CN106919183B - 统一控制的多功能无人机群组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种统一控制的多功能无人机群组，该无人机群组具有多个无人机，每个无人机上搭载不同的工作装置，从而在执行不同的任务时可以选择不同的无人机，由于携带的工作装置较少，成本较低，即使遇到意外而损毁，经济损失也在可控的范围内，并且通过ZigBee无线模块进行数据信息的传递，其中，多个ZigBee无线模块构成了组网，实现利用单一设备通过数据传输模块对数个无人机进行操控，节省了操控多个无人机时带来的人力物力成本。

Description

统一控制的多功能无人机群组

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种具有多种功能的多架无人机系统，尤其是一种统一控制的多功能无人机群组。

背景技术

随着传感器及智能硬件技术的发展，无人机控制技术在近几年有了很快的发展，无人机的智能操控方法也越来越多样化。目前，无人机操控方式主要有三种：一种是通过遥控器实现对无人机的控制，这种控制方式需要操作者有较强的操作技巧，同时操作比较繁琐容易使操纵者疲惫，成本较高且在无人机数量较多时遥控器成本和人力成本更多；第二种是通过电脑安装的无人机地面站控制软件实现对无人机的控制，操作过程中需要电脑、鼠标键盘等设施，体积较大、不便移动且在需要控制的无人机数量较多时对电脑的处理器性能要求也会相应提高；第三种是通过智能移动终端来实现对无人机的控制的方式，但是这种方式大多需要网络的支持，在网络覆盖不好的区域无法使用。

综上，现有技术中无人机控制方式存在成本高、操纵性差以及操作范围受限的问题。

另外，在实际工作中，无人机因故损毁的事例经常发生，尤其是在环境比较恶劣的区域作业时，无人机的安全性一般难以保证；需要无人机执行的任务也是多种多样的，从设备成本的角度考虑，如果仅仅为了测量某一地区的温度信息，无人机上只携带温度传感器即可，其设备成本会很低，即使损坏、丢失了，损失也是可承受的，如果需要获得某一区域的图像信息，再将带有摄像装置的成本更高的无人机派出去执行任务即可，所以如果将多个传感器分布在不同的无人机上，分别控制，分别去执行不同的任务，能够大大降低成本，并且降低无人机损毁时遭受的经济损失，但是目前现有技术中还没有相关的记载，其所面临的技术问题主要包括多个无人机操作控制比较困难，根据目前的无人机控制系统和方法不能同时对多个无人机进行控制。

由于上述原因，本发明人对现有的无人机及无人机控制系统做了深入研究，设计出一种能够解决上述问题的统一控制的多功能无人机群组。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种统一控制的多功能无人机群组，该无人机群组具有多个无人机，每个无人机上搭载不同的工作装置，从而在执行不同的任务时可以选择不同的无人机，由于携带的工作装置较少，成本较低，即使遇到意外而损毁，经济损失也在可控的范围内，并且通过ZigBee无线模块进行数据信息的传递，其中，多个ZigBee无线模块构成了组网，实现利用单一设备通过数据传输模块对数个无人机进行操控，节省了操控多个无人机时带来的人力物力成本，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种无人机群组，该无人机群组包括多架无人机和统一控制所述多架无人机的控制系统1，其中，在每架无人机上都搭载有工作装置，所述多架无人机都具有互不相同的编号，

所述控制系统1包括指令输入装置2、微处理装置3和地面信号收发装置5；

所述指令输入装置2用于向所述控制系统1中输入需要执行的任务指令，

所述微处理装置3中预存有无人机信息，所述无人机信息包括无人机的编号和每个编号所对应的无人机上搭载的工作装置种类；所述微处理装置3接收由指令输入装置2输入的任务指令信息，

所述微处理装置3用于根据接收到的信息生成控制指令；

地面信号收发装置5用于将微处理装置3生成的控制指令传递给无人机。

其中，每架无人机上搭载的所述工作装置选自高度计、温度计、摄像头、气压计、GPS接收机中的一种或多种。

其中，所述任务指令包括任务类型信息、任务时间信息和任务地点信息；

所述任务类型选自测气压、测高度、测温度、航拍、探测、采集图像数据、采集地理数据等任务中的一种或多种；

所述任务时间包括开始执行任务的时间点和执行任务的持续时间；

所述任务地点包括任务所在地的位置信息，即该位置的经度信息、纬度信息和海拔信息。

其中，在每架无人机中都设置有机载信号收发装置6，

多个机载信号收发装置6之间，机载信号收发装置6与地面信号收发装置5之间都互相信号连通，进而形成组网。

其中，所述地面信号收发装置5包括地面ZigBee无线模块；

所述机载信号收发装置6都包括机载ZigBee无线模块，

无人机上的多个机载ZigBee无线模块和地面站上的地面ZigBee无线模块共同构成了ZigBee组网，在所述ZigBee组网中，每个ZigBee无线模块都是一个节点，在预定距离内，任意两个节点之间可实时通讯。

其中，地面信号收发装置5与机载信号收发装置6实时通讯，

无人机的状态信息通过地面信号收发装置5与机载信号收发装置6的实时通讯传递给微处理装置3；

所述无人机的状态信息包括无人机当前的工作状态，即无人机处于执行任务状态或者处于待命状态，或者处于不能工作的异常状态。

其中，所述微处理装置3根据接收到的任务类型选择装载有能够执行该任务工作装置的无人机去执行该任务，

当有多个无人机能够执行该任务时，所述微处理装置3根据该多个无人机的状态信息选择执行任务的无人机。

其中，所述控制指令包括指令接收机信息和指令内容，其中，所述指令接收机信息包括执行该指令内容的无人机编号，

每个机载ZigBee无线模块在收到所述控制指令时，核对该控制指令的指令接收机信息中无人机编号与该机载ZigBee无线模块所在的无人机编号是否一致，如果一致，该无人机执行该控制指令；如果不一致，该无人机不执行该控制指令，通过机载ZigBee无线模块将该控制指令发给组网中其他与该机载ZigBee无线模块连通的机载ZigBee无线模块。

其中，微处理装置3还用于根据任务地点中任务所在地的位置信息获知任务所在地与地面站之间的距离，当该距离大于预定距离值时，微处理装置3通过控制指令控制至少一个无人机停留在任务所在地和地面站之间。

其中，在所述控制系统1中还设置有任务机选择模块7，所述任务机选择模块7与微处理装置3相连，所述任务机选择模块7用于选择无人机，并且能够通过微处理装置3发出控制指令给该选择的无人机，控制该无人机执行任务。

根据本发明提供的统一控制的多功能无人机群组，能够将贵重的工作装置分类分散在多无人机中，根据具体的任务需求选择相应的无人机携带工作装置去执行，降低发生意外时的财产损失，由于具有多个无人机，能够同时处理执行多个任务，并且都由一个控制系统统一控制，大大节省了人力成本，还由于组网的特殊性，能够控制多个无人机移动到指定地点，作为信息传递的中转站，从而延长了无人机的工作半径，使得远距离控制更为经济、方便，相对于4G网络的控制方式来说，能够节省大量的电能，无人机不必携带过大的电池，从而进一步降低成本，提高无人机的续航能力。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的统一控制的多功能无人机群组整体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的统一控制的多功能无人机群中型号为TMS320F2812的DSP芯片电路图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的统一控制的多功能无人机群中JTAG开发接口电路的电路图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的统一控制的多功能无人机群中外扩Flash存储器的电路图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的统一控制的多功能无人机群中电源电路图；

图6示出根据本发明一种优选实施方式的统一控制的多功能无人机群中CC2520芯片的电路图。

附图标号说明：

1-控制系统

2-指令输入装置

3-微处理装置

4-显示装置

5-地面信号收发装置

6-机载信号收发装置

7-任务机选择模块

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的统一控制的多功能无人机群组，如图1中所示，该无人机群组包括多架无人机和统一控制所述多架无人机的控制系统，其中，在每架无人机上都搭载有工作装置，所述工作装置选自高度计、温度计、摄像头、气压计、GPS接收机中的一种或多种，所述多架无人机都具有互不相同的编号，在实际操作中可以通过阿拉伯数字进行编号，赋予每架无人机一个各不相同的名称。每架无人机上装载的工作装置可以各不相同，也可以有一部分无人机上搭载完全相同的工作装置，每一种工作装置都至少有一个无人机搭载，即所述无人机群组中包括每一种工作装置，具体的数量和分布情况，则可以根据实际工作需求确定。

本发明所述的无人机是本领域常用的无人机，优选地为无人直升机，所述无人机包括飞行动力系统，即能够给无人机提供飞行动力的设备，如无人直升机中的螺旋桨及配套的驱动电机，无人机还包括导航控制系统，其能够根据无人机当前所在位置信息和目标位置信息，自动规划路径，并控制飞行动力系统，使得无人机朝向目标位置飞行。

优选地，本发明中所述无人机数量为2-255架，更优选地为10-200架，进一步优选地为15-30架。

在一个优选的实施方式中，所述控制系统1设置在地面站中，所述控制系统1包括指令输入装置2、微处理装置3显示装置4和地面信号收发装置5；

其中，所述指令输入装置用于向所述控制系统1中输入需要执行的任务指令，所述任务指令包括任务类型信息、任务时间信息和任务地点信息；所述任务类型选自测气压、测高度、测温度、航拍、探测、采集图像数据、采集地理数据等任务中的一种或多种；所述任务时间包括开始执行任务的时间点和执行任务的持续时间；所述任务地点包括任务所在地的位置信息，即该位置的经度信息、纬度信息和海拔信息，还包括地面站至任务所在地的路线及路线附近的地图信息。

优选地，需要知道工作地点(例如高原地带)气压数据的时候,携带有气压计的无人机工作；需要知道某物体高度或者飞行高度的时候携带高度计的无人机工作；需要测量某地点或地区(例如地下或无人区)的温度数据的话携带温度传感器的无人机工作；需要拍摄某物体图片或观察周边情况的时候携带摄像头的无人机工作；上述各应用场景是并列关系，如果需要获得多种数据，则可以携带相应数量的无人机工作，以避免全功能无人机出现故障时得不到任何一种测量数据；其中，所述航拍、探测、采集图像数据、采集地理数据都是需要使用携带摄像头的无人机工作的，其区别在于无人机上摄像头的工作方式和工作频率，在执行采集地理数据时需要选择同时装载有摄像头和GPS接收机的无人机。

所述输入装置选自鼠标、键盘、触摸板中的一种或多种，优选地，所述输入装置与显示装置4协同工作，在显示装置中显示出备选指令，由输入者选择相应任务项目；所述显示装置包括显示屏幕。

所述显示装置4还用于显示无人机的状态，尤其包括当前工作的无人机状态信息和无人机的位置信息等。

所述微处理装置3中预存有无人机信息，所述无人机信息包括无人机的编号和每个编号所对应的无人机上搭载的工作装置种类；所述微处理装置3接收由指令输入装置输入的任务指令信息，并根据接收到的信息生成控制指令。

地面信号收发装置5用于将微处理装置3生成的控制指令传递给无人机。优选地，所述地面信号收发装置5包括ZigBee无线模块，为了避免混淆，设置在地面信号收发装置5中的ZigBee无线模块称之为地面ZigBee无线模块；

在每架无人机中都设置有机载信号收发装置6，所述机载信号收发装置6与所述地面信号收发装置5相类似，都包括有ZigBee无线模块，为了避免混淆，设置在机载信号收发装置6中的ZigBee无线模块称之为机载ZigBee无线模块；优选地，每架无人机上都设置有一个机载ZigBee无线模块，地面站上同样只设置有一个地面ZigBee无线模块。

所述ZigBee无线模块是无线通讯领域中常用的通讯设备，无人机上的多个机载ZigBee无线模块和地面站上的地面ZigBee无线模块共同构成了ZigBee组网，在所述ZigBee组网中，每个ZigBee无线模块都是一个节点，在预定距离内，任意两个节点都可以保持互相连通，能够相传递信息，实现实时通讯。所述预定距离是指350-500m以内的距离，优选为400米以内的距离。优选地，所述组网采用星型拓扑结构设计。

优选地，在无人机群组系统启动开始时，组网中的各个节点自动调节频段，确定适宜的频段，在选择频段的过程中，检测网络中的每一个信道，若信道中有信号则弃用该信道，尝试其他信道，若信道中无信号，则选择该信道，通过该信道连通所有的节点，从而形成组网，所述信道即为信号传递的通道，或者称之为信号频段。

地面信号收发装置5与机载信号收发装置6实时通讯；无人机上的机载ZigBee无线模块通过所述ZigBee组网将无人机的状态信息传递给地面ZigBee无线模块，进而传递给微处理装置3，所述无人机的状态信息包括无人机当前的工作状态，即无人机处于执行任务状态或者处于待命状态，或者处于不能工作的异常状态。

所述微处理装置3根据接收到的任务类型选择装载有能够执行该任务工作装置的无人机去执行该任务，例如：对于任务类型包括测气压的任务，选择装载有气压计的无人机执行该任务，对于任务类型包括测高度的任务，选择装载有高度计的无人机执行该任务，对于任务类型包括测温度的任务，选择装载有温度计的无人机执行该任务，对于任务类型包括航拍的任务，选择装载有摄像头的无人机执行该任务，对于任务类型包括探测的任务，选择装载有摄像头的无人机执行该任务，对于任务类型包括采集图像数据的任务，选择装载有摄像头的无人机执行该任务，对于任务类型包括采集地理数据的任务，选择装载有摄像头和GPS接收机的无人机执行该任务；

当有多个无人机能够执行该任务时，所述微处理装置3根据该多个无人机的状态信息选择执行任务的无人机，例如，同样可以执行某一任务的三架无人机中，一架处于执行任务状态，一架处于待命状态，还有一架处于不能工作的异常状态，所述微处理装置3选择待命状态的无人机执行该任务，当没有处于待命状态的无人机时，通过显示装置发出提示，提醒使用者处于不能工作的异常状态的无人机编号，并且提醒处于执行任务状态的无人机编号和该无人机执行任务的时间。

在一个优选的实施方式中，机载ZigBee无线模块和地面ZigBee无线模块都能够实时获得其与组网中相邻节点之间的信号强度，并且将信号强度信息传递给微处理装置3，其中，地面ZigBee无线模块与多个机载ZigBee无线模块之间分别信号连通，形成多个信道，在地面ZigBee无线模块上显示有每个与地面ZigBee无线模块相连的信道的信号强度，所述信道的强度就对应了信道两端节点的信号强度；所述微处理装置在选择执行任务的无人机时，当有多个无人机既满足任务类型要求，还满足无人机的状态信息要求时，选择信号强度最强的无人机执行该任务，所述信号强度最强的无人机是指与地面ZigBee无线模块直接相连的信道强度。

在一个优选的实施方式中，所述控制指令包括指令接收机信息和指令内容，其中，所述指令接收机信息包括执行该指令内容的无人机编号，所述控制指令通过组网传递，在传递过程中，可能会通过多个节点进行中转，每个节点即每个机载ZigBee无线模块在收到所述控制指令时，都会核对该控制指令的指令接收机信息中无人机编号与该节点所在的无人机编号是否一致，如果一致，该无人机执行该控制指令，如果不一致，该无人机不执行该控制指令，而是通过机载ZigBee无线模块将该控制指令发给组网中其他与该机载ZigBee无线模块连通的机载ZigBee无线模块。

优选地，当某一编号的无人机上机载ZigBee无线模块接收到多个需要该无人机执行的控制指令时，核对指令内容是否一致，如果一致，只执行最先接收到的任务指令，如果不一致，按照收到控制指令的时间顺序先后执行。

在一个优选的实施方式中，微处理装置3同时控制多个无人机分别执行不同的任务，所述微处理装置3在选择无人机执行任务时，还会考虑任务地点中任务所在地的位置信息，确定任务所在地与地面站之间的距离，当该距离大于所述预定距离时，即大于400米时，微处理装置3通过控制指令控制至少一个无人机停留在任务所在地和地面站之间，以便将该无人机上的机载ZigBee无线模块作为传递信息的中转站，能够将距离较远的无人机上的信息传递回地面站。

进一步优选地，当任务所在地与地面站之间的距离很大，远远大于所述预定距离时，即远远大于400米时，控制多个无人机在任务所在地和地面站之间排成一列，相邻两个无人机之间的距离小于所述预定距离，即小于400米。

在一个优选的实施方式中，在所述控制系统中还设置有任务机选择模块7，所述任务机选择模块7与微处理装置3相连，所述任务机选择模块用于选择无人机，并且能够通过微处理装置发出控制指令给该选择的无人机，控制该无人机执行任务。即，使用者可以通过任务机选择模块直接指定执行任务的无人机，而无需通过微处理装置3自动选择，能够根据实际情况对自动选择的无人机进行更改或者调整，使得该系统对无人机的操控达到智能化与人性化结合的程度。

在一个优选的实施方式中，所述无人机群组中的组网，即ZigBee组网中，各个节点所在的位置随着无人机的移动而实时变化，再受外界环境影响，组网某些有联系的节点有可能会暂断开连接，但是仍然可能会与其他节点连接，所以该节点所代表的无人机仍然是可控的，仍然能够通过其他节点往复传递信息。

实施例：

根据本发明提供的统一控制的多功能无人机群组，其中无人机有20架，该无人机都购自深圳市大疆创新科技有限公司生产的大疆无人机整机或大疆无人机部件并进行自组装的，多个无人机分别用阿拉伯数字编号，编号为1-20号，其中编号为1-4的无人机上搭载的工作装置为高度计，编号为5-8的无人机上搭载的工作装置为温度计，编号为9-12的无人机上搭载的工作装置为摄像头，编号为13-16的无人机上搭载的工作装置为气压计，编号为17-20的无人机上搭载的工作装置为GPS接收机；

该无人机群组的地面站中的微处理装置选用一片型号为TMS320F2812的DSP芯片和与之相配套的JTAG开发接口电路及外扩Flash存储器，所述型号为TMS320F2812的DSP芯片电路图详见图2,所述JTAG开发接口电路的电路图详见图3，所述外扩Flash存储器的电路图详见图4，相应的电源电路详见图5；

信号收发装置中的ZigBee无线模块选用CC2520芯片，所述CC2520芯片的电路图详见图6；

通过输入装置输入的需要执行的任务指令为：任务类型：测温度，任务时间：10秒后启动执行，任务地点：东经104度，北纬39度，海拔1253m；该任务地点也是我国阿拉善地区的某个靶场，该实验例是在该靶场完成的。

由微处理装置处理可知，编号为5-8的无人机都可以用于执行该任务，其中，编号为5的无人机处于执行任务状态，编号为6和7的无人机处于待命状态，编号为8的无人机处于不能工作的异常状态，所以可以考虑派遣编号为6和7的无人机去执行工作，

根据机载ZigBee无线模块和地面ZigBee无线模块传递给微处理装置3的信号强度信息可知，编号为6的无人机信号最强，所以最终微处理装置发出的控制指令中令接收机信息为6号无人机，指令内容为10秒后启动去东经104度，北纬39度，海拔1253米，探测温度。

所述地面站中的微处理装置记载的地面站的位置信息为：东经105度，北纬39度，海拔1228m，经过计算可知任务所在地与地面站之间的距离为3000m，大于预定距离，大于400米，所以，无人机继续发出控制指令，控制至少7个待命状态的无人机至地面站与任务地点之间的区域。

6号无人机在预定时间内启动，并且飞向任务地点，在获得足够多的信息后返航。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无人机群组，其特征在于，该无人机群组包括多架无人机和统一控制所述多架无人机的控制系统（1），其中，在每架无人机上都搭载有工作装置，所述多架无人机都具有互不相同的编号，

所述控制系统（1）包括指令输入装置（2）、微处理装置（3）和地面信号收发装置（5）；

所述指令输入装置（2）用于向所述控制系统（1）中输入需要执行的任务指令，

所述微处理装置（3）中存储有无人机信息，所述无人机信息包括无人机的编号和每个编号所对应的无人机上搭载的工作装置种类；所述微处理装置（3）接收由指令输入装置（2）输入的任务指令信息，

所述微处理装置（3）用于根据接收到的信息生成控制指令；

地面信号收发装置（5）用于将微处理装置（3）生成的控制指令传递给无人机，

在每架无人机中都设置有机载信号收发装置（6），

多个机载信号收发装置（6）之间，机载信号收发装置（6）与地面信号收发装置（5）之间都互相信号通讯，进而形成组网，

组网中的各个节点自动调节频段，确定适宜的频段，

所述地面信号收发装置（5）包括地面ZigBee无线模块；

所述机载信号收发装置（6）都包括机载ZigBee无线模块，

无人机上的多个机载ZigBee无线模块和地面站上的地面ZigBee无线模块共同构成了ZigBee组网，在所述ZigBee组网中，每个ZigBee无线模块都是一个节点，在预定距离内，任意两个节点之间可实时通讯。

2.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

每架无人机上搭载的所述工作装置选自高度计、温度计、摄像头、气压计、GPS接收机中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

所述任务指令包括任务类型信息、任务时间信息和任务地点信息；

所述任务类型选自测气压、测高度、测温度、航拍、探测、采集图像数据、采集地理数据任务中的一种或多种；

所述任务时间包括开始执行任务的时间点和执行任务的持续时间；

所述任务地点包括任务所在地的位置信息，即该位置的经度信息、纬度信息和海拔信息。

4.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

地面信号收发装置（5）与机载信号收发装置（6）实时通讯，

无人机的状态信息通过地面信号收发装置（5）与机载信号收发装置（6）的实时通讯传递给微处理装置（3）；

所述无人机的状态信息包括无人机当前的工作状态，即无人机处于执行任务状态或者处于待命状态，或者处于不能工作的异常状态。

5.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

所述微处理装置（3）根据接收到的任务类型选择装载有能够执行该任务工作装置的无人机去执行该任务，

当有多个无人机能够执行该任务时，所述微处理装置（3）根据该多个无人机的状态信息选择执行任务的无人机。

6.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

所述控制指令包括指令接收机信息和指令内容，其中，所述指令接收机信息包括执行该指令内容的无人机编号，

每个机载ZigBee无线模块在收到所述控制指令时，核对该控制指令的指令接收机信息中无人机编号与该机载ZigBee无线模块所在的无人机编号是否一致，如果一致，该无人机执行该控制指令；如果不一致，该无人机不执行该控制指令，通过机载ZigBee无线模块将该控制指令发给组网中其他与该机载ZigBee无线模块连通的机载ZigBee无线模块。

7.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

微处理装置3还用于根据任务地点中任务所在地的位置信息获知任务所在地与地面站之间的距离，当该距离大于预定距离值时，微处理装置3通过控制指令控制至少一个无人机停留在任务所在地和地面站之间。

8.根据权利要求1所述的无人机群组，其特征在于，

在所述控制系统（1）中还设置有任务机选择模块（7），所述任务机选择模块（7）与微处理装置（3）相连，所述任务机选择模块（7）用于选择无人机，并且能够通过微处理装置（3）发出控制指令给该选择的无人机，控制该无人机执行任务。