[发明专利]基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制系统及方法

说明书

本发明公开了基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制系统及方法，该系统包括视觉传感器、视觉计算机、编队控制计算机、飞行控制计算机、多个LED航灯，视觉编码模块将无人机身份信息及航向和轨迹信息编码为不同频率的闪烁灯光，由LED航灯发出频闪灯光，视觉传感器观测其视野内的其他无人机LED航灯所发出的频闪灯光信号，由视觉测量模块转换为数字信号，再由视觉解码模块用于提取数字信号中的编码信息，编队控制计算机根据上述编码信息给出维持编队所必须的飞行位置和航向控制指令。无人机编队中的各无人机均安装上述系统，编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块观测并由视觉解码模块解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。该系统及方法能够利用无人机载视觉传感器对其他无人机载的LED航灯进行跟踪实现编队飞行；同时利用LED航灯频闪的光学编码实现无人机间的命令和指令信息的传递，从而实现无人机编队的任务协同。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制系统及方法。

背景技术

无人集群系统在灾害救援、应急物流等重大应急事件和经济民生中能够发挥不可替代作用，具有军民融合应用潜力。

当前无人机集群理论和实际系统是建立在基于通信链路的多智能体信息一致性理论基础上，当面临干扰、复杂电磁环境、链路拥塞等通信受限甚至通信拒止的应用环境时，无人飞行器集群就面临丧失自组织协同的风险。因此，有必要发展基于视觉技术的通信受限条件下无人机集群感知与编队协同的技术手段，建立集群控制的备份能力。

现有的无人机视觉技术可以通过标志识别方法实现编队队形保持，如专利CN108052110A，采用僚机机载双目视觉系统对长机机载LED灯阵列进行拍摄并计算相对距离及姿态从而实现长机和僚机间的无人机编队飞行。再如CN 110703798A，通过在长机上布置LED灯等特征点，并在僚机上布置视觉设备对长机位姿进行解算从而保持编队队形。上述专利中的LED灯没有进行编码频闪，不能在无人机之间传输命令信息和身份信息，只能作为视觉标志点用于解算位置和姿态。然而在无人机编队协同飞行的中，除了保持编队队形的要求之外，还存在大量的机间命令、指令信息的传输需求，以便完成编队任务协同，现有技术在不能在电磁通信受限的情况下通过光学手段传输这些信息。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制系统及方法，能够利用无人机载视觉传感器对其他无人机载的LED航灯进行跟踪实现编队飞行；同时利用LED航灯频闪的光学编码实现无人机间的命令和指令信息的传递，从而实现无人机编队的任务协同。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光学编码LED航灯的无人机编队协同控制系统，包括视觉传感器、视觉计算机、编队控制计算机、飞行控制计算机、多个LED航灯，其中：

所述的视觉计算机包括视觉测量模块、视觉解码模块、视觉编码模块；

所述的视觉编码模块用于将无人机身份信息及航向和轨迹信息编码为不同频率的闪烁灯光；

所述的LED航灯用于发出由视觉编码模块进行编码的频闪灯光；

所述的视觉传感器用于观测其视野内的其他无人机LED航灯所发出的频闪灯光信号；

所述的视觉测量模块用于将频闪灯光信号转换为数字信号；

所述的视觉解码模块用于提取数字信号中的编码信息；

所述的编队控制计算机根据上述编码信息给出维持编队所必须的飞行位置和航向控制指令；

所述的飞行控制计算机根据上述控制指令给出无人机舵机、发动机的控制量。

无人机编队中的各无人机均安装上述系统，编队中前方无人机发出的频闪灯光被后方无人机上的视觉测量模块观测并由视觉解码模块解码，从而实现信息在编队中的无人机之间传递。