仿载波监听机制的无人机集群避障系统及其方法与流程

1.本发明是一种仿载波监听机制的无人机集群避障系统及其方法，属于无人机集群自主控制领域。


背景技术：

2.近年来，随着电子产业的飞速发展，无人机在众多领域都有了广泛的应用，由于执行任务的难度和复杂度的提升，无人机自主集群共同执行任务的模式得到更多的关注。无人机自主集群的优势在于：可以低成本、高度分散的形式满足功能需求；具有分布式群体智慧，可通过分布式投票解决问题，且往往该种方式的正确率更高。
3.鉴于无人机集群所具备的上述优势，无人机集群技术可以显著提高任务的规模、复杂度和完成率。对于无人机集群而言，执行任务时的安全性就显得尤为重要。解决有限空间内的多无人机避障问题，可以为无人机的安全性和执行任务的效率提供更大的保障。发展和完善避障系统成了无人机集群技术的关键。
4.无人机避障是指无人机在移动过程中，当感知到其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法更新路径，避免与障碍物碰撞的一种行为。按避障的对象划分为单无人机避障和无人机集群避障。单无人机模式是一种较为传统的运行模式，避障相对比较容易，算法也相对简单。无人机集群避障则更为复杂，还需要考虑集群中的其他无人机的避碰问题。目前的无人机集群避障方法主要有基于行为法、虚拟结构法和人工势场法三类。基于行为法通常是借鉴仿生学的思想对无人机集群进行控制，每一架无人机的整体控制行为由多个控制作用加权得到；无人机集群整体采用分布式控制，鲁棒性好，缺点是行为模型构建较为复杂，难以保证控制的稳定性。虚拟结构法将无人机集群视为一个刚体的虚拟结构，该方法将每一架无人机都视作虚拟结构中的一个节点，无人机和虚拟结构中的点保持同步运动；这种方法控制的精度高、鲁棒性强，但缺点是集群的灵活性差，不能体现出集群的群智涌现优势。人工势场法是将无人机视为相互吸引或者排斥的球体，根据相邻的无人机的相对距离，提出了吸引力和排斥力两种虚拟力，这种方法具有较强的稳定性，但是灵活性较差，容易陷入局部最小值位置。
5.载波监听机制，是一种允许多个站点设备在同一信道发送信号的协议。由于通道的传播延迟，当两个站点监听到总线上没有存在信号时发送帧，同时站点在传输时间继续监听，一旦发生冲突，就立刻停止发送，并向总线上发送一串短的阻塞报文，通知总线上各站冲突已发生，可以提高总线的利用率。
6.本发明即面向多无人机集群，从集群的安全性和灵活性两方面考虑，发明了一种仿载波监听机制的无人机集群避障系统及其方法，以解决无人机集群作业中个体无人机高独立性和灵活性的工作时的避障问题。


技术实现要素：

7.1.发明目的：
8.本发明提出了一种仿载波监听机制的无人机集群避障系统及其方法，其目的是提供一种高效可行的无人机集群避障方案，在集群中个体自主执行各自任务的同时，使用较小计算资源和通信资源达到避免与有限空间内其他无人机碰撞的目的，同时考虑到无人机集群任务负载的平衡，提高了任务完成的效率和安全性，为无人机集群实现分布式控制提供了保障。
9.2.技术方案：
10.本发明针对无人机集群的空间避障问题，开发了一种仿载波监听机制的无人机集群避障系统，具体如下：
11.该系统基于的无人机硬件结构框架如图1所示，仿载波监听机制的无人机集群避障系统，包括：飞行控制模块、gps模块、蜂鸣器、安全模块、动力模块、电源模块、遥控器远程接收机、遥控器、任务机、无线电设备。其中，飞行控制模块上连接有gps模块、蜂鸣器、安全模块和遥控器远程接收机，并连接了动力模块，通过电信号驱动动力模块实现无人机的运动；任务机上连接有无线电设备和任务载荷(可选)，并且通过通用串口总线与飞行控制模块相连接，向飞行控制模块发送指令。电源模块连接任务机、飞行控制模块和动力模块，为其提供电能。遥控器则通过无线电与连接在飞行控制模块上的接收机进行信号传输，实现飞行控制模块的指令上传。各模块的基本组成和基本功能如下：
12.飞行控制模块，主要包含飞行控制单元和惯性导航系统。飞行控制单元可以接收遥控器或任务机的指令，驱动所述动力模块按照指令执行飞行，也可以设定如自稳、定高、定点、着陆等飞行模式，还可以通过写入脚本文件驱动无人机自主飞行。惯性导航系统通过测量无人机在惯性坐标系的加速度，可以得到在导航坐标系的速度、偏航角和位置等数据。
13.gps模块，通过卫星定位的方式获取导航信息，与飞行控制模块的惯性导航系统得到的位置数据进行数据融合，以提高无人机的定位精度。
14.蜂鸣器，通过各种提示音进行信息提示和报警，提示无人机操纵人员无人机的状态信息，在各种意外或者故障发生时通知无人机操控员进行相应处理。
15.安全模块，在无人机上电时检测无人机各组件是否故障，在无人机运行过程中检测电源电量是否充足等；如果无法满足安全标准，则发送给蜂鸣器信号，通知蜂鸣器进行报警。
16.动力模块，由分电板、电子调速器、电机和螺旋桨组成，是无人机运动的执行模块。分电板将电源模块提供的电流分配给各个电子调速器，电子调速器根据飞行控制模块的信号调节电流大小控制电机的转速，电机和螺旋桨通过转动为无人机提供能量。
17.电源模块，为无人机各个模块提供电能，主要是向动力模块、飞行控制器、任务机以及其他负载供能。
18.遥控器远程接收机，用于接收遥控器信号，并传送给飞行控制模块。
19.遥控器，无人机操控员在基站通过操纵遥控器对无人机进行控制。主要是油门、俯仰角、偏航角和横滚角四个通道的控制，以及自动、引导、定高、定点、自稳和着陆等模式的切换和选择。
20.任务机，即机载任务计算机，用于执行飞行任务解算、向飞行控制模块发送飞行控制指令，以及可以连接其他负载实现更多拓展功能。
21.无线电设备，利用无线电通信技术，实现无人机集群(部分或全部)组网，以实现集
群无人机之间的互联和通信。
22.另一方面，本发明提出了一种仿载波监听机制的无人机集群避障方法，框架如图2所示，具体实现步骤如下：
23.步骤一：任务地图网格化，并给定无人机初始位置
24.根据预设或测量得到的全局地图三维空间信息，将全局地图网格化。
[0025][0026]
其中，a,b,c,d分别为地图西南方向、东南方向、西北方向和东北方向的边界点；lon
a
,lon
b
,lon
c
,lon
d
分别为a,b,c,d四个点的经度值；lat
a
,lat
b
,lat
c
,lat
d
分别为a,b,c,d四个点的纬度值；为地图在经度方向的平均长度；为地图在纬度方向的平均长度；|
·
,
·
|
lon
为计算两点在经度方向上距离的运算符，即r为所选地球模型的半径；|
·
,
·
|
lat
为计算两点在纬度方向上距离的运算符，即|a,b|
lat
＝rsin(|lat
a
‑
lat
b
|)；为地图的基础经度值；为地图的基础纬度值；l为地图在垂直方向的网格数；h
max
为地图的最高高度限制；h
min
为地图最低高度限制；m为地图在经度方向的网格数；n为地图在纬度方向上的网格数；v为无人机的运动步长；lon
i
为在经度方向第i个网格的中心点的经度值；lat
j
为在纬度方向第j个网格的中心点的纬度值；[
·
]
lon
为根据距离差计算经度差的运算符；[
·
]
lat
为根据距离差计算纬度差的运算符；h
k
为在垂直方向第k个网格的中心点的高度值。
[0027]
各个无人机通过自身的gps设备和气压计等获取自身的位置信息，并解算自己所在的网格点位置。
[0028][0029]
其中，n为集群中的无人机个数；x
k
为无人机k在经度方向上的网格坐标值；y
k
为无人机k在纬度方向上的网格坐标值；|
·
|
lon
为根据经度差计算距离的运算符；|
·
|
lat
为根据纬度差计算距离的运算符。
[0030]
步骤二：无人机调整初始位置，并规划运动目标位置
[0031]
无人机根据自己所在的网格点坐标(x
k
,y
k
)，将自己移动到对应的网格点中心位置同时，无人机根据自身的任务需求，规划出下一步运动目标位置，运动目标位置限制为当前位置的上、下、左、右、前、后网格中的任意一个中心位置。网格坐标值与网格中心点位置一一对应。用网格坐标值表示无人机运动信息的公式如下。
[0032]
{(x
t
,y
t
,z
t
)|(x
t
,y
t
,z
t
)∈(x
n
±
1,y
n
,z
n
)∨(x
n
,y
n
±
1,z
n
)∨(x
n
,y
n
,z
n
±
1)}
ꢀꢀꢀ
(3)
[0033]
其中，x,y,z分别为纬度方向网格坐标，经度方向网格坐标，垂直方向网格坐标；下标t表示目标位置，下标n表示当前位置。
[0034]
步骤三：无人机预广播并监听位置数据
[0035]
无人机将自身编号id、当前所在的网格坐标(x
n
,y
n
,z
n
)、目标网格坐标(x
t
,y
t
,z
t
)和移动过的网格数量gnum打包成一条数据帧，按照固定广播频率f
b
向外广播，同时监听并存储其他无人机的位置信息。如果监听到同一编号的无人机发出的数据信息发生了变化，即认为该编号的无人机位置在监听过程中发生了变化，则将旧数据信息丢弃，按照新的数据信息存储。如果无人机超过监听失效时间t0后仍没有收到某一编号的无人机的数据，则将该无人机存储的数据丢弃。其中，
[0036][0037]
以确保不会因通信阻塞导致碰撞。
[0038]
步骤四：无人机判断是否存在碰撞可能
[0039]
无人机广播、监听位置数据t1时间(称t1为第一监听周期)，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九；t1时间后，无人机将自身的目标位置与存储的其他无人机的位置数据(包含当前位置和目标位置)对比。
[0040][0041]
其中,表示如果无人机自身的目标位置与所存储的其他无人机的当前位置数据和目标位置数据并无重合；goto
→
stepv表示转向步骤五；goto
→
stevi表示转向步骤六；当(x
t
,y
t
,z
t
)
i
＝＝(x
n
,y
n
,z
n
)
j
时，即无人机的目标位置与存储的某一编号的无人机的当前位置冲突时，无人机转向步骤六；当(x
t
,y
t
,z
t
)
i
＝＝(x
t
,y
t
,z
t
)
j
时，即两无人机的目标位置发生冲突时，需要先判断两无人机移动过的网格数，网格数小的无人机转向步骤五，网格数大的无人机转向步骤六，如果两无人机移动过的网格数相等，则根据两无人机的编号大小判断，编号小的无人机转向步骤五，编号大的无人机转向步骤六。
[0042]
步骤五：无人机广播并监听位置数据
[0043]
无人机继续广播当前时刻所在的位置数据，并继续监听其他无人机的位置数据，持续时间t2(称t2为第二监听周期)，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九；t2时间之后，再次判断位置冲突情况。
[0044][0045]
其中,表示如果无人机自身的目标位置与所存储的其他无人机的当前位置数据和目标位置数据并无重合；goto
→
stepvii表示转向步骤七；goto
→
steviii表示转向步骤八；当(x
t
,y
t
,z
t
)
i
＝＝(x
n
,y
n
,z
n
)
j
时，即无人机的目标位置与存储的某一编号的无人机的当前位置冲突时，无人机转向步骤八；当(x
t
,y
t
,z
t
)
i
＝＝(x
t
,y
t
,z
t
)
j
时，即两无人机的目标位置发生冲突时，需要先判断两无人机移动过的网格数，网格数小的无人机转向步骤七，网格数大的无人机转向步骤八，如果两无人机移动过的网格数相等，则根据两无人机的编号大小判断，编号小的无人机转向步骤七，编号大的无人机转向步骤八。
[0046]
步骤六：无人机修改、广播并监听位置数据
[0047]
无人机将自身的目标位置修改为自身的当前位置，即令
[0048]
(x
t
,y
t
,z
t
)＝(x
n
,y
n
,z
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0049]
无人机将修改后的位置数据向外广播出去，并继续监听其他无人机的位置数据，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九；t2时间之后，直接转向步骤八。
[0050]
步骤七：无人机执行运动指令
[0051]
无人机将规划的目标位置(x
t
,y
t
,z
t
)对应的经度值lon
t
、纬度值lat
t
和高度值h
t
写入飞行控制模块，驱动无人机向目标位置飞行。将gps设备得到的定位数据和惯性导航系统计算获得的定位数据通过卡尔曼滤波进行融合，当判断当前位置与目标位置的经纬度误差小于设定的允许误差ε
p
且高度误差小于设定的允许高度误差ε
h
时，即
[0052][0053]
认为无人机已经到达目标位置。执行运动指令期间，无人机持续广播自身的当前位置目标位置信息，并继续监听其他无人机的位置信息，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九。
[0054]
步骤八：无人机规划目标位置
[0055]
无人机根据自身的任务需求，规划出下一步运动目标位置，运动目标位置限制为当前位置的上、下、左、右、前、后网格中的任意一个中心位置。然后转向步骤三。
[0056]
步骤九：无人机报告冲突
[0057]
无人机立即停止飞行，并发出相应报警信号，无人机操纵员使用遥控器操纵无人机离开冲突点，到达安全位置后，转向步骤三。
[0058]
步骤十：无人机报告故障
[0059]
无人机如果检测到故障信息，如电池电量无法支持后续任务执行、gps定位设备无信号等，立即发出相应报警信号，无人机操纵员使用遥控器操纵无人机退出任务空间。
[0060]
3.优点及效果：
[0061]
本发明针对无人机集群的空间避障问题，提出了一种仿载波监听机制的无人机集群避障系统及其方法，该系统及其方法的优势主要体现在三点：第一点是该系统是面向复杂任务及作业环境，并且考虑了无人机集群执行任务时的异步性和灵活性，因此对于实际环境下的任务执行场景具有更高的应用价值；第二点是该系统使用简单且独立的通信备，占用通信资源及计算资源极少，不会降低无人机集群执行高实时性任务的能力，也不会影响无人机接受任务机指令和遥控器指令的通信质量；第三点是，该方法仿照载波监听机制，通过无人机集群之间互相共享位置信息，具有极高的避碰避撞效率，为无人机集群执行任务提供保障。
附图说明
[0062]
图1仿载波监听机制的无人机集群避障系统硬件连接关系图
[0063]
图2仿载波监听机制的无人机集群避障方法流程图
[0064]
图3无人机集群搜索示意图
[0065]
图4实例软件结构示意图
[0066]
图5实例无人机集群通信拓扑图
[0067]
图6实例无人机集群飞行作业结果示意图
具体实施方式
[0068]
下面通过具体的实例验证来展示所提仿载波监听机制的无人机集群避障系统及其方法的有效性。在本实例中，设定我方无人机集群有三架无人机，无人机集群的任务设计为搜索区域中的1个地面目标并锁定目标位置。其中，探测器连接在任务机上，作用是搜索目标、返回目标相对无人机的方位指向信息，误差范围约为(
‑
45
°
,45
°
)。采用无人机集群联合完成搜索任务，如图3所示。简单介绍如下：每架飞机的探测器是四路天线互相垂直的结
构，测向精度为90
°
，若测到信号，则将该方向
±
45
°
范围内的网格信息素加1，在考虑探测范围及场地边界限制后，能交叠出一个区域，如图3阴影部分所示。这个区域内的信息素浓度最高，飞机将向着往该区域飞行，但飞行遵循每次只挪动临近一个网格的规则，每走一步则重复上述操作。
[0069]
仿载波监听机制的避障方法与搜索任务的相关执行代码编写在一个ros软件中，程序结构如图4所示。无人机集群机间通讯的网络拓扑如图5所示。该实例的具体执行步骤与结果如下。
[0070]
步骤一：任务地图网格化，并给定无人机初始位置。
[0071]
地图西南方向、东南方向、西北方向和东北方向的边界点a,b,c,d的经纬度坐标分别为118.5581673
°
，31.8432191
°
、118.5600377
°
，31.8425405
°
、118.5598815
°
，31.8465239
°
和118.5617517
°
，318458884
°
。地图在垂直方向的网格数l为1，最高高度限制h
max
为15米，最低高度限制h
min
为5米，经度方向的网格数m为10，纬度方向的网格数n为5，无人机的运动步长v为10米。三架无人机(id分别为0，1，2)的初始网格坐标(x
id
,y
id
)分别为(0,1)、(1,1)和(4,1)。其余参数通过公式(1)计算获得。
[0072]
步骤二：无人机调整初始位置，并规划运动目标位置
[0073]
无人机根据自己所在的网格点坐标(x
k
,y
k
)，将自己移动到对应的网格点中心位置。并根据本机的探测器信息，采用信息素机制规划出下一步的运动目标位置。三架无人机(id分别为0，1，2)的目标网格坐标分别为(0,2,1)、(1,2,1)和(4,2,1)。
[0074]
步骤三：无人机预广播并监听位置数据
[0075]
无人机按照以下格式广播并监听位置数据。因为在本示例中，高度层只有一层，因此在广播数据时，不传递高度层信息。
[0076]
stxuav
‑
idcurrent rowscurrent columns1byte1byte1byte1byte
[0077][0078][0079]
注：
[0080]
01)stx:帧头(0xfe)
[0081]
02)uav
‑
id:无人机编号(从1开始)
[0082]
03)current rows:当前网格行编号(从0开始)
[0083]
04)current columns:当前网格列编号(从0开始)
[0084]
05)waypoint rows:目标网格行编号(从0开始)
[0085]
06)waypoint columns:目标网格列编号(从0开始)
[0086]
07)grid number:移动过的网格数量
[0087]
08)latitude:当前纬度值(
×
107)
[0088]
09)longitude:当前经度值(
×
107)
[0089]
10)altitude:当前相对高度值(单位:米)
[0090]
11)orientation:探测器侧向结果(单位:度)
[0091]
12)antenna:四路探测器信号强度(顺序为:东南西北)
[0092]
13)checksum:通用校验和计算结果
[0093]
固定广播频率f
b
为5hz,监听失效时间为2秒，满足公式(4)的条件，确保不会因通信阻塞导致碰撞。
[0094]
步骤四：无人机判断是否存在碰撞可能
[0095]
无人机广播、监听位置数据的第一监听周期t1时间为5秒，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九；t1时间后，无人机将自身的目标位置与存储的其他无人机的位置数据(包含当前位置和目标位置)对比。按照公式(5)进行决策。
[0096]
步骤五：无人机广播并监听位置数据
[0097]
无人机继续广播原来的位置数据，并继续监听其他无人机的位置数据，第二监听周期t2时间为3秒。如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九；t2时间之后，再次判断位置冲突情况。按照公式(6)进行决策。
[0098]
步骤六：无人机修改、广播并监听位置数据
[0099]
无人机将自身的目标位置修改为自身的当前位置，并将修改后的位置数据向外广播出去，并继续监听其他无人机的位置数据，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九；t2时间之后，直接转向步骤八。
[0100]
步骤七：无人机执行运动指令
[0101]
无人机将规划的目标位置(x
t
,y
t
,z
t
)对应的经度值lon
t
、纬度值lat
t
和高度值h
t
写入飞行控制器，驱动无人机向目标位置飞行。将gps设备得到的定位数据和惯性导航系统计算获得的定位数据通过卡尔曼滤波进行融合，根据公式(8)判断无人机是否到达目标位置。执行运动指令期间，无人机持续广播自身的当前位置目标位置信息，并继续监听其他无人机的位置信息，如果监听到其他无人机的当前位置与本机的当前位置重合，则转向步骤九。
[0102]
步骤八：无人机规划目标位置
[0103]
无人机根据自身的任务需求，规划出下一步运动目标位置，运动目标位置限制为当前位置的上、下、左、右或当前网格中的任意一个中心位置。然后转向步骤三。
[0104]
步骤九：无人机报告冲突
[0105]
无人机立即停止飞行，并发出相应报警信号，无人机操纵员使用遥控器操纵无人机离开冲突点，到达安全位置后，转向步骤三。
[0106]
步骤十：无人机报告故障
[0107]
无人机如果检测到故障信息，如电池电量无法支持后续任务执行、gps定位设备无信号等，立即发出相应报警信号，无人机操纵员使用遥控器操纵无人机退出任务空间。
[0108]
本实施例根据飞行数据导出的结果示意见图6。无人机0在(0,5)网格位置时规划前往(1,5)网格，与当时的无人机1位置冲突，因此悬停在(0,5)网格；在(0,6)网格位置时规划前往(1,6)网格，与当时的无人机1位置冲突，因此悬停在(0,5)网格。以上两次冲突消解案例均验证了仿载波监听机制的避障方法在集群作业时的有效性。