入系统状态监测模块，实时监控各个组成模块(上层任务规划模块、飞行协同控制模块、组网协同通信模块)的通信接口状态，并对电源管理模块中的电池电压、电流进行监测、估算电池电量、可飞行时间等。它的系统框图如图6所示；

本发明上层任务协同模块采用高性能嵌入式处理芯片，集成多传感器接口，通过PCB板载布线通信方式把飞行协同控制模块与组网协同通信模块连接起来，减少了现有的有线拼接模块方式产生的不可靠性，增加了系统的稳定性。

上层任务协同模块的主要任务流程，利用嵌入式操作系统的多任务、并行处理的高效性，采用多任务多线程管理模式进行软件任务设计。上层任务协同模块多线程并行处理每个模块的任务，整体运行两个核心任务对其它线程任务的输出数据进行处理，得出无人机集群控制的整体规划，指引当前无人机执行任务，并对其它无人机给出协同控制关键信息。如图7所示，其中任务一，实时与飞行协同控制模块进行数据通信，获取当前无人机的位置、姿态数据；任务二，实时获取无人机吊舱、摄像头、UWB等辅助传感器数据、进行数据处理与融合；任务三，用于接收其它相邻无人机位置、状态、距离等关键数据信息，计算处理处相邻无人机之间关系状态；任务四，当前无人机状态、航迹信息输出下传地面站并把协同飞行控制的关键信息分发给相邻无人机；任务五，基于图像在线处理，与UWB数据融合实现空中避障任务；任务六，基于集群无人机位置、状态数据，进行无人机在线实时航迹规划，控制无人机集群任务飞行；任务七，基于多无人机状态、距离数据信息，与多传感器数据融合，进行多无人机集群控制、精准编队飞行实验；任务八，基于数据分析，进行无人机载荷控制与其它任务控制。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。