[发明专利]一种基于视觉和力觉反馈的UAV群双边遥操作控制系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及无人机双边遥操作控制技术领域，特别是涉及一种利用视觉和力觉反馈的无人机群的双边遥操作控制技术。

背景技术

对于复杂的工作任务及多变的工作环境，多机器人的协调与协作可完成单机器人无法或难以完成的工作。多无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs)协同编队飞行可显著提高UAV的作业能力，拓宽其使用范围，更安全、更可靠地完成编队、空中侦察和搬运等任务。

然而，当任务变得极为复杂以及需要以高层次的认知为基础的在线决策时，多机器人的完全自主控制仍远未能达到任务目的。在这种情况下，一方面，需要将人的智能引入控制系统，充分利用人的在线决策提高多机器人作业能力；另一方面，将远端多机器人作业情况反馈给本地操作员，使操作员具有良好的临场感和沉浸感，降低操作员的工作难度。双边遥操作系统就是一种将本地操作员的智能与远程机器人的适应性相结合的技术，它可以使远程机器人跟随本地操作员操控的手控器运动，并将远程机器人与环境的接触力反馈给本地操作员。将双边遥操作系统应用于UAV群的编队控制问题中，借助于遥操作系统提供力觉、视觉临场感，可以使操作者真实地感觉到从端UAV群与环境的动态相互作用，从而有效地解决UAV群编队过程中避障、UAV间相互碰撞、信息交互等问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中UAV群在复杂多变环境中难以通过完全自主控制实现编队导航的问题，本发明提供了一种基于视觉和力觉反馈的UAV群双边遥操作控制系统及其方法，有效解决了UAV群编队导航过程中避障、UAV间相互碰撞及信息交互等问题。

技术方案：本发明在UAV群双边遥操作控制系统中使用虚拟结构技术，在载体坐标系下为每个UAV设置一个相应的虚拟结构点，操作者使用单个手控器控制所有的虚拟结构点，虚拟结构点与UAV采用双向跟踪机制，控制UAV群的队形移动；当与环境障碍物进行交互时环境提供力反馈信号，一方面提供给UAV改变UAV的位姿，控制编队队形的变换，另一方面提供给主端使操作者获得力觉临场感；同时，在每个UAV上安装摄像头，通过舵机调节摄像头视角范围，为操作员提供从端全局视图，最终使操作者同时获得力觉和视觉临场感。

本发明提出一种基于视觉和力觉反馈的UAV群双边遥操作控制系统，包括主端、从端和通讯模块，所述主端包括手控器和控制计算机，所述手控器包括力反馈触觉装置，用于根据操作者的操作运动，并输出位置信息给控制计算机；所述控制计算机根据手控器发送的位置信息输出控制信号；所述从端包括UAV虚代理点、UAV群、距离传感器、图像采集模块，所述UVA虚代理点和UAV采用双向跟踪机制，控制UAV群的队形移动，当与环境障碍物进行交互时，UAV根据障碍物提供的反作用力改变UAV的位姿，控制编队队形的变换；所述距离传感器用于检测UAV与障碍物的距离；所述图像采集模块用于采集UVA群的全局视图；所述通讯模块用于实现主端和从端间的通讯，将主端控制器输出的控制信号发送给从端，将从端的障碍物反作用力和全局视图发送给主端。

所述手控器具有3个位置自由度、3个关节自由度及3个位置自由度力反馈输出。

所述通讯模块为无线网络，包括XBee透明传输网络和WIFI网络。

所述距离传感器包括超声波传感器。

所述图像采集模块包括安装在UVA上的摄像头和舵机，随着该UAV摄像头在前方180°范围内的左右转动，使得其他UAV在摄像头的视场内，获得其余UAV的全局视图。

本发明还提出一种基于视觉和力觉反馈的UAV群双边遥操作控制方法，包括以下步骤：

1)手控器根据操作者的操作运动，并输出手控器的位置信息给控制计算机；

2)控制计算机接收手控器的位置信息，通过工作空间映射将手控器有限的工作空间映射到UAV无限的工作空间内，然后通过无线网络将控制信号发送给从端UAV群所有的虚拟结构点；

3)UVA虚代理点和UAV采用双向跟踪机制，虚拟结构点在控制信号的作用下进行移动，UAV跟踪对应虚拟结构点实现UAV位置更新；

4)距离传感器检测UAV与障碍物的距离，当单个UAV与环境障碍物之间的距离达到预警值时，障碍物提供给UAV环境反作用力，改变单个UAV的速度，同时，相应的虚拟结构点进行移动，更新编队队形；