無人機協(xié)同對地覆蓋系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無人機技術領域，具體是一種無人機協(xié)同對地覆蓋系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 無論在軍事領域還是民用領域，無人機都有著很大的應用價值和廣泛的應用前 景。對地覆蓋任務是無人機的一類重要應用，例如無人機海上搜救、無人機航空攝影測量、 生態(tài)監(jiān)測等。傳統(tǒng)對地覆蓋任務通常是通過半自動的方式確定航帶節(jié)點規(guī)劃航線，飛行過 程中采用等時間間隔曝光的方式用一架飛機對某一目標區(qū)域進行完全覆蓋。這樣的方法覆 蓋范圍較小，系統(tǒng)魯棒性較差，在航測任務中容易產生漏片，重疊度誤差大等問題。因此亟 需一種集成了空間定位的目標規(guī)劃方法，以"一站多機"的方式實現無人機協(xié)同對地覆蓋。
[0003] 由于早年間定位技術的限制，大多數航測航線規(guī)劃系統(tǒng)采用等時間間隔曝光的方 法采集數據，這往往會帶來重疊度的不準確、數據冗余等問題。隨著空間定位技術的進步， 航測曝光點以及任務點可以實時精確地獲得。一種以完成預定的戰(zhàn)術或戰(zhàn)略任務為目標， 以智能化信息處理技術和通信技術為核心的智能化武器裝備一一無人機，在高科技條件下 的現代戰(zhàn)場上嶄露頭角，開始發(fā)揮主導作用。到目前為止，約有32個國家和地區(qū)正在研發(fā) 或制造250余種無人機型號，而其中80余種型號在41個國家中服役。
[0004] 但是，由于單個無人機所能攜帶的傳感器數量有限，其執(zhí)行任務的能力受到相應 的限制，比如單個無人機無法同時從多個角度觀察或監(jiān)測目標區(qū)域，而多個無人機組成編 隊協(xié)同完成任務的能力相比單個無人機增強很多，能夠完成單個無人機無法完成的高精度 定位、協(xié)同測繪等復雜任務。此外，由于各平臺小而分散，敵人難以全部定位和摧毀，即使單 個平臺損毀，整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的性能受影響較小。因此，無人機的協(xié)同偵查已成為各國軍用無 人機的研究熱點與發(fā)展重點。按照美國防部《2011~2036無人系統(tǒng)綜合路線圖》定義，有 人-無人編隊是指有人與無人系統(tǒng)為執(zhí)行相同任務而建立的整體編隊，通過平臺互操作和 資源共享控制，以達成共同的任務目標。
[0005] 美國空軍研究實驗室在無人機任務分配研究中建立了帶時間窗的不同能力約束 車輛路徑問題模型，并將其應用于"全球鷹"無人機和"捕食者"無人機的偵察任務規(guī)劃問 題建模。除了無人機技術領先的美國，以色列開發(fā)的"蒼鷺TP"這種典型的電子戰(zhàn)無人機， 也具備一定的協(xié)同偵查與作戰(zhàn)能力。因此，在各國爭相發(fā)展無人機協(xié)同偵查技術的今天，我 國也應繼續(xù)深入開展相關研究工作。
[0006] 在軍事上，無人機協(xié)同探測系統(tǒng)可以分為"無人機協(xié)同探測系統(tǒng)"、"無人機與預警 機協(xié)同探測系統(tǒng)"以及"無人機與戰(zhàn)斗機偵打一體化系統(tǒng)"。單平臺無人機系統(tǒng)目前主要 用于偵察成像，攜帶的載荷有可見光照相機、電視攝像機、合成孔徑雷達、光電設備和紅外 線傳感器等，除了實時圖像外，相關數據通過后期處理可以生成戰(zhàn)場數字地面模型、正射影 像、數字地表模型等測繪產品，為信息化條件下戰(zhàn)場偵查、作戰(zhàn)參謀提供有力支持。隨著網 絡化作戰(zhàn)不斷發(fā)展，各種數據鏈的廣泛應用，無人機的應用方式正在向網絡化協(xié)同作戰(zhàn)方 向發(fā)展。
[0007] 無人機對地覆蓋方法主要解決的問題是"如何自動規(guī)劃最優(yōu)的航線以獲取全面的 地表數據"。對地覆蓋算法大致可以分為基于的模型、T函數模型以及Beasley-Type模型。 作為一個NP完全問題，其理論研究仍不成熟，主要問題集中于CPR算法結合航測需求的約 束控制以及與協(xié)同算法的整合。因此，對地覆蓋算法的深入研究對于實現無人機單體或者 無人機群協(xié)同對地觀測具有決定性意義。
【發(fā)明內容】
[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種無人機協(xié)同對地覆蓋系統(tǒng)，解決了航帶中曝光點位置 偏差過大、單架無人機對地覆蓋效率相對較低，魯棒性較差、航帶間路徑不滿足飛行條件的 問題。
[0009] 為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0010] 無人機協(xié)同對地覆蓋系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)，所述硬件系統(tǒng)由無人機群、地面站、通 訊模塊和GPS參考站組成；所述地面站與無人機群之間通過通訊模塊和GPS參考站進行通 訊；所述地面站包含地面控制系統(tǒng)，所述地面控制系統(tǒng)由遙控子系統(tǒng)、遙測子系統(tǒng)和地理信 息子系統(tǒng)組成；所述遙控子系統(tǒng)負責指令采集與指令上傳，指令采集分為人為介入的指令 和通過協(xié)同覆蓋算法自動計算下達的指令，指令上傳為將采集到的指令通過通訊模塊實現 下達到無人機并實現一站多機的控制；所述遙測子系統(tǒng)負責任務分配、航線規(guī)劃與數據接 收；所述地理信息子系統(tǒng)負責下傳圖像數據的預處理、遙測數據的疊加以及提供基礎空間 數據。
[0011] 作為本發(fā)明進一步的方案：所述地面站采用的是便攜式加固計算機。
[0012] 作為本發(fā)明進一步的方案：所述通訊模塊為無線數據鏈收發(fā)器，地面站與無人機 群之間通過無線數據鏈收發(fā)器以半雙工無線數據鏈的方式進行圖傳與遙控數據的通訊，無 線數據鏈收發(fā)器通過串口實現與便攜式加固計算機的通訊。
[0013] 作為本發(fā)明進一步的方案：所述GPS參考站為GNSS接收機，地面站與無人機群之 間通過GNSS收發(fā)機與無人機機載定位系統(tǒng)差分實現高精度實時定位，GNSS收發(fā)機通過USB 與便攜式加固計算式相連。
[0014] 作為本發(fā)明進一步的方案：所述便攜式加固計算機為便攜式加固平板電腦，地面 人員通過該便攜式加固平板電腦對無人機群航測全過程進行實時監(jiān)測與控制。
[0015] 作為本發(fā)明進一步的方案：通過遙測子系統(tǒng)能實時查看與記錄無人機群下傳的相 關飛行與航測參數。
[0016] 作為本發(fā)明進一步的方案：所述遙測子系統(tǒng)中采用了協(xié)同對地覆蓋算法，通過遙 控子系統(tǒng)實現對無人機群進行任務分配以及控制。
[0017] 作為本發(fā)明進一步的方案：所述協(xié)同對地覆蓋算法采用的協(xié)同對地覆蓋模型由三 個子問題組成，分別為分區(qū)問題、定點問題以及定線問題。
[0018] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 本發(fā)明解決了以下幾個技術問題：
[0020] 1.解決航帶中曝光點位置偏差過大。
[0021] 傳統(tǒng)的對地覆蓋航線規(guī)劃算法只具有航帶端點的位置，航帶間采用等時間間隔曝 光，當飛機羅盤收到干擾、風速過大等問題時會造成曝光點誤差過大進而導致航測數據不 滿足要求而無效。通過采用新的航線規(guī)劃算法，使得滿足一定重疊度約束的航線包含每個 曝光點的精確位置。
[0022] 2.解決單架無人機對地覆蓋效率相對較低，魯棒性較差。
[0023] 本發(fā)明采用多架無人機協(xié)同對地覆蓋的方法代替原有的單架無人機對地覆蓋。系 統(tǒng)可以通過合理分配測區(qū)并統(tǒng)一規(guī)劃路徑的方式保證不同無人機獲取的數據可以統(tǒng)一處 理，不出現漏片、漏測等問題。提升了原有系統(tǒng)的效率。當無人機群中部分飛機失控或者受 損時，其余飛機在滿足續(xù)航條件下可以重新規(guī)劃航線并進行補位，保障數據的完整性與安 全性。提升了原有系統(tǒng)的魯棒性。
[0024] 3.解決航帶間路徑不滿足飛行條件。
[0025] 傳統(tǒng)的對地覆蓋航線采用簡單多段線連接任務點，在航帶間轉換時往往由于巡航 速度過大或者轉彎半徑過小而無法轉彎，造成無人機原地盤旋或者受損等情況。本發(fā)明首 次將Dubins路徑引入航線規(guī)劃中，將航帶間轉彎路徑轉變?yōu)榍蔬B續(xù)的可飛行路徑，解決 了之前系統(tǒng)遇到的相關問題。
[0026] 本發(fā)明的核心問題是"如何通過空間定位的集成并利用空間規(guī)劃分析方法解決無 人機協(xié)同對地覆蓋的控制問題"。通過地面控制系統(tǒng)完成無人機協(xié)同對地覆蓋任務，可以大 大增強無人機遙感與攝影測量的效率、靈活性與可靠性。除了航空攝影測量，協(xié)同對地覆蓋 系統(tǒng)還可以應用于災害應急測繪、海上搜索救援、協(xié)同農械作業(yè)等方面，具有很強的應用價 值與發(fā)展?jié)摿Α?br>[0027] 本發(fā)明可以大幅提升作業(yè)效率。在同等續(xù)航條件下，多機協(xié)同并行作業(yè)相比原先 單機作業(yè)可以大幅提升航測