[发明专利]一种用于抢险救灾的无人机集群任务协同方法及系统

权利要求书

1.一种用于抢险救灾的无人机集群任务协同方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建业务调度器以及搜救探测、通信保障和物资投送三类子系统；其中，搜救探测子系统用于利用机载光电传感器搜索地面人员，同时探测灾区的地形、地貌、地物，为物资投送和通信保障任务提供受困人员位置信息；通信保障子系统用于利用机载通信模块为受灾地区提供通信覆盖，为地面人员提供通信接入服务；物资投送子系统用于利用无人机将应急物资投送到灾区受困人员所在位置，解决受困人员的物资需求；

(2)将每个子系统分为战略层、战役层和微动作层三层；其中，

搜救探测子系统的战略层用于根据搜救探测要求、抢险救灾任务区域大小、机载搜救探测传感器性能，确定完成灾区搜救探测任务所需的无人机数量和类型；

搜救探测子系统的战役层用于将一架无人机分配给灾区的一个子区域，从而确定各个执行搜救探测任务的无人机的责任区，并规划这些无人机搜索遍历责任区的飞行航路计划；

搜救探测子系统的微动作层用于根据灾区光照条件和地物特点，确定无人机开展搜救探测过程中光电传感器载荷的光圈、快门和焦距，并根据障碍物动态情况确定无人机的实际飞行航迹点；

通信保障子系统的战略层用于根据通信保障要求、抢险救灾任务区域大小、地面通信用户的数量、机载通信模块性能，确定完成灾区通信保障任务所需的无人机数量和类型；

通信保障子系统的战役层用于将一架无人机分配给灾区的一个子区域，从而确定各个执行通信保障覆盖任务的无人机的责任区，并规划这些无人机从当前位置到其责任区悬停位置的飞行航路计划；

通信保障子系统的微动作层用于根据灾区光照条件和地物特点，确定无人机开展通信保障过程中通信载荷的功率和频段；

物资投送子系统的战略层用于根据物资投送时限要求、投送物资数量、投送点的数量，确定完成灾区物资投送任务所需的无人机数量和类型；

物资投送子系统的战役层用于将一架无人机分配给灾区的一个子区域，从而确定各个执行物资投送任务的无人机的责任区，并规划这些无人机从当前位置到其责任区投送位置的飞行航路计划；

物资投送子系统的微动作层用于根据投送点周边环境的障碍物情况、投送物资类型、风向、风力，确定无人机开展物资投送过程中的投送高度；

(3)通过业务调度器对搜救探测、通信保障和物资投送三类任务的执行时序进行编排调度；并且，当搜救探测无人机发现新的受灾人员时，通知通信保障和物资投送子系统，使通信保障和物资投送子系统根据最新情况分配新的无人机开展工作；当通信保障和物资投送无人机需要对地面人员和灾区的地形、地貌、地物进行再次探测和确认时，通知搜救探测子系统执行相应的探测任务。

2.根据权利要求1所述的一种用于抢险救灾的无人机集群任务协同方法，其特征在于，搜救探测子系统的战略层根据下式确定完成灾区搜救探测任务所需的无人机数量：

其中，n是完成灾区搜救探测任务所需的无人机数量，为向上取整，W是灾区地域范围的外接矩形的面积，a是单位时间内搜救探测无人机能够搜索的地域面积，t是遍历一次灾区所要求的时间限制。

3.根据权利要求1所述的一种用于抢险救灾的无人机集群任务协同方法，其特征在于，通信保障子系统的战略层确定完成灾区通信保障任务所需的无人机数量的具体方式为：

(1)根据地面用户的位置，使用DBSCAN方法对地面用户进行聚类，形成N_cluster个簇，则为所有簇内用户提供通信服务所需的无人机数量UAV₁为：

其中，u为机载通信模块能够接入的用户数量，v_i为第i簇内的用户数量；

(2)如果两簇之间的距离大于机间通联保持最远允许距离，则在两簇之间增加中继无人机，增加的无人机数量UAV₂为：

其中，q是存在两簇之间的距离大于机间通联保持最远距离情况的数量，是第i个大于机间通联保持最远距离的距离，d_between是机间通联保持最远距离，为向下取整，中继无人机的位置处于两簇之间的等分点位置；

若任意两簇之间的距离均不大于机间通联保持最远允许距离，则令UAV₂＝0；

(3)计算完成灾区通信保障任务所需的无人机数量为UAV₁+UAV₂。