一种基于无人机编队飞行的区域监测系统及其运行方法

摘要

本发明公开了一种基于无人机编队飞行的区域监测系统及其运行方法。所述区域监测系统通过载有监测设备的无人机系统编队飞行可实现对固定目标区域的立体全天候、立体式实时监控。上述监测系统布置简单，机动性较强，同时可以提升监测效果并具有较高的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机应用领域，特别是无人机编队飞行技术应用领域。

背景技术

目前，无人机技术突飞猛进，其应用领域亦在多元化拓展，在目前已应用领域也在多维度深入发展。无人机的应用领域主要分为军用领域和民用领域，其民用领域又可细分为工业级无人机和消费级无人机。在民用领域，工业级无人机以其安全性高、作业半径广、环境适应能力强等优势，在植保、地理测绘、应急救援、管线及电力巡线、治安维稳、海洋巡逻、区域警戒等领域已有广泛应用；消费级无人机在航拍、物流、编队特效展示等领域的技术也在朝着高精度、长续航方向持续发展。无人机技术的发展，特别是电动多旋翼无人机技术的蓬勃发展也为无人机迅速发展提供了良好基础，民用无人机的单机技术已日趋成熟，且应用领域也在不断拓展。但是，单个无人机载荷有限、续航时较短及可靠性欠缺，导致其应用领域大为受限，任务执行能力上限不高。

无人机单机平台技术的不断成熟对无人机编队飞行技术的不断发展成熟起到了积极的促进作用，伴随着5G技术的成熟及推广，无人机编队飞行的技术在工业产业、城市管理等领域的应用已崭露头角，无人机编队飞行技术的日益成熟不但保留了无人机激动灵活的特点，更是在相当程度上克服了无人机单机性能的不足，极大的提高了无人机系统的作业能力、扩大了其应用的场景和范围。

本发明涉及区域监测系统及方法便是基于无人机编队飞行技术在安防及监测领域创新型应用。目前，对于区域监测的实现主要依赖安防系统及设备的安装布设来实现。但是传统的安防系统存在诸多缺陷：

1.成本高：为有效增加安防监测的覆盖面积，所需高清摄像头、红外检测以及相关信息化设备数量较大，造成前期建造成本高；同时，设备多、综合布线复杂又衍生出后期维保成本相对较高的问题。

2.安全性差：首先，视频监控由于探测设备探测范围(如摄像机视角)及安装位置限制，其监测死角较多；其次，固定的探测设备易于被破坏，被动安全防控难以适应高级别安全防控要求。

3.机动性差：首先，传统安防系统布设需强电系统、弱电系统、探测硬件布设、存储设备安装等多方面综合建造调试，建造周期长，难以适应突发型区域监测需求；其次，传统安防系统一次布设，持续使用，由于设计阶段即决定了安防监测能力等级，无法适应区域安全等级提升时的监测需求。

国内已有多家无人机企业进行无人机安防巡逻方面的探索案例以解决传统安防监测系统的上述问题。如国内复亚智能提出了一种警用安防无人机全自动巡逻解决方案，其基于3D-GIS自主规划飞行航线，进而实现巡检任务自由设定，满足定时定点巡逻需求。但是类似方案仍存在较多问题，首先是续航时间短，目前无人机的续航时间一般为30分钟左右，续航时间本身就是限制无人机行业发展的技术瓶颈之一；其次是覆盖面小，因机载监测设备自身限制，其有效监测范围较小，无法实时动态监控目标区域；最后是容错能力差，由于单机的环境适应性及抗干扰性能力有限，其执行任务时容错能力相对较低。

为解决上述问题，本发明提出一种基于无人机编队飞行的区域监测系统及运行方法，通过多架安装有相关监测设备的无人机编队飞行来实现特定区域的全天候立体式监测。本发明属于无人机编队飞行在城市监测领域的创新型应用，且相对于传统区域监测系统，具有以下优势。

1.全天候监测。该系统无人机采用冗余设计，当出现低电量机时，启动换机机制，及时用冗余机替代低电量任务机；同时，低电量任务机在基站完成充电或换电后，成为新的冗余机。采用如此的循环机制，进而实现全天候无中断区域监测。

2.全方位立体式监测。利用无人机高空优势，对目前区域进行立体监控，并结合无人机编队巡航飞行，实现目前区域全覆盖实时动态监测。

3.安全性高。编队无人机的数量优势克服了单机的可靠性和环境适应性问题。同时空中飞行的无人机隐蔽性较强，不易于被主动破坏。

4.机动性强。对于临时的重要集会、区域管制等突发性高安全级别监控需求，可以实现即时部署，即刻实现。

发明内容

本发明是一种基于无人机编队飞行的区域监测系统及其运行方法。所述区域监测系统可实现固定区域的全天候、立体式实时监测。

所述区域监测系统主要包括无人机系统和地面控制基站，其中无人机无人机系统包括M+N个载荷及型号完全相同无人机，其中任务机数量为M个，冗余机数量为N个，M、N均为正整数，M≥3，单个无人机的组成包括包括无人机平台、机载通讯模块、机载控制模块、监测设备；地面控制基地包括控制中枢、电源管理单元、任务数据处理模块及监测任务处理系统；所述控制中枢根据监测任务自动生成无人机航迹信息，机载控制模块经由机载通讯模块接收已生成的航迹信息控制无人机编队飞行，各个机载通讯模块同时接收自身无人机平台各传感器实时的姿态信息并将数据传输给控制中枢，控制中枢根据监测任务和接收到的各无人机姿态信息实时对航迹信息进行校正，并向各个无人机反馈校正后的航迹信息；区域监测系统工作时，任务机做空中圆周循环飞行，冗余机位于地面控制基地；任务数据传输模块与监测设备实时通讯获得监测数据信息，监测任务处理系统接收并处理任务数据传输模块传输的监测数据信息，最终实现对监测任务所要求的监测的目标区域进行实时监测。

优选的，地面控制基地位于任务机飞行轨迹圆心向地面垂直投影位置，此设置既便于无人机返航充电，又可简化控制程序，提高系统效率。

优选的，地面控制基地数量大于等于1个，且在监控区域内外均有设置，各控制基地相互联系但独立工作，避免由于地面控制基地故障或者被攻击瘫痪导致监测系统失灵，此设置提高了监测系统的安全性。

优选的，所有任务机的飞行轨迹相同，彼此距离相同，即所有任务机的飞行轨迹完全重合，编队飞行时保持等间距飞行。

优选的，所述监测设备包括红外探测设备、雷达探测设备及摄像设备。

优选的，所述控制中枢包括控制单元和通讯单元，所述电源管理单元设置有停机坪和充电装置，所述无人机(包括任务机及冗余机)均在停机坪上完成降落、充电、起飞等过程。

优选的，所述充电装置为无线充电模块或自动换电池平台，具体设置依照无人机自身电源的相关结构确定。

与本发明所述区域监测系统相适应的运行方法如下：

(1)地面控制基站获取监测任务；

(2)任务数据处理模块对监测任务所要求的任务目标区域进行数据处理，得出任务轨迹信息；

(3)控制中枢对比任务机目前航迹信息和任务轨迹信息并向所有任务机发送，初次起飞时直接发送任务轨迹信息；

(4)所有任务机接收任务轨迹信息，并起飞达到任务轨迹；

(5)无人机获得自身飞行姿态信息并传输给机载控制模块；

(6)所有任务机彼此通信，确定编队情况；若已达到预定编队状态，则继续步骤(6)，否则向地面控制基站反馈目前航迹信息并返回步骤(3)；

(7)依照任务航迹信息巡航飞行并启动监测设备；

(8)监测设备向地面控制基站实时反馈监测数据；

(9)地面控制基站接收并通过监测任务处理系统处理监测数据，到达全天候实时立体式监测目标。

所述巡航飞行中有冗余机更换检测程序，其运行方法如下：

(1)任务机对自身电池电量定时进行检测，若电量在预定阈值以上，则继续巡航飞行，若低于预定阈值，则启动冗余机更换程序；

(2)所有任务机进入悬停状态，同时向地面控制基站反馈目前位置信息；

(3)地面控制基站进行数据处理，将电量低任务机空间位置信息发送给冗余机；

(4)冗余机起飞到达预定空间位置并启动监测设备；

(5)低电量任务机返航同时冗余机代替低电量任务机进行圆周巡航飞行；

(6)低电量任务机返回地面控制基站后完成充电，角色更换为冗余机待命。

附图说明

图1是本发明运行示意图；

图2是任务机监测范围示意图；

图3是本发明系统图；

图4是本发明运行方法；

图5是运行过程中冗余机更换流程。

附图中各部件的标记如下：1、任务机；2、运行轨迹；3、任务机监测范围；4、实时监测区域；5、地面控制基站。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1,该无人机系统主要通过无人机集群飞行实现对目标区域的实时监控，图中任务机1沿着预定航迹2做匀速圆周运动。任务机1彼此之间沿轨迹等间距布置，从而单个任务机的监控区域3彼此交叉形成实时监测实时覆盖的实时监测区域4。按照上述方式布置的无人机系统既可以实现对目标区域的全覆盖立体式监控，同时由于其高空巡航的特点，不易被发现捕捉，安全性较高。

地面控制基站5位于任务机飞行轨迹圆心向地面垂直投影位置，如此设置降低了低电量任务机返航和冗余机起飞的直线距离，既通过冗余机更换实现全天候无中断监控，又提高了冗余机更换效率，保障了监测系统整体的稳定性。

同时，由于地面控制基站5的安全性决定了整个监测系统的安全等级，在一些安全等级较高的场景下，可以设置多个备份的地面控制基站，主地面控制基站位置仍位于任务机飞行轨迹圆心向地面垂直投影位置，备份的地面控制基站优选的设置在目标监测区域外，以增加其位置的预测难度。当地面控制基站多于一个时，原则上实时监测区域内外均应有设置，且各个基站并行设置，彼此独立工作。

图2给出了任务机数量M＝3和M＝4的任务机检测范围示意图，图中虚线圆即为目标监测区域的外接圆，无人机监测系统的实时监测区域即为虚线圆所覆盖的区域，而阴影部分区域为某一时刻同时有两台无人机监测的区域，该区域同一时刻的两个不同角度的摄像数据可以实现对该区域的立体监控，而同一时刻的两组雷达探测数据可以实现对目标区域的位置探测和精确立体绘图。对于虚线圆以外的可探测区域，由于不具备实时、立体探测的特性，在本发明中不作具体描述，但任务处理利用对该区域的探测数据进行处理而得出的可以用于其他目的的构思亦应落入本发明范围之中，如对边界区域设置预警处理等。

如图3，本发明所述区域监测系统主要包括无人机系统和地面控制基站，其中无人机系统包括M+N个载荷及型号完全相同无人机，其中任务机数量为M个，冗余机数量为N个，M、N均为正整数，M≥3，结合图2可知，为了最大化实时监测区域面积，单个任务机的监测范围应为通过实时监测区域内接正M边形的中心和相邻两顶点确定出的圆形区域。

其中，单个无人机包括无人机平台、机载通讯模块、机载控制模块、监测设备；地面控制基地包括控制中枢、电源管理单元、任务数据处理模块及监测任务处理系统；所述控制中枢根据监测任务自动生成无人机航迹信息，处理过程是通过对目标区域进行数字二维建模，进而得出该区域的外接圆，外接圆即为实时监测区域，该外接圆完整覆盖了目标监测区域；进而结合无人机飞行高度及探测设备探测范围参数生成图1中预定航迹2的相关参数，包括飞行高度、圆周飞行半径、巡航速度、等间距编队飞行参数。

机载控制模块经由机载通讯模块接收已生成的航迹信息控制无人机编队飞行，各个机载通讯模块同时接收自身无人机平台各传感器实时的姿态信息并将数据传输给控制中枢的通讯单元，控制中枢控制单元实时获取通讯单元里的各无人机姿态信息，并根据监测任务和接收到的各无人机姿态信息实时对航迹信息进行校正，最终向各个无人机反馈校正后的航迹信息。以此建立的闭环控制回路，确保了无人机编队稳定飞行。

区域监测系统工作时，任务机做空中圆周循环飞行，冗余机位于地面控制基地；任务数据传输模块与监测设备实时通讯获得监测数据信息，监测任务处理系统接收并处理任务数据传输模块传输的监测数据信息，最终实现对监测任务所要求的监测的目标区域进行实时立体监测。

如图4,本发明所述区域监测系统运行方法如下：

(1)地面控制基站获取监测任务；

(2)任务数据处理模块对监测任务所要求的任务目标区域进行数据处理，得出任务轨迹信息；

(3)控制中枢对比任务机目前航迹信息和任务轨迹信息并向所有任务机发送，初次起飞时直接发送任务轨迹信息；

(4)所有任务机接收任务轨迹信息，并起飞达到任务轨迹；

(5)无人机获得自身飞行姿态信息并传输给机载控制模块；

(6)所有任务机彼此通信，确定编队情况；若已达到预定编队状态，则继续步骤(6)，否则向地面控制基站反馈目前航迹信息并返回步骤(3)；

(7)依照任务航迹信息巡航飞行并启动监测设备；

(8)监测设备向地面控制基站实时反馈监测数据；

(9)地面控制基站接收并通过监测任务处理系统处理监测数据，到达全天候实时立体式监测目标。

如图5，冗余机更换方法如下：

(1)任务机对自身电池电量定时进行检测，若电量在预定阈值以上，则继续巡航飞行，若低于预定阈值，则启动冗余机更换程序；

(2)所有任务机进入悬停状态，同时向地面控制基站反馈目前位置信息；

(3)地面控制基站进行数据处理，将电量低任务机空间位置信息发送给冗余机；

(4)冗余机起飞到达预定空间位置并启动监测设备；

(5)低电量任务机返航同时冗余机代替低电量任务机进行圆周巡航飞行；

(6)低电量任务机返回地面控制基站后完成充电，角色更换为冗余机待命。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。