專利名稱：基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于無(wú)人飛行機(jī)器人在特定區(qū)域內(nèi)的協(xié)調(diào)搜尋方法及系統(tǒng)，特別是基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法與系統(tǒng)，用于對(duì)區(qū)域內(nèi)各種帶輻射源目標(biāo)的搜尋和探測(cè)，采用雙飛行機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)協(xié)調(diào)搜尋，實(shí)現(xiàn)快速有效的發(fā)現(xiàn)有源目標(biāo)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，世界各地災(zāi)難頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展。災(zāi)后發(fā)現(xiàn)搜救目標(biāo)，實(shí)施快速救援，能夠大大提高失蹤人員生還的可能性，減少生命財(cái)產(chǎn)的損失。傳統(tǒng)的搜尋方法一般采用地面、空中(載人直升機(jī))兩支搜救隊(duì)伍展開搜尋。然而，由于失蹤目標(biāo)所處區(qū)域的特殊性(如山區(qū)、海洋、沼澤地帶等)，傳統(tǒng)的搜尋方法不僅效率低，而且存在搜尋人員的生命安全問題。因此，迫切需要一種更好的搜尋方法。采用無(wú)人駕駛飛行機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī))對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜尋是現(xiàn)代搜救領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。無(wú)人機(jī)能從多種平臺(tái)(如車輛、艦船、航空器、亞軌道飛行器和衛(wèi)星等)發(fā)射和回收，搜尋機(jī)動(dòng)性較傳統(tǒng)方法大大提高。此外，無(wú)人機(jī)還具有體積小，成本低，無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。采用多無(wú)人機(jī)對(duì)區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)搜尋，不但具有單架無(wú)人機(jī)的所有特點(diǎn)，還有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如目標(biāo)搜尋效率高，定位精度高，搜尋范圍大等。根據(jù)以上背景技術(shù)的分析，采用飛行機(jī)器人對(duì)特定區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)搜尋，是一個(gè)高效、安全、低成本的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有搜尋技術(shù)存在的不足，提出一種基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法與系統(tǒng)。該能夠在特定大小的區(qū)域內(nèi)引導(dǎo)無(wú)人飛行機(jī)器人自動(dòng)對(duì)有源目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)搜尋，搜尋效率高，成本低，風(fēng)險(xiǎn)小。本發(fā)明的構(gòu)思在于:傳統(tǒng)的搜尋方法采用地面基站和空中在人飛行器結(jié)合的方法搜尋目標(biāo)，這樣不僅成本高，在某些危險(xiǎn)的場(chǎng)合還可能存在搜救人員和搜救設(shè)備的危險(xiǎn)性。而傳統(tǒng)的無(wú)人飛行器搜尋多是基于各個(gè)機(jī)體直接對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜尋和探測(cè)，各自搜索獨(dú)立的區(qū)域，不存在協(xié)同性，因此效率較低，存在資源浪費(fèi)和成本過(guò)高的缺陷。因此，為了克服已有的搜尋方法的局限性和不足，本發(fā)明提出了基于雙無(wú)人駕駛機(jī)器人的協(xié)調(diào)搜尋方法，對(duì)搜尋區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)搜索，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的覆蓋面最大化，以提高目標(biāo)搜尋效率。同時(shí)，由于采用小型無(wú)人飛行器，具有成本低，機(jī)動(dòng)性高，風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。在搜尋系統(tǒng)中，搜尋主題是兩架旋翼飛行機(jī)器人，每架飛行機(jī)器人通過(guò)機(jī)載主控制系統(tǒng)進(jìn)行主控。主控模塊通過(guò)采集機(jī)載GPS全球定位系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行定位和導(dǎo)航，無(wú)人飛行器之間通過(guò)機(jī)載無(wú)線通訊模塊進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)共享。飛行器搭載信號(hào)接收測(cè)向設(shè)備，能夠接受有源目標(biāo)的信號(hào)并給出測(cè)向數(shù)據(jù)。本發(fā)明中，我們對(duì)目標(biāo)所在的搜尋區(qū)域進(jìn)行搜索地圖建模，即在二維空間內(nèi)進(jìn)行離散化。通過(guò)劃分搜尋區(qū)域?yàn)槿舾蓚€(gè)同樣大小的正方形區(qū)域(SXS)，如

圖1所示。無(wú)人飛行器在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)可以從一個(gè)矩形中心以一定的路徑飛行到鄰近的矩形中心。通過(guò)這樣的建模，可以實(shí)現(xiàn):
I)飛行器的飛行航路點(diǎn)就可以轉(zhuǎn)化為一系列正方形區(qū)域的中心坐標(biāo)值，便于數(shù)值化計(jì)算和共享。同樣地，飛行器的飛行軌跡就可以轉(zhuǎn)化為一系列正方形區(qū)域的中心的連線。2)通過(guò)對(duì)各個(gè)正方形區(qū)域進(jìn)行賦值標(biāo)定，能夠?qū)λ阉鞯貓D進(jìn)行信息構(gòu)建和共享。在本發(fā)明中，對(duì)被任一飛行器搜尋過(guò)的正方形區(qū)域賦值1，未被搜尋過(guò)的賦值O。這樣就構(gòu)建地圖搜尋歷史信息，飛行器通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的算法，盡可能搜尋未被搜尋過(guò)的區(qū)域，從而避免重復(fù)搜索，提高效率。在搜尋過(guò)程中，飛行器應(yīng)對(duì)盡可能在最短的時(shí)間內(nèi)覆蓋最多的搜尋區(qū)域，以盡快發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。同時(shí)，飛行器又不能飛出搜尋邊界。因此，飛行器應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離友機(jī)以及搜尋邊界，避免重復(fù)搜索和越出邊界。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于上述離散化地圖模型的導(dǎo)航成本函數(shù)，用于協(xié)調(diào)飛行器的飛行軌跡。該函數(shù)融合了各飛行器當(dāng)前位置、下一時(shí)刻位置和搜尋區(qū)域邊界等信息，飛行器通過(guò)評(píng)價(jià)該函數(shù)值得大小來(lái)規(guī)劃各自飛行的軌跡。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法，其特征在于操作步驟如下:
1)對(duì)目標(biāo)所在的搜尋區(qū)域進(jìn)行搜索地圖建模:在二維空間內(nèi)進(jìn)行離散化，搜尋區(qū)域?yàn)榇笮XY的矩形區(qū)域，劃分搜尋區(qū)域?yàn)槿舾蓚€(gè)同樣大小的正方形區(qū)域(SXS)，所有正方形區(qū)域的搜尋標(biāo)記值H初始化為0，無(wú)人飛行器在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)從一個(gè)矩形中心飛行到鄰近的矩形中心；
2)雙飛行器在任一正方形區(qū)域內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前的航向，均產(chǎn)生3個(gè)備選航路點(diǎn)，S卩:左前方、正前方、右前方；并通過(guò)機(jī)載通訊設(shè)備與友機(jī)共享該信息；
3)根據(jù)導(dǎo)航成本函數(shù)權(quán)利要求
1.一種基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法，其特征在于操作步驟如下: 1)對(duì)目標(biāo)所在的搜尋區(qū)域進(jìn)行搜索地圖建模:在二維空間內(nèi)進(jìn)行離散化，搜尋區(qū)域?yàn)榇笮XY的矩形區(qū)域，劃分搜尋區(qū)域?yàn)槿舾蓚€(gè)同樣大小的正方形區(qū)域(SXS)，所有正方形區(qū)域的搜尋標(biāo)記值H初始化為O，無(wú)人飛行器在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)從一個(gè)矩形中心飛行到鄰近的矩形中心； 2)雙飛行器在任一正方形區(qū)域內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前的航向，均產(chǎn)生3個(gè)備選航路點(diǎn)，S卩:左前方、正前方、右前方；并通過(guò)機(jī)載通訊設(shè)備與友機(jī)共享該信息； 3)根據(jù)導(dǎo)航成本函數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基 于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法，其特征在于所述步驟3)中的確定雙飛行器各自下一時(shí)刻目標(biāo)位置的方法: 雙飛行器根據(jù)導(dǎo)航成本函數(shù)
3.一種基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋系統(tǒng)，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法，包括兩個(gè)無(wú)人飛行機(jī)器人、每個(gè)無(wú)人飛行機(jī)器人上各裝有GPS定位儀，無(wú)線通訊設(shè)備、信號(hào)測(cè)向儀、飛行控制系統(tǒng)、主控單元；其中，GPS定位儀采集雙飛行器的位置信息，以確定雙飛行器的當(dāng)前位置；無(wú)線通訊設(shè)備用于雙飛行器之間的通信，以共享搜尋信息，其特征在于，飛行器通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備與友機(jī)進(jìn)行通訊，將各自的航路點(diǎn)信息與更新的地圖信息發(fā)送給友機(jī)，同時(shí)從友機(jī)接受信息；信號(hào)測(cè)向儀用于探測(cè)有源目標(biāo)；飛行控制系統(tǒng)用于控制飛行器的飛行狀態(tài)；主控單元用于整個(gè)飛行器的全局控制；所述信號(hào)測(cè)向儀與主控單元通過(guò)RS-232與串口連接，進(jìn)行測(cè)向信號(hào)傳輸；飛行控制系統(tǒng)與主控單元CAN總線連接，實(shí)時(shí)傳輸導(dǎo)航飛行控制信息；GPS定位儀通過(guò)RS-232串口與主控單元連接，向主控單元傳輸無(wú)人飛行機(jī)器人的位置信息；無(wú)線通訊設(shè)備與主控單元通過(guò)RS-232串口連接，實(shí)現(xiàn)與友機(jī)進(jìn)行通訊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于無(wú)人飛行機(jī)器人對(duì)有源目標(biāo)的協(xié)調(diào)搜尋方法及系統(tǒng)。本方法對(duì)目標(biāo)所在的搜尋區(qū)域進(jìn)行搜索地圖建模，即在二維空間內(nèi)進(jìn)行離散化，并基于該地圖模型提出路徑規(guī)劃方法，從而構(gòu)建導(dǎo)航成本函數(shù)，以規(guī)劃飛行器機(jī)器人的飛行軌跡，實(shí)現(xiàn)低成本高效率的協(xié)調(diào)搜尋。本系統(tǒng)是在兩無(wú)人飛行機(jī)器人上安裝GPS定位儀，無(wú)線通訊設(shè)備、信號(hào)測(cè)向儀、飛行控制設(shè)備和主控單元，飛行機(jī)器人在搜尋過(guò)程中實(shí)時(shí)通訊，共享地圖和目標(biāo)信息。本發(fā)明可用于對(duì)區(qū)域內(nèi)各種帶輻射源目標(biāo)的搜尋和探測(cè)，采用雙飛行機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)協(xié)調(diào)搜尋，實(shí)現(xiàn)快速有效的發(fā)現(xiàn)有源目標(biāo)，能夠?qū)^(qū)域目標(biāo)進(jìn)行快速高效的搜尋。
文檔編號(hào)G05D1/12GK103217985SQ20121042498
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者謝少榮, 葉周浩, 李恒宇, 張秋菊, 羅均 申請(qǐng)人:上海大學(xué)