一种基于无线激光通讯技术的无人机蜂群编队方法与流程

1.本发明属于本发明属于无人机控制与编排技术领域，尤其涉及一种基于无线激光通讯技术的无人机蜂群编队方法。


背景技术：

2.无人驾驶飞机简称无人机(unmanned aerial vehicle)，是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空飞行器。作为空间数据获取的重要手段之一，无人机具有机动灵活、快速反应、无人飞行、操作要求低、搭载多类传感器、影像实时传输、高危地区探测、综合效益高等优点，是卫星遥感与传统航空遥感方式的有力补充。
3.无人机作为现代高科技装备之一，其在军事和民用中的独特作用已经越来越受到重视，而无人机相关的技术在经历了几十年的发展和积累，也日趋成熟。但是，单体无人机作为小型设备由于受到体积、自身供给以及飞行环境等等因素的限制，功能和效用始终存在一定的瓶颈，为了满足未来复杂任务和恶劣环境带来的挑战，无人机编队飞行作为无人机合作化发展方向的一个重要内容就被越来越多的研究与探讨。无人机编队飞行，即多架无人机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。相比单机系统，无人机编队能够更好的发挥多个无人机的优势，任务处理的能力也更强。但是不管是无人机单机执勤还是多机编队，都需要无人机系统有一定强度的抗干扰性能，由于无人机上可装配的设备有限，单机的抗干扰性能经常会难以满足需求，因此研究如何发挥多机编队情况下的系统抗干扰优势就有着重大意义。
4.专利102591358a公开了一种多无人机的动态编队控制方法，解决了传统的虚拟结构方式编队控制对通信质量要求较高的缺点，引入了基于行为的编队控制方法，降低了对编队无线数据链更新率的要求，增强了无人机群编队的避障能力；且本发明针对传统基于行为方式的编队控制编队刚性保持不好的缺点，引入了虚拟结构作为参考。在保持队形相对稳定的前提下，增强微小型无人机在未知环境下规避障碍物和威胁的能力。
5.专利103324830a公开了一种多无人机编队划分方法，依次获得空战各个目标态势信息数据，并进行标准化处理；初始化隶属矩阵，使其满足约束条件，计算聚类中心从而对无人机的编队进行划分，该专利主要是对无人机编队方法进行理论分析。
6.专利103777638a公开了一种多无人机网络编队的一致性控制方法，获取多无人机间的关于气动耦合的参数，基于该参数建立无人机间气动耦合模型，并根据气动耦合模型和多机动力学模型建立多无人机网络编队运动模型，基于多无人机网络编队运动模型的受控变量，提取所述多无人机网络编队运动模型的受控模型,并运用动态逆控制器将该受控模型化简为弱非线性的受控模型，建立一致性控制器，并基于一致性控制器对该弱非线性的受控模型进行一致性控制。该专利在无人机编队建模时考虑到机间气动耦合的影响，使得编队模型符合实际情况，采用动态逆和一致性控制降低模型的复杂性和非线性，实现了一致性控制的需求。
7.专利104571131a公开了一种无人机编队分布式协作系统及其抗干扰方法，该专利涉及的无人机编队系统包括多台无人机及用于管理前述多台无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，基站内设置有自检系统，该自检系统能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作，多台无人机根据基站的派遣指令执行飞行及既定分编任务，从而使前述多台无人机协同完成同一既定目标任务，该既定目标任务即为前述多台无人机完成的既定分编任务的融合，执行飞行及既定分编任务的多台无人机在飞行期间，选择排列成直线阵列或圆形阵列或矩形阵列进行列队飞行，该系统抗干扰能力较强。
8.无人机在编队过程中抗干扰性是需要考虑的重要因素之一。现有的通信抗干扰思路，主要包括增强通信系统的处理增益、发射功率以及天线增益这三种情况。其中前两者分别是通过实现扩频技术和信源与信道编码技术来达到抗干扰的目的，这类方法已经比较成熟，但其处理过程在很大程度上增加了通信系统的运算强度。而无人机系统由于具备小型化的特点，硬件条件的瓶颈使其在运算能力上有限，短期内难以很好的实现这些方法，所以并不是现阶段应该着重考虑的方向。而对于无人机系统的天线设计，一般均采用固定天线阵列的设计方式，虽然设计难度不高，但是天线适应性不强，对不同通信环境很难做出调整。


技术实现要素：

9.本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种基于无线激光通讯技术的应用方便，抗干扰能力强的无人机蜂群编队方法。
10.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
11.一种基于无线激光通讯技术的无人机蜂群编队方法，其特征在于，包括以下步骤一：
12.(1)在预设区域内部署n架无人机，n≥2(n为整数)；所述的n架无人机包含有一架长机和至少一架僚机；
13.(2)确定无人机的长机以及备份长机(备份长机从僚机中指定)；
14.(3)指定无人机蜂群编队姿态，将无人机蜂群编队姿态信息调制到长机激光发射模块的激光束上；
15.(4)长机的激光发射模块发射信息激光束将预设的无人机蜂群编队姿态信息分别传送到各个僚机，僚机接收到长机发出的信息激光束后有序地向指定队形进行编队。
16.根据本发明提供的技术方案中，步骤(1)中所述长机包括有激光发射模块、激光调制器、飞行控制系统和故障检测系统组成。
17.所述激光发射模块由反光镜、转台和激光发射器构成，所述激光发射器用于发射激光束安装于反光镜的前方，激光发射器的激光发射方向对准反光镜，转台位于激光发射器的下端，转台可以逆时针/顺时针匀速旋转，反光镜与转台平面垂直方向上下移动，改变激光的纵向发射方向。
18.所述激光调制器是将地面站的信号信息调制到激光束上。
19.所述飞行控制系统由三维姿态数据的航姿传感器、实时提供无人机三维位置及时间数据的gps定位系统、实时提供无人机状态数据的状态传感器、从无人机地面监控系统接
收遥控指令并发送遥测数据的机载微波通讯数据链、控制无人机完成自动导航和任务计划的飞行控制计算机组成。
20.所述故障检测系统与长机激光发射模块相连，受地面站控制，当地面站检测到无人机编队出现故障时，则发送信号到故障检测系统，故障检测系统切断激光发射模块运行，长机脱离对各僚机的控制，并同时对长机发送返航指令。
21.根据本发明提供的技术方案中，步骤(1)中僚机包括有激光信号接收检测模块和飞行控制系统组成。
22.所述激光信号接收检测模块包括有信号解码器、放大器、单片机、继电器驱动组成，激光信号接收检测模块在接收到激光信号后对激光信号进行放大整形，在单片机中通过解码器将信号解码转变为数据指令，经由单片机发出数据指令控制继电器对无人机进行控制。
23.所述僚机中的飞行控制系统与激光信号接收检测模块中单片机相连，飞行控制系统接收单片机发出数据指令后进行飞行姿态和位置信息的排列。
24.根据本发明提供的技术方案中，步骤(2)中备份长机从僚机中指定，备份长机具有长机与僚机共有的性能，在长机正常运行时，备份长机的激光发射模块关闭，当长机的激光信息传输出现故障时，长机受故障检测系统指令切断激光信号接收检测模块运行开始返航，通过地面站控制启动备份长机中的激光发射模块，则备份长机取代了长机的位置，各僚机重新按指令编队。
25.根据本发明提供的技术方案中，步骤(3)无人机编队信息调制到激光束包括步骤二：
26.(a)地面站发送负载了无人机编队信息的无线数据信号给长机飞行控制系统，飞行控制系统接收到数据信号后将其传输到无人机的激光调制器。
27.(b)激光调制器将数据信号转化为二进制串行信号形式，接着转换为内部逻辑电平送入激光发送端口。
28.根据本发明提供的技术方案中，步骤(4)无人机蜂群编队姿态信息分别传送到各个僚机步骤三：
29.(3a)地面站发送的信号经由激光调制器调制为符合激光发送要求的信号后，将其传送到激光发射模块的激光发射器。
30.(3b)激光发射器向反光镜发送负载编队信息的激光束，发光镜垂直于转台作上下运动，转台作360度旋转，发光镜将信息激光发射后对编队的各僚机作360度扫描，将信息激光发送到各僚机。
31.本发明的有益效果是：本发明采用无线激光通讯技术来控制无人机的编队，整个系统结构简单，易于控制且激光通讯具有大通信容量、高传输速率、高隐蔽性、高抗电磁干扰能力。本发明的无人机编队系统，无人机在执行任务过程中，飞行阵列为可变阵列，根据长机激光发射的信息激光束，无人机可实时进行队列变换，包括圆形阵列、直线阵列和矩形阵列等。该系统中长机与僚机之间通过无线激光进行控制，减少了传统电磁波传输数据信息过程中不稳定和易干扰的缺陷，极大提高了抗干扰能力。
附图说明
32.图1是本发明无线激光通讯技术的无人机蜂群编队示意图；
33.图2是本发明发射和接收激光信号的原理图；
34.图3本发明长机与僚机编队后的位置图；
具体实施方式
35.下面将结合本发明附图和具体技术方案，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利保护的范围。
36.实施例1
37.如图1本发明无线激光通讯技术的无人机蜂群编队示意图所示，一种基于无线激光通讯技术的无人机蜂群编队方法，包括以下步骤一：
38.(1)在预设区域内部署n架无人机，n≥2(n为整数)；所述的n架无人机包含有一架长机和至少一架僚机；
39.(2)确定无人机的长机以及备份长机(备份长机从僚机中指定)；
40.(3)指定无人机蜂群编队姿态，将无人机蜂群编队姿态信息调制到长机激光发射模块的激光束上；
41.(4)长机的激光发射模块发射信息激光束将预设的无人机蜂群编队姿态信息分别传送到各个僚机，僚机接收到长机发出的信息激光束后有序地向指定队形进行编队。
42.所述步骤(1)中所述长机包括有激光发射模块、激光调制器、飞行控制系统和故障检测系统组成。
43.所述激光发射模块由反光镜、转台和激光发射器构成，所述激光发射器用于发射激光束安装于转台上反光镜的前方，激光发射器的激光头发射方向对着反光镜，转台位于激光发射器的下端，转台可以逆时针/顺时针匀速旋转，反光镜与转台平面垂直方向上下移动，改变激光的纵向发射方向。
44.所述激光调制器是将地面站的信号信息调制到激光束上。
45.所述飞行控制系统由三维姿态数据的航姿传感器、实时提供无人机三维位置及时间数据的gps定位系统、实时提供无人机状态数据的状态传感器、从无人机地面监控系统接收遥控指令并发送遥测数据的机载微波通讯数据链、控制无人机完成自动导航和任务计划的飞行控制计算机组成。
46.所述故障检测系统与长机激光发射模块相连，受地面站控制，当地面站检测到无人机编队出现故障时，则发送信号到故障检测系统，故障检测系统切断激光发射模块运行，长机脱离对各僚机的控制，并同时对长机发送返航指令。
47.所述步骤(1)中僚机包括有激光信号接收检测模块和飞行控制系统组成。
48.所述激光信号接收检测模块包括有信号解码器、放大器、单片机、继电器驱动组成，激光信号接收检测模块在接收到激光信号后对激光信号进行放大整形，在单片机中通过解码器将信号解码转变为数据指令，经由单片机发出数据指令控制继电器对无人机进行控制。
49.所述僚机中的飞行控制系统与激光信号接收检测模块中单片机相连，飞行控制系统接收单片机发出数据指令后进行飞行姿态和位置信息的排列。
50.所述步骤(2)中备份长机从僚机中指定，备份长机具有长机与僚机共有的性能，在长机正常运行时，备份长机的激光发射模块关闭，当长机的激光信息传输出现故障时，长机受故障检测系统指令切断激光信号接收检测模块运行开始返航，通过地面站控制启动备份长机中的激光发射模块，则备份长机取代了长机的位置，各僚机重新按指令编队。
51.实施例2
52.如图2本发明发射和接收激光信号的原理图和图3长机与僚机编队后的位置图所示，僚机在接收到激光信号后按激光信号指令进行编队，各僚机之间，僚机与长机之间保持相对的三维空间位置，激光信息发射和接收及无人机编队步骤为
53.(a)地面站发送负载了无人机编队信息的无线数据信号给长机飞行控制系统，飞行控制系统接收到数据信号后将其传输到无人机的激光调制器。
54.(b)激光调制器将数据信号转化为二进制串行信号形式，接着转换为内部逻辑电平送入激光发送端口。
55.(c)地面站发送的信号经由激光调制器调制为符合激光发送要求的信号后，将其传送到激光发射模块的激光发射器。
56.(d)激光发射器向反光镜发送负载编队信息的激光束，发光镜垂直于转台作上下运动，转台作360度旋转，发光镜将信息激光发射后对编队的各僚机作360度扫描，将信息激光发送到各僚机。
57.编队后，其中长机与僚机在惯性坐标中的几何运动关系为：
[0058][0059]
僚机与长机在惯性坐标系中的相对位置关系为：
[0060][0061][0062]
式中，i＝(c,l),vc为长机的飞行速度，v
l
为僚机的飞行速度，x，y分别为长机与僚机之间的纵向距离和横向距离，θc和θ
l
为无人机之间相对于x轴方向的夹角即航线。
[0063]
式(3)为无人机编队的队形位置保持算法，x,y和|θ
l-θc|约束在一定的范围内可保持无人机编队队形不变，无人机在变化编队队形时无人机之间需交换相对距离和航线。
[0064]
步骤(a)所述地面站发送负载了无人机编队的信息包括有长机与僚机之间的相对位置信息，僚机与僚机之间的位置信息，指定长机飞行方向与x轴夹角θc，和僚机飞行方向与x轴夹角θ
l
信息，指定长机的飞行速度vc，僚机的飞行速度v
l
信息。
[0065]
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。