專利名稱：無人機集群的協(xié)作交互方法及無人機的可視導航系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無人機通信技術領域，特別涉及一種無人機集群的協(xié)作交互方法及無人機的可視導航系統(tǒng)。
背景技術：
無人機在偵察/監(jiān)視、通信中繼、電子對抗、災害防治、應急搜索等應用領域需求廣泛。傳統(tǒng)的無人機控制方法是，通過外界數據通信鏈路對無人機進行控制，同時 GPS(Global Positioning System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))提供定位信息，這種方法存在的問題是，一方面，在有意干擾、近地或在峽谷里、有建筑物遮擋甚至是室內(對于微小型無人機)等條件下，通信鏈路和GPS信號很容易受阻或缺失，將導致無人機失去或暫時失去控制，另一方面，無人機只能適應相對結構化任務環(huán)境的要求，不能解決動態(tài)、未組織環(huán)境下的自主控制問題，如突然出現(xiàn)未預知的障礙、缺少地理信息的飛行環(huán)境等。針對傳統(tǒng)無人機控制的缺陷，現(xiàn)有技術中采用計算機視覺技術對無人機控制，利用機載傳感器(如視覺傳感器、慣性導航系統(tǒng)、速度傳感器和雷達高度表等)獲取的信息進行自主導航，減少無人機對外部設備和環(huán)境的依賴。但是，這種方法也存在問題，無人機需要攜帶的傳感設備多，處理的數據量大，同時數據融合處理實時性高，而單架(特別是載重量受限的小型、微型)的無人機載重小，資源和信息處理能力有限。針對單架無人機存在的問題，利用多架無人機集群協(xié)作完成任務，這種方法在可視導航中得到了極大的應用，大幅度提升執(zhí)行任務能力，現(xiàn)有技術中，采用WiFi、ZigBee等方法實施無人機集群的組網通信，這種方法存在的問題是，無人機的高動態(tài)運動會引起網絡拓撲的頻繁變化，破壞已有的路由信息，導致分組丟失，破壞服務質量。針對上述問題， 現(xiàn)有的解決方法是，利用多無人機集群協(xié)作進行SLAM (Simultaneous Localization And Mapping，協(xié)作定位與地理繪圖)。具體地，一種方法是采用集中式體系，在中央規(guī)劃點處對每架無人機進行控制，這種方法存在的問題是帶來了大量的通信和計算需求，在實時和靈活性上有所欠缺。另一種方法是采用分散共標式體系，每架無人機獨立規(guī)劃，這種方法存在的問題是由于規(guī)劃是基于SLAM數據融合下的信息共享，關聯(lián)復雜，信息滯后，每對無人機之間均需在一定的時間間隔下相互通信，資源消耗較大的問題，不易適應于高動態(tài)無人機集群環(huán)境。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一。為達到上述目的，本發(fā)明提出一種無人機集群的協(xié)作交互方法，包括以下步驟 Sl 無人機集群中的某個無人機確定其通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據所述滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組；S2 確定所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由；S3 根據所述機間路由的鏈路狀態(tài)信息對所述無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務；S4 根據所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)評估所述鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新所述無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。本發(fā)明另一方面還提出一種無人機的可視導航系統(tǒng)，包括機載傳感器，用于獲取無人機工作環(huán)境信息和導航控制信息；數字地圖發(fā)生器，用于產生并存儲與工作地域相關的地圖信息，其中所述地圖信息用于規(guī)劃無人機的工作導航路線；圖形圖像模型庫，用于存儲圖形圖像模型信息，并根據所述無人機工作環(huán)境信息更新所述圖形圖像模型庫以及為所述數字地圖發(fā)生器提供工作環(huán)境的視覺信息；綜合信息數據庫，用于存儲當前和歷史的可視導航信息，其中所述可視導航信息包括無人機工作路線信息、障礙物信息和特征環(huán)境信息；故障檢測模塊，用于檢測無人機可視導航系統(tǒng)的故障；機間通信模塊，用于無人機之間協(xié)作通信以獲得其他無人機獲取到的信息；和可視導航信息融合處理綜合模塊，用于根據所述機載傳感器、所述數字地圖發(fā)生器、所述圖形圖像模型庫、所述綜合信息數據庫、所述故障檢測模塊和所述機間通信模塊提供的信息進行綜合處理，獲得用于控制無人機工作的可視導航信息指令，并為所述機載傳感器、所述數字地圖發(fā)生器、所述圖形圖像模型庫、所述綜合信息數據庫、所述故障檢測模塊和所述機間通信模塊提供所需的信息，以及協(xié)調所述機載傳感器、所述數字地圖發(fā)生器、所述圖形圖像模型庫、所述綜合信息數據庫、所述故障檢測模塊和所述機間通信模塊的工作。在本發(fā)明的一個實施例中，所述機間通信模塊包括協(xié)作組確定單元，用于無人機確定其通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據所述滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組；機間路由確定單元，用于確定所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由； 任務分配單元，用于根據所述機間路由的鏈路狀態(tài)信息對所述無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務；協(xié)作更新單元，用于根據所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)評估所述鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新所述無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。根據本發(fā)明實施例的無人機集群的協(xié)作交互方法和無人機的可視導航系統(tǒng)，將無人機任務信息傳輸與協(xié)作交互指令傳輸分開，至少具有以下有益效果(1)實時性好，本發(fā)明有效降低了協(xié)作任務傳輸的時延，特別是協(xié)作可視導航任務中，可視導航需要傳感設備多，數據量大，數據融合處理實時性高，解決了單架無人機載重小，資源有限，信息處理能力有限等問題，并實現(xiàn)無人機集群中可視導航信息及時有效共享，使得每架無人機均能夠自主、實時地規(guī)劃飛行路線。(2)可靠性強，本發(fā)明能實現(xiàn)無人機的可靠避障避險，進行高效、安全工作。(3)通信質量高，本發(fā)明可提高無人機的信息處理效率，在傳輸時延，鏈路穩(wěn)定性和系統(tǒng)資源節(jié)約方面可獲得較好的通信性能，通信質量高。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實施例的無人機集群的協(xié)作交互方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例的發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機連接協(xié)作的流程圖3為本發(fā)明實施例的接收協(xié)作請求指令的無人機處理連接協(xié)作的流程圖；圖4為本發(fā)明一個實施例的無人機協(xié)作組交互場景的示意圖；圖5為本發(fā)明實施例的發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機進行鏈路狀態(tài)評估的流程圖；圖6為本發(fā)明實施例的計算路由保持時間的示意圖；圖7為本發(fā)明一個實施例的無人機可視導航系統(tǒng)的結構示意圖；圖8為本發(fā)明實施例的無人機可視導航系統(tǒng)中的機間通信模塊的示意圖；圖9為本發(fā)明實施例的機間通信模塊的協(xié)作組確定單元的示意圖；圖10為本發(fā)明實施例的機間通信模塊的任務分配單元的示意圖；圖11為本發(fā)明實施例的機間通信模塊的協(xié)作更新單元的示意圖；以及圖12為本發(fā)明另一個實施例的無人機可視導航系統(tǒng)中的機間通信模塊的優(yōu)選示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。下面結合圖1-圖6詳細描述本發(fā)明實施例的無人機集群的協(xié)作交互方法。如圖1所示，根據本發(fā)明實施例的無人機集群的協(xié)作交互方法，包括以下步驟步驟S101，無人機集群中的某個無人機確定其通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組。具體地，如圖2所示，無人機集群中的某個無人機判斷是否需要增加協(xié)作的無人機，如果判斷需要增加協(xié)作的無人機，則檢測其通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機，并向通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機發(fā)送協(xié)作請求指令。通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機接收到協(xié)作請求指令，并根據自身的移動和通信狀況判斷是否接受協(xié)作請求， 當判斷自身的移動和通信狀況容許接受協(xié)作請求時，發(fā)送接受協(xié)作請求的指令。然后，發(fā)送協(xié)作請求的無人機根據接收到的接受協(xié)作請求的指令，建立無人機協(xié)作組。如圖3所示，在無人機檢測其通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機之前，通信覆蓋范圍之內的其他無人機可根據自身的通信狀況判斷是否滿足參與協(xié)作任務的要求，如果判斷自身不能參與協(xié)作任務，則不接收所述協(xié)作請求指令。例如，接收協(xié)作請求指令的無人機正在執(zhí)行任務并且由于任務量多，導致通信帶寬受限，不能參加其他協(xié)作組的協(xié)作任務；或者已經快要完成任務并且完成任務后不再繼續(xù)執(zhí)行任務，需要返回，也不能參加其他協(xié)作組的協(xié)作任務；或者無人機判斷如果參與協(xié)作任務，給自身執(zhí)行任務帶來通信負擔。由此，可減少信息冗余。接收到協(xié)作請求指令的無人機根據自身的移動和通信狀況判斷是否接受協(xié)作請求，且在判斷自身的移動和通信狀況容許接收所述協(xié)作請求時，發(fā)送接受協(xié)作請求的指令。 具體地，接收到協(xié)作請求的無人機可根據自身的通信帶寬以及時延等信息判斷是否接收協(xié)作請求。例如，如果接收到協(xié)作請求的無人機的通信帶寬大于預定的閾值，則其滿足條件， 則接受協(xié)作請求并發(fā)送接受協(xié)作請求的指令。需要說明的是，如圖2所示，發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機接收到其通信覆蓋范圍內的無人機返回的接受協(xié)作請求信息后，還可判斷已接受任務協(xié)作的無人機總架數是否達到預定的閾值，如果已接受任務協(xié)作的無人機總架數達到預定的閾值，則無人機停止發(fā)送協(xié)作請求指令，如果已接受任務協(xié)作的無人機總架數未達到預定的閾值，則無人機可調整自身的速度、位置之后，繼續(xù)發(fā)送協(xié)作請求指令。例如，圖4所示的場景中，無人機⑤先判斷已接受任務協(xié)作的無人機總架數為3，包括無人機②、無人機④和自身，根據任務需求預定的需要協(xié)作的無人機總架數閾值為4，則無人機⑤需要調整自身的速度或位置，重新向覆蓋范圍之內的其他無人機發(fā)送協(xié)作請求指令以達到已接受任務的無人機總架數為4。特別地，如圖2所示，如果無人機集群中的某個無人機在其覆蓋范圍內未檢測到符合協(xié)作需求的無人機，則無人機調整自身的速度、位置之后，重新檢測其覆蓋范圍內是否具有符合協(xié)作需求的無人機。例如，在圖4所示的場景中，無人機⑥在其覆蓋范圍內未檢測到符合協(xié)作需求的無人機，則無人機⑥調整自身的速度后，重新檢測符合協(xié)作需求的無人機并向覆蓋范圍之內的無人機發(fā)送協(xié)作請求指令。在本發(fā)明的一個示例中，符合協(xié)作需求的無人機包括具有預定的方位的無人機、 具有預定的速度的無人機、具有預定的相對距離的無人機和具有預定的機載可視傳感設備的無人機。需要說明的是，集群中的某個無人機可能只屬于一個協(xié)作組，也可能屬于多個協(xié)作組。當某個無人機屬于多個協(xié)作組時，其可以選擇不同的協(xié)作組進行相互協(xié)作通信。如圖4所示，無人機②同時屬于協(xié)作組A、B、C，則無人機②可選擇A、B、C組中的任一個協(xié)作組，并且可隨時切換到其他協(xié)作組，也可同時參加多個協(xié)作組。根據可視導航中無人機間建立的協(xié)作路由和可視導航傳輸信息量，為節(jié)約資源， 信道可采用自適應動態(tài)調整的方式。為減小時延，可視導航信息傳輸不容易利用重傳的方法，利用限制延遲重發(fā)的差錯控制方法，使得包的單程傳輸時間小于最大的允許延遲時可選擇是否重發(fā)。為提高協(xié)作效率，減小通信控制復雜度，每個協(xié)作組可建立面向任務的分布式控制協(xié)作方式進行可視導航信息傳輸。步驟S102，確定無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由。步驟S103，根據機間路由的鏈路狀態(tài)信息對無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務。具體地，首先，根據鏈路的服務質量信息，確定加權因子，然后根據鏈路的可用傳輸容量信息和加權因子，確定鏈路的可分配任務量，再根據鏈路的可分配任務量，向無人機協(xié)作組中的無人機分配協(xié)作任務。如圖4所示的場景中，無人機集群中的無人機⑤發(fā)送協(xié)作請求指令，得到已接受協(xié)作請求的無人機④和無人機②，假如，無人機④的可用傳輸容量為100M，但是無人機④可能因為執(zhí)行其他無人機協(xié)作組的協(xié)作任務而導致鏈路服務質量低，或者飛行在惡劣的環(huán)境條件下導致鏈路服務質量低，因此在本發(fā)明的示例中，可根據鏈路的傳輸時延、誤碼率等對鏈路的服務質量進行評分以確定加權因子，例如對無人機④的鏈路的服務質量評分為0. 4， 則加權因子為0. 4，根據加權因子與可用傳輸容量的乘積確定無人機④的可分配的任務量為40。步驟S104，根據無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)，評估鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新無人機協(xié)作組的無人機及其協(xié)作任務。
如圖5所示，首先，判斷路由鏈路性能狀況是否在設定的轉換閾值范圍內，如果鏈路性能狀況在轉換閾值范圍內，根據無人機協(xié)作組中的無人機的運動狀態(tài)，判斷協(xié)作組中的無人機是否可保持其路由通信，保持路由的最長時間可用鏈路生存時間表示，計算公式的示意圖如圖3所示，無人機①當前位置為(Xl，yi，Zl)，速度為(vlx，Vly，vlz)，無人機②當前位置為(X2，y2，h)，速度為(v2x，v2y, v2z)，無人機①和無人機②之間的相對距離用r12表示， 假設無人機的最大覆蓋范圍半徑為R，t為時間，則無人機①和無人機②相對運動且能保持路由的過程，可用下式表示，
rU=Jii^ +Vlx "0-( +V2x - O)2 +((^1 +V1, · )-(J2 +V2y · ))2 +((Z1 +Vlz · -(ζ2 +v2z -t))2 <R其中當等號成立時，t = T1，無人機①和無人機②不能保持路由通信，加入無人機 ①是發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機，則接受協(xié)作請求指令的無人機②退出協(xié)作組并發(fā)送退出協(xié)作信息。另外，發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機還可接受協(xié)作組中無人機的其他退出協(xié)作信息，例如，某架無人機突然接受到緊急任務，則向協(xié)作組的發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機發(fā)送退出協(xié)作信息。如果發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機根據接收的退出信息確定有退出的無人機，則發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機再重新判斷是否需要增加協(xié)作無人機，重新執(zhí)行步驟SlOl至 S104，更新協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。為實現(xiàn)上述實施例，本發(fā)明還提出一種無人機的可視導航系統(tǒng)。如圖7所示，該無人機的可視導航系統(tǒng)包括機間通信模塊1、機載傳感器2、數字地圖發(fā)生器3、圖形圖像模型庫4、綜合信息數據庫5、故障檢測模塊6和可視導航信息融合處理綜合系統(tǒng)7。其中，機間通信模塊1用于無人機之間協(xié)作通信以獲得其他無人機獲取的信息。 機載傳感器2用于獲取無人機工作環(huán)境信息和導航控制信息。數字地圖發(fā)生器3用于產生并存儲與工作地域相關的地圖信息，其中地圖信息用于規(guī)劃無人機的工作導航路線。圖形圖像模型庫4用于存儲圖形圖像模型信息，并根據無人機工作環(huán)境信息更新圖形圖像模型庫以及為數字地圖發(fā)生器4提供工作環(huán)境的視覺信息。綜合信息數據庫5用于存儲當前和歷史的可視導航信息，其中可視導航信息包括無人機工作路線信息、障礙物信息和特征環(huán)境信息。故障檢測6用于檢測無人機可視導航系統(tǒng)的故障?？梢晫Ш叫畔⑷诤咸幚砭C合系統(tǒng)7用于根據機載傳感器2、數字地圖發(fā)生器3、圖形圖像模型庫4、綜合信息數據庫5、故障檢測模塊6和機間通信模塊1提供的信息進行綜合處理，獲得用于控制無人機工作的可視導航信息指令，并為機載傳感器2、數字地圖發(fā)生器3、圖形圖像模型庫4、綜合信息數據庫 5、故障檢測模塊6和機間通信模塊1提供所需的信息，以及協(xié)調機載傳感器2、數字地圖發(fā)生器3、圖形圖像模型庫4、綜合信息數據庫5、故障檢測模塊6和機間通信模塊1的工作。下面結合圖8詳細描述機間通信模塊1。如圖8所示，該機間通信模塊1包括協(xié)作組確定單元100、機間路由確定單元 200、任務分配單元300和協(xié)作更新單元400。其中，協(xié)作組確定單元100用于確定無人機通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組。機間路由確定單元200用于確定無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由。任務分配單元300用于根據機間路由的鏈路狀態(tài)信息對無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務。協(xié)作更新單元400用于根據無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)，評估鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的其協(xié)作任務。具體地，如圖9所示，協(xié)作組確定單元100可包括增加無人機判斷子單元110、協(xié)作請求子單元120、協(xié)作接收子單元130、協(xié)作請求判斷子單元140和無人機協(xié)作組建立子單元150。其中，增加無人機判斷子單元110用于判斷是否需要增加協(xié)作的無人機。協(xié)作請求子單元120用于當增加無人機判斷子單元110判斷需要增加協(xié)作的無人機時，檢測無人機的通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機，并向覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機發(fā)送協(xié)作請求指令。協(xié)作接收子單元130用于接收協(xié)作請求指令。協(xié)作請求判斷子單元140用于根據無人機的移動和通信狀況判斷是否接受協(xié)作請求，且在判斷無人機的移動和通信狀況容許接收所述協(xié)作請求時，發(fā)送接受協(xié)作請求的指令。無人機協(xié)作組建立子單元150用于根據接收到的接受協(xié)作請求的指令，建立無人機協(xié)作組。需要說明的是，機間通信模塊1還可包括協(xié)作無人機總架數判斷單元(圖中未示出)，用于判斷已接受協(xié)作請求的無人機總架數是否達到預定的閾值。如果已接受協(xié)作請求的無人機總架數達到預定的閾值，則協(xié)作請求子單元120停止發(fā)送協(xié)作請求指令；如果已接受協(xié)作請求的無人機總架數未達到所述預定的閾值，則協(xié)作請求子單元120繼續(xù)發(fā)送協(xié)作請求指令。特別地，機間通信模塊1還可包括檢測判斷子單元(圖中未示出)，用于判斷協(xié)作請求子單元120是否檢測到符合協(xié)作需求的無人機，如果未檢測到符合協(xié)作需求的無人機，則調整無人機的速度和位置之后，重新檢測其覆蓋范圍內是否具有符合協(xié)作需求的無人機。特別地，機間通信模塊1還包括可參與協(xié)作組判斷子單元(圖中未示出)，用于根據無人機的通信狀況判斷是否滿足參與協(xié)作任務的要求。如果根據通信狀況判斷無人機不能參與協(xié)作任務，則不接收協(xié)作請求指令。具體地，如圖10所示，任務分配單元300可包括加權因子計算子單元310、任務量確定子單元320和任務分配子單元330。其中，加權因子計算子單元310用于根據鏈路的服務質量信息確定加權因子。任務量確定子單元320用于根據鏈路的可用傳輸容量信息和加權因子，確定鏈路的可分配的任務量。任務分配子單元330用于根據鏈路的可分配的任務量為無人機協(xié)作組中的每架無人機分配協(xié)作任務。具體地，如圖11所示，協(xié)作更新單元400可包括轉換閾值判斷子單元410、退出協(xié)作信息確定子單元420和協(xié)作更新子單元430。其中，轉換閾值判斷子單元410用于判斷路由鏈路性能狀況是否在設定的轉換閾值范圍內。退出協(xié)作信息確定子單元420用于接收退出協(xié)作信息，如果路由鏈路性能狀況在設定的轉換閾值范圍內，根據無人機協(xié)作組中的無人機的運動狀態(tài)，判斷協(xié)作組中的無人機是否可保持其路由通信，確定是否退出協(xié)作并接收無人機發(fā)送的退出信息。退出協(xié)作信息確定子單元420還用于接收協(xié)作組中無人機的其他退出協(xié)作信息。協(xié)作更新子單元430用于根據退出協(xié)作信息重新判斷是否需要增加協(xié)作無人機，并根據判斷結果更新協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。優(yōu)選地，如圖12所示，機間通信模塊1還可包括協(xié)作任務信息傳輸接口單元500、交互控制接口單元600、綜合信息輸入輸出處理單元700和信息控制中心800。其中，協(xié)作任務信息傳輸接口單元500用于協(xié)作任務的傳輸。交互控制接口單元600用于交互控制指令的傳輸。綜合信息輸入輸出處理單元700用于信息或數據的分類、排隊和緩沖。信息控制中心800包括信息交互控制單元810和任務協(xié)同控制單元820，信息交互控制單元810生成無人機之間的信息交互機制，任務協(xié)同控制單元820形成協(xié)作無人機之間的任務協(xié)同策略。根據本發(fā)明實施例的無人機集群的協(xié)作交互方法和無人機的可視導航系統(tǒng)，將無人機任務信息傳輸與協(xié)作交互指令傳輸分開，至少具有以下有益效果(1)實時性好，本發(fā)明有效降低了協(xié)作任務傳輸的時延，特別是協(xié)作可視導航任務中，可視導航需要傳感設備多，數據量大，數據融合處理實時性高，解決了單架無人機載重小，資源有限，信息處理能力有限等問題，并實現(xiàn)無人機集群中可視導航信息及時有效共享，使得每架無人機均能夠自主、實時地規(guī)劃飛行路線。(2)可靠性強，本發(fā)明能實現(xiàn)無人機的可靠避障避險，進行高效、安全工作。(3)通信質量高，本發(fā)明可提高無人機的信息處理效率，在傳輸時延，鏈路穩(wěn)定性和系統(tǒng)資源節(jié)約方面可獲得較好的通信性能，通信質量高。應理解，本發(fā)明的無人機集群的協(xié)作交互方法及無人機不僅適用于本實施例中所述的無人機可視導航協(xié)作任務中，也可用于其他協(xié)作任務環(huán)境。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，包括以下步驟51無人機集群中的某個無人機確定其通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據所述滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組；52確定所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由；53根據所述機間路由的鏈路狀態(tài)信息對所述無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務；54根據所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)評估所述鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新所述無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。
2.根據權利要求1所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述步驟Sl進一步包括511所述無人機集群中的某個無人機判斷是否需要增加協(xié)作的無人機；512如果所述無人機集群中的某個無人機判斷需要增加協(xié)作的無人機，則所述無人機集群中的某個無人機檢測其通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機，并向所述覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機發(fā)送協(xié)作請求指令；513所述通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機接收所述協(xié)作請求指令；514所述接收到協(xié)作請求指令的無人機根據自身的移動和通信狀況判斷是否接受協(xié)作請求，且在判斷自身的移動和通信狀況容許接收所述協(xié)作請求時，發(fā)送接受協(xié)作請求的指令；以及515所述無人機集群的某個無人機根據接收到的接受協(xié)作請求的指令，建立所述無人機協(xié)作組。
3.根據權利要求2所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述符合協(xié)作需求的無人機包括具有預定的方位的無人機； 具有預定的速度的無人機； 具有預定的相對距離的無人機； 具有預定的機載可視傳感設備的無人機。
4.根據權利要求1所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述步驟Sl還包括所述無人機集群中的某個無人機判斷已接受協(xié)作請求的無人機總架數是否達到預定的閾值；如果所述已接受協(xié)作請求的無人機總架數達到所述預定的閾值，則所述無人機集群中的某個無人機停止發(fā)送所述協(xié)作請求指令；如果所述已接受協(xié)作請求的無人機總架數未達到所述預定的閾值，則所述無人機集群中的某個無人機繼續(xù)發(fā)送所述協(xié)作請求指令。
5.根據權利要求1所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述步驟Sl還包括如果所述無人機集群中的某個無人機在其覆蓋范圍內未檢測到符合協(xié)作需求的無人機，則所述無人機集群中的某個無人機調整自身的速度、位置之后，重新檢測其覆蓋范圍內是否具有符合所述協(xié)作需求的無人機。
6.根據權利要求1所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，在步驟S12之前還包括所述通信覆蓋范圍內的無人機判斷自身的通信狀況是否滿足參與協(xié)作任務的要求； 如果所述通信覆蓋范圍內的無人機根據自身的通信狀況判斷自身不能參與協(xié)作任務， 則不接收所述協(xié)作請求指令。
7.根據權利要求1所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述步驟S3進一步包括531根據鏈路的服務質量信息，確定加權因子；532根據鏈路的可用傳輸容量信息和所述加權因子，確定所述鏈路的可分配的任務量；533根據所述鏈路的可分配的任務量，向無人機協(xié)作組中的無人機分配協(xié)作任務。
8.根據權利要求1所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述步驟S4進一步包括541判斷路由鏈路性能狀況是否在設定的轉換閾值范圍內；542如果所述鏈路性能狀況在所述轉換閾值范圍內，則根據所述無人機協(xié)作組中的無人機的運動狀態(tài)，通過以下的公式，判斷所述協(xié)作組中的無人機是否可保持其路由通信，尸12 =+^ix · O - ( + · O)2+((Λ+ · - (y2+^ · )2+((^i +1 · - ( + ·0)2 ^r其中，(Xl，yi，Zl)表示所述協(xié)作組中的某個無人機的當前位置，(vlx, Vly, Vlz)表示所述協(xié)作組中的某個無人機當前速度，(X2，J2, z2)表示所述協(xié)作組中的另一個無人機的當前位置，(v2x, v2y, v2z)表示所述協(xié)作組中的另一個無人機當前速度，r12表示所述協(xié)作組中的兩個無人機之間的相對距離，R表示為所述通信覆蓋范圍的半徑，t表示為時間，當等號成立時，所述協(xié)作組中的無人機不能保持路由通信，則所述協(xié)作組中的無人機退出協(xié)作組，并發(fā)送退出協(xié)作信息；543根據所述退出協(xié)作信息，所述發(fā)送協(xié)作請求指令的無人機重新判斷是否需要增加協(xié)作無人機，并根據判斷結果更新所述協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。
9.根據權利要求8所述的無人機集群的協(xié)作交互方法，其特征在于，所述協(xié)作請求方的無人機接受所述協(xié)作組中無人機的其他退出協(xié)作信息。
10.一種無人機的可視導航系統(tǒng)，其特征在于，包括機載傳感器，用于獲取無人機工作環(huán)境信息和導航控制信息； 數字地圖發(fā)生器，用于產生并存儲與工作地域相關的地圖信息，其中所述地圖信息可用于規(guī)劃無人機的工作導航路線；圖形圖像模型庫，用于存儲圖形圖像模型信息，并根據所述無人機工作環(huán)境信息更新所述圖形圖像模型庫以及為所述數字地圖發(fā)生器提供工作環(huán)境的視覺信息；綜合信息數據庫，用于存儲當前和歷史的可視導航信息，其中所述可視導航信息包括無人機工作路線信息、障礙物信息和特征環(huán)境信息；故障檢測模塊，用于檢測無人機可視導航系統(tǒng)的故障；機間通信模塊，用于無人機之間協(xié)作通信以獲得其他無人機獲取到的信息；和可視導航信息融合處理綜合模塊，用于根據所述機載傳感器、所述數字地圖發(fā)生器、所述圖形圖像模型庫、所述綜合信息數據庫、所述故障檢測模塊和所述機間通信模塊提供的信息進行綜合處理，獲得用于控制無人機工作的可視導航信息指令，并為所述機載傳感器、 所述數字地圖發(fā)生器、所述圖形圖像模型庫、所述綜合信息數據庫、所述故障檢測模塊和所述機間通信模塊提供所需的信息，以及協(xié)調所述機載傳感器、所述數字地圖發(fā)生器、所述圖形圖像模型庫、所述綜合信息數據庫、所述故障檢測模塊和所述機間通信模塊。
11.根據權利要求9所述的無人機，其特征在于，所述機間通信模塊包括協(xié)作組確定單元，用于無人機確定其通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據所述滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組；機間路由確定單元，用于確定所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由； 任務分配單元，用于根據所述機間路由的鏈路狀態(tài)信息對所述無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務；和協(xié)作更新單元，用于根據所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)評估所述鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新所述無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。
12.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述協(xié)作組確定單元進一步包括 增加無人機判斷子單元，用于判斷是否需要增加協(xié)作的無人機；協(xié)作請求子單元，用于當所述增加無人機判斷子單元判斷需要增加協(xié)作的無人機時， 檢測無人機的通信覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機，并向所述覆蓋范圍內符合協(xié)作需求的無人機發(fā)送協(xié)作請求指令；協(xié)作接收子單元，用于接收所述協(xié)作請求指令；協(xié)作請求判斷子單元，用于根據所述無人機的移動和通信狀況判斷是否接受協(xié)作請求，且在判斷所述無人機的移動和通信狀況容許接收所述協(xié)作請求時，發(fā)送接受協(xié)作請求的指令；無人機協(xié)作組建立子單元，用于根據接收到的接受協(xié)作請求的指令，建立所述無人機協(xié)作組。
13.根據權利要求12所述的無人機，其特征在于，所述符合協(xié)作需求的無人機包括 具有預定的方位的無人機；具有預定的速度的無人機； 具有預定的相對距離的無人機； 具有預定的機載可視傳感設備的無人機。
14.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述協(xié)作組確定單元還包括總架數判斷子單元，用于判斷已接受協(xié)作請求的無人機總架數是否達到預定的閾值， 如果所述已接受協(xié)作請求的無人機總架數達到所述預定的閾值，則所述協(xié)作請求子單元停止發(fā)送所述協(xié)作請求指令，如果所述已接受協(xié)作請求的無人機總架數未達到所述預定的閾值，則所述協(xié)作請求子單元繼續(xù)發(fā)送所述協(xié)作請求指令。
15.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述協(xié)作組確定單元還包括檢測判斷子單元，用于判斷所述協(xié)作請求子單元是否檢測到符合協(xié)作需求的無人機， 如果所述協(xié)作請求子單元未檢測到符合協(xié)作需求的無人機，則調整無人機的速度和位置之后，重新檢測其覆蓋范圍內是否具有符合所述協(xié)作需求的無人機。
16.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述協(xié)作組確定單元還包括可參與協(xié)作組判斷子單元，用于根據無人機的通信狀況判斷是否滿足參與協(xié)作任務的要求，如果根據所述通信狀況判斷所述無人機不能參與協(xié)作任務，則不接收所述協(xié)作請求指令。
17.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述任務分配單元進一步包括 加權因子計算子單元，用于根據鏈路的服務質量信息確定加權因子；任務量確定子單元，用于根據鏈路的可用傳輸容量信息和所述加權因子，確定鏈路的可分配的任務量；任務分配子單元，用于根據所述鏈路的可分配的任務量為所述無人機協(xié)作組中的每架無人機分配協(xié)作任務。
18.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述協(xié)作更新單元進一步包括 轉換閾值判斷子單元，用于判斷所述路由鏈路性能狀況是否在設定的轉換閾值范圍內；退出協(xié)作信息確定子單元，用于根據所述轉換閾值判斷子單元的鏈路性能狀況在所述轉換閾值范圍內結果，及所述無人機協(xié)作組中的無人機的運動狀態(tài)，通過以下的公式，判斷所述協(xié)作組中的無人機是否可保持其路由通信，尸12 =+^ix · O - ( + · O)2+((Λ+ · - (y2+^ · )2+((^i +1 · - ( + ·0)2 ^r其中，(Xl，yi，Zl)表示所述協(xié)作組中的某個無人機的當前位置，(vlx, vly, vlz)表示所述協(xié)作組中的某個無人機當前速度，(X2，J2, Z2)表示所述協(xié)作組中的另一個無人機的當前位置，(v2x，v2y, V2z)表示所述協(xié)作組中的另一個無人機當前速度，r12表示所述協(xié)作組中的兩個無人機之間的相對距離，R表示為所述通信覆蓋范圍的半徑，t表示為時間，當等號成立時，所述協(xié)作組中的無人機不能保持路由通信，則接收所述協(xié)作組中的無人機發(fā)送的退出協(xié)作信息；協(xié)作更新子單元，用于根據所述退出協(xié)作信息重新判斷是否需要增加協(xié)作無人機，并根據判斷結果更新所述協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。
19.根據權利要求18所述的無人機，其特征在于，所述退出協(xié)作信息確定子單元還用于接收所述協(xié)作組中無人機的其他退出協(xié)作信息。
20.根據權利要求11所述的無人機，其特征在于，所述機間通信模塊還包括 協(xié)作任務信息傳輸接口，用于傳輸所述任務分配子單元確定的每架無人機的協(xié)作任務；交互控制接口，用于交互控制指令的傳輸； 綜合信息輸入輸出處理模塊，用于信息或數據的分類、排隊和緩沖； 信息控制中心，所述信息控制中心包括信息交互控制單元和任務協(xié)同控制單元，所述信息交互控制單元生成無人機之間的信息交互機制，所述任務協(xié)同控制單元形成協(xié)作無人機之間的任務協(xié)同策略。
全文摘要
本發(fā)明提出一種無人機集群的協(xié)作交互方法及無人機的可視導航系統(tǒng)。其中，無人機集群的協(xié)作交互方法包括以下步驟無人機集群中的某個無人機確定其通信覆蓋范圍內滿足協(xié)作條件的無人機，并根據滿足協(xié)作條件的無人機建立無人機協(xié)作組；確定所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的機間路由；根據所述機間路由的鏈路狀態(tài)信息對所述無人機協(xié)作組中的多架無人機分配協(xié)作任務；根據所述無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)評估所述鏈路狀態(tài)，并根據評估結果更新所述無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務。本發(fā)明的無人機集群的協(xié)作交互方法實時性好，可靠性強，通信質量高，能較好地適應可視導航中的無人機集群通信環(huán)境。
文檔編號G01C21/24GK102393747SQ20111023706
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權日2011年8月17日
發(fā)明者劉慧 , 戴瓊海 申請人:清華大學