一种无人集群的任务系统和实物测试方法

本发明涉及无人设备控制，尤其涉及一种无人集群的任务系统和实物测试方法。

背景技术：

1、无人设备，特别是微小型无人机，具有部署灵活、使用方便、任务能力多样等优点，广泛应用于险区探测、目标捕获、现场管理、现场支援、电子干扰及通信中继等领域。为进一步扩大无人机的应用场景，无人机的使用方式逐渐由单机多机向集群方式扩展，无人集群在抗损伤能力、任务多样化、复杂场景处理等方面具有传统单机无可替代的优势，但同时也需要更为复杂的集群规划与管理策略以发挥任务效能，这需要具备集群任务能力的底层系统作为技术支撑。

2、目前对于无人集群的任务规划研究多止步于理论研究和仿真验证，基于实飞验证的研究结果很少，主要原因可以归为目前现有的无人机的体系架构对用户独立开发的功能算法模块支持性差。具体地，目前无人机执行复杂的任务规划时多使用微型计算机作为任务设备，如大疆妙算或英伟达nx，开发者将实现某一功能的功能算法模块部署于无人设备携带的微型计算机上，算法运行后，与无人机的飞行控制系统建立连接，通过飞行控制系统的接口传入指令，飞行控制系统对这些指令响应，做出起飞、自动飞行、任务计算机控制飞行、返航降落等行为，以实现功能算法模块的控制闭环。这种做法使得开发者在部署功能算法模块前需要进行大量系统底层与周边设备驱动方面的准备工作，这提高了用户在基于无人集群实物开发和部署功能算法模块时的工作量与技术门槛，且可维护性较差。

3、此外，针对无人集群的群体控制，还有一种开发设计思路主要从用户自己设计的功能算法模块出发，通过在作为主机的无人机单机上增加任务管理功能来实现集群飞行效果。此方法可尽量缩减功能算法模块之外的准备工作，但也使整个无人集群的运行效果受限于原有的无人机单机架构，在数据吞吐量、功能算法模块维护、任务流程自动化方面受到制约而无法充分发挥无人集群的特性与优势。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种无人集群的任务系统和实物测试方法，其为用户研发无人设备的功能算法模块提供了完整的应用环境支持，降低了用户在基于无人集群实物开发、部署和维护功能算法模块时的工作量与技术门槛。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、第一方面，本发明实施例提供一种无人集群的任务系统，所述无人集群包括多台无人设备，所述无人设备上挂载有载荷，所述载荷与无人设备通信连接，所述任务系统包括：地面站子系统、云节点子系统、边缘节点子系统和端节点子系统；

6、所述地面站子系统，用于接收用户配置的部署信息并转发至所述云节点子系统，所述部署信息包括：任务列表，和/或，用户预先封装好的功能算法模块；以及，与云节点子系统通信获取关于所述无人设备或载荷的运行状态的状态信息，并向用户展示所述状态信息；

7、所述云节点子系统，用于接收所述部署信息，并将所述部署信息同步至多个所述边缘节点子系统；

8、所述边缘节点子系统，部署于无人设备上，用于接收所述部署信息，加载所述功能算法模块，并根据所述任务列表和状态信息，调用所述功能算法模块生成控制指令，并发送至所述端节点子系统；以及，汇集所有所述端节点子系统上传的状态信息，向所述云节点子系统更新所述状态信息；

9、多个所述端节点子系统，部署于载荷上，或者部署于无人设备的底层硬件上，用于接收所述控制指令，并基于所述控制指令，生成控制载荷或无人设备的底层硬件的控制信号；以及，向所述边缘节点子系统实时上传本端节点子系统生成的、关于所述无人设备或载荷的运行状态的状态信息。

10、可选地，所述任务列表包括至少一个子任务；

11、所述边缘节点子系统包括：

12、信息共享模块，用于接收并保存所有端节点子系统实时上传的关于无人设备和载荷的状态信息；以及，在接收到端节点子系统的对某一状态信息的请求时，将该状态信息发送至所述端节点子系统；

13、任务管理模块，基于所述状态信息，根据本边缘节点的任务列表中的子任务，调用本地的功能组件生成控制指令并发送至端节点子系统，以控制当前无人设备及其携带的载荷按照任务列表运行。

14、可选地，所述子任务包括：持续任务和条件任务；其中，所述持续任务自无人设备启动后持续运行；所述条件任务自触发条件满足时开始运行，且在完成一次运行后向信息共享模块返回运行结果并结束；

15、所述任务管理模块包括：

16、任务列表，所述任务列表包括：持续任务列表和条件任务列表；其中，所述持续任务列表包括至少一件持续任务；所述条件任务列表包括至少一件条件任务，以及与该条件任务关联的触发条件；

17、条件任务列表维护组件，用于基于所述任务列表，从所述信息共享软件获取相关的状态信息，并判断所述相关的状态信息是否满足所述条件任务的触发条件，若是，调用本地的功能组件，生成所述条件任务的控制指令发送至端节点子系统；

18、持续任务列表维护组件，用于当无人设备启动时，根据持续任务列表，调用本地的功能组件，生成每项持续任务的中的控制指令发送至端节点子系统；以及，当接收到任务管理模块对某一持续任务的结束指令时，将该持续任务的结束指令发送至端节点子系统。

19、可选地，所述无人设备为无人机，所述功能组件包括以下组件中的一种或多种：

20、飞行控制组件，用于基于持续任务列表维护组件发送的控制指令，通过无人机的底层硬件控制无人机的飞行状态，并将无人机的飞行状态参数作为状态信息上传给信息共享模块；

21、障碍感知组件，用于基于持续任务列表维护组件发送的控制指令，通过无人机挂载的感知装置采集障碍信息，并将所述障碍信息作为状态信息上传给信息共享模块；所述感知装置包括距离传感器、图像采集装置中的至少一种；

22、资源监控组件，用于基于持续任务列表维护组件发送的控制指令，采集载荷或无人机的硬件资源信息，并基于所述硬件资源信息和飞行状态参数生成量化评估结果；并将所述硬件资源信息和量化评估信息作为状态信息上传；所述硬件资源信息包括：无人机能源剩余量、无人机cpu占用率、无人机gpu占用率、无人机内存占用率中的至少一种；所述量化评估信息包括：无人机剩余飞行里程、无人机资源健康状态、无人机飞行健康状态中的至少一种；

23、边边通信组件，用于无人机间的通信，以使任意两台无人机交换彼此的状态信息；并基于持续任务列表维护组件发送的控制指令，监控无人机间的通信链路，维护通信列表，生成实时通信拓扑结构信息，并将所述实时通信拓扑结构信息作为状态信息上传给信息共享模块；

24、云边通信组件，用于边缘节点子系统与云节点子系统的通信，以及，基于持续任务列表维护组件发送的控制指令，将信息共享模块获取并保存的状态信息同步至云节点子系统；

25、地理围栏保护组件，用于基于条件任务列表维护组件发送的控制指令，限定无人机在指定区域内飞行；

26、低能量保护组件，用于基于条件任务列表维护组件发送的控制指令，在无人机剩余飞行里程小于预设值时，执行预设的紧急降落程序或自动召回程序；

27、载荷控制组件，用于基于条件任务列表维护组件发送的控制指令，生成用于控制载荷的控制信号，以使载荷基于所述控制信号动作，并在完成对载荷的控制后，并将执行结果作为状态信息上传信息共享模块；

28、日志记录组件，用于基于持续任务列表维护组件发送的控制指令，创建日志文件以记录条件任务列表维护组件和持续任务列表维护组件生成的控制指令，以及，记录无人机飞行过程中信息共享模块保存的状态信息；

29、其中，所述飞行控制组件、障碍感知组件、资源监控组件、边边通信组件、云边通信组件、地理围栏保护组件、低电量保护组件和载荷控制组件为：预先集成于载荷或无人设备上的用于用户直接调用的组件，或者用于运行用户通过部署信息临时部署于载荷或无人设备上的功能算法模块对应的组件。

30、可选地，所述载荷控制组件包括以下组件中的一个或多个：

31、视觉设备控制组件，用于基于条件任务列表维护组件发送的控制指令，生成用于控制视觉设备获取图像数据的控制信号，并将获取的图像数据作为执行结果上传给信息共享模块；

32、动作载荷控制接口组件，用于基于条件任务列表维护组件发送的控制指令，生成控制信号，以使动作载荷根据所述控制信号动作，并将控制指令的完成状态作为执行结果上传给信息共享模块。

33、可选地，所述无人集群为异构无人机集群，所述无人机包括高性能的主机和低性能的从机；

34、所述边缘节点子系统包括：部署于主机上的第一边缘节点子系统、部署于从机上的第二边缘节点子系统，在所述第一边缘节点子系统中，所述功能组件还包括以下组件中的一个或多个：

35、任务调度组件，用于根据无人机的状态信息对任务列表中的子任务进行规划，根据预先的调度策略跳过或重新规划子任务，更新主机和从机的任务列表，以对主机和从机进行任务调度；

36、导航组件，用于根据无人机的飞行状态参数、障碍信息和任务列表中的子任务，基于预先的导航策略生成导航信息，以实时生成和控制无人集群的运动路径；

37、编队控制组件，用于基于无人集群中所有无人机的状态信息，根据预设的避障策略生成主机和从机的编队队形，以控制无人集群的运动队形；

38、任务目标分配组件，用于基于当前执行的子任务和无人集群中所有无人机的状态信息，根据预设的分配策略生成目标分配结果，以控制无人集群协同完成当前的子任务；

39、图像识别组件，用于对载荷控制组件获取的图像数据进行识别，以获取目标信息；

40、其中，所述任务调度组件、导航组件、编队控制组件、任务目标分配组件和图像识别组件为：预先集成于载荷或无人设备上的用于用户直接调用的组件，或者用于运行用户通过部署信息临时部署于载荷或无人设备上的功能算法模块对应的组件。

41、可选地，所述地面站子系统包括：

42、前端，用于与用户交互，获取用户输入的部署信息、用户发出的即时任务，并将所述部署信息和即时任务发送至后端；以及，基于用户触发的查询指令或操作指令，与云节点子系统通信获取关于所述无人设备或载荷的运行状态的状态信息，并向用户展示所述状态信息；

43、后端，用作前端与云节点子系统的数据接口，用于转发前端与云节点子系统之间的交互数据，所述交互数据包括：部署信息、即时任务和状态信息；以及，

44、根据前端对边缘节点的访问方式，基于预先的访问策略，动态调整云节点子系统与边缘节点子系统的数据量，以最小化数据链路压力。

45、可选地，在后端中，所述预先的访问策略为：

46、当前端接收到用户触发的对无人集群中某一无人设备的查询指令或操作指令时，提高云节点子系统对该无人设备对应的边缘节点子系统的数据交互频率和视频数据密度，以获取该无人设备及其载荷所有的状态信息；当前端接收到用户触发的对无人集群整体的查询指令或操作指令时，降低云节点子系统对所有无人设备对应的边缘节点子系统的数据交互频率和视频数据密度，以降低通信链路压力。

47、第二方面，本发明实施例提供一种无人集群的实物测试方法，所述测试方法基于第一方面所述的无人集群的任务系统实现，用于无人集群的实物运动控制的测试，所述测试方法包括：

48、s1、无人设备与云节点子系统通信，获取部署信息；

49、所述部署信息为前端基于与用户的交互过程获得的；所述部署信息包括：程序配置信息、任务信息；

50、所述程序配置信息包括：用户预先封装好的功能算法模块，和/或调用的预先集成于载荷或无人设备上的功能组件；

51、所述任务信息包括：用户预先装订的任务列表，以及限定所述任务列表中的子任务执行条件的任务参数；

52、s2、无人设备将所述部署信息加载至自身部署的边缘节点子系统中；

53、s3、当无人设备接收到任务开始指令时，与无人集群中的其他无人设备通信，推举出至少一个无人设备作为主机，其余的无人设备作为从机；

54、s4、所述主机的第一边缘节点子系统启动任务管理模块，并通知第二边缘节点启动自身的任务管理模块；

55、s5、第一边缘节点子系统根据部署信息，基于任务参数执行所述任务列表中的子任务，并与第二边缘节点子系统通信，协同完成无人集群的实物运动控制的测试过程；以及，无人设备通过云节点子系统向地面站子系统同步无人设备的状态信息，以向用户展示测试结果，并在测试过程结束时返回日志文件，供用户事后分析；

56、所述测试过程包括：基于预先部署的目标任务列表进行的测试过程，或者，基于无人设备运动过程中用户发出的即时任务进行的测试过程。

57、可选地，在s1之前，还包括：

58、s0、地面站子系统通过前端与用户交互，获取用于测试的部署信息，并对所述部署信息中使用的功能算法模块或功能组件进行权限冲突检测，当存在权限冲突时，返回错误信息以使用户修正所述部署信息，得到修正后的部署信息；以及，

59、地面站子系统通过后端将所述部署信息发送至云节点子系统。

60、(三)有益效果

61、在本发明实施例提出的任务系统，基于云边端架构思路，分设了地面站子系统、云节点子系统、边缘节点子系统、和端节点子系统。基于端节点子系统，以端节点概念对无人设备的底层硬件和载荷进行管理；基于边缘节点子系统，对无人设备主控系统中部署的功能组件进行管理，并将用户部署的功能算法模块封装成功能组件，纳入任务系统本身集成的功能组件集中管理，同时，边缘节点子系统还汇集所有端节点子系统上传的状态信息统一供功能组件使用；基于云节点子系统实现地面站与无人设备的交互。相较于现有技术，由于本发明提供的任务系统能够自主管理主控系统中部署的功能组件，相当于提供了一个能够直接运行功能算法模块的应用环境，用户只需关注并研发其所需要开发的功能算法模块，在完成功能算法模块封装后，通过地面站子系统配置好相应的部署信息即可。任务系统能够在接收到所述功能算法模块后，将其部署于边缘节点子系统，并在无人设备的运行过程中自行进行调用，由于边缘节点子系统还汇集所有端节点子系统上传的状态信息统一供功能组件使用，因而用户在研发功能算法模块只需要直接从边缘节点子系统获取需要的状态信息即可，不再需要了解载荷和底层硬件等相关的底层知识，开发过程中的工作量和技术门槛都大幅下降。