CN108445909A - 一种无人机控制*** - Google Patents
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Abstract
一种无人机控制***，所述***包括一个地面控制端和多个无人机机载端，地面控制端向每个无人机机载端发送广播信息，并与每个无人机机载端进行认证及通信；所述无机人接收地面控制端的广播信息，并根据接收的广播信息更改自己的网络配置及信道，还根据地面控制端的命令执行任务。本发明提供的***和方法能够实用一个地面控制端对多个无人机机载端的控制，节省了资源，且能够抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机控制***，属于飞行器控制技术领域。
背景技术
随着我国经济、社会的迅速发展和空域管理改革的持续推进，低空空域的逐渐开放，无人机机载端将会得到大力的发展和更加广泛的应用，例如，可以将无人机机载端应用到电力、通信、气象、农林、海洋、勘探、保险等领域，具体的如可以用于地球观测、森林防火和灭火、灾害检测、通信中继、海上监视、油气管道检查、农药喷洒、土地资源调查、野生动物监测、防汛抗旱监测、鱼群探测、影视航拍、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等方面。
但是现有技术中提供的无人机控制***，基本上都是一个地面控制端控制一架无人机机载端，从而指导无人机机载端沿线执行飞行任务。
发明内容
为克服现有技术中存在的技术问题，本发明的发明目的是提供一种无人机机载端控制***及控制方法，其利用一个地面控制端控制多个无人机机载端，节省了资源，且避免了恶意信号对它们进行干扰控制
为实现所述发明目的，本发明提供一种无人机控制***，所述***包括一个地面控制端和多个无人机机载端，其特征在于，地面控制端向每个无人机机载端发送广播信息，并与每个无人机机载端进行认证及通信；所广播的信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息；所述无人机机载端无线设备的处理器调用其存储器的存储程序并执行如下过程：通过无线适配器接收地面控制端的广播信息，并将自身存储的网络标识符与接收的网络标识符进行比对，如果一致，则根据所接收所述网络配置信息与所述地面控制端建立移动自组无线网络，并更改自己的信道，如果不一致，则保持原有的网络配置并使用原有信道。
优选地，所述逻辑网络标识符确定无人机机载端的无机设备属于地面控制端控制的控制对象，以便对无人机机载端进行管理。
优选地，所述地面控制端的广播通信只限于地面控制端控制的无人机机载端载无线设备。
优选地，地面控制端通过频谱感知实时获取空闲信道。
优选地，地面控制端在空闲信道上重复发送广播信息，并等待回应；无人机机载端载无线设备不断地扫描空闲信道，并在收到地面控制端所发送的空闲信道时在地面控制端发送广播信息的信道上发送回应信号。
优选地，地面控制端如果接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号时，则与无人机机载端无线设备建立通信连接，地面控制端和无人机机载端无线设备进入握手认证阶段；如果没有接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号，则重新进行频谱感知获取空闲信道，并在空闲信道发送广播信息。
优选地，无人机机载端无线设备遍历当前所有空闲信道以搜索地面控制端发送的广播信息，如果在某一空闲信道中搜索到地面控制端发送的广播信息，则重点扫描该信道并在该信道上发送回应信号，并进入认证阶段；如果在当前信道中没有搜索到地面控制端发送的广播信息，则重新遍历当前所有空闲信道以搜索地面控制端发送的广播信息。
与现有技术相比，本发明提供的无人机机载端控制***及控制方法利用一个地面控制端控制多个无人机机载端，节省了资源，且避免了恶意信号对它们进行干扰控制。
附图说明
图1是本发明提供的无人机控制***的组成框图；
图2是本发明提供的无人机机载端的无线设备的组成框图的组成框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是电连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明提供的无人机控制***的组成框图。无人机控制***中，地面控制端及无人机机载端载无线设备都被设置以通过ad-hoc无线数据连接而进行通信。另外，无线设备可以使用无线适配器而建立无线数据连接，地面控制端通过频谱感知获得无线信道，并与被控无人机机载端进行认证建立起无线连接。认证通过后，地面控制端与机载无线设备通过无连接传递网络配置信息、信道信息及网络标识，从而地面控制端和无人机机载端载设备之间建立ad-hoc网络链接。本发明中，无人机机载端载无线设备、无人机机载端节点和终端具有相同的含义。
网络配置信息可以包括物理网络标识符，例如，物理网络标识符以用于识别该ad-hoc网络。物理网络标识符也可以包括广播网络标识符。广播网络标识符可以包括IP多播网络标识符，其用于限制消息广播的范围。网络配置信息还可以包括逻辑网络标识符，例如，逻辑网络标识符可以包括点对点群组标识符，其用于识别无线设备要加入的一个逻辑点对点群组。例如逻辑网络标识符可以根据部队的建制来制定。无线连接可以传递任一无人机机载端节点进入网络的时间戳。
图1中，无人机控制***包括一个地面控制端和多个无人机机载端节点，地面控制端和无人机机载端节点所担任的功能和任务不同，导致每个节点在***中扮演不同角色。
在一个实施例中，地面控制端保管所有网络配置信息，包括群组配置信息。地面控制端点可以与管理者持有的手持机及笔记本通过无线连接建立ad-hoc网络连接。管理者与地面控制端交流的信息可以包括物理网络标识符、广播网络标识符和逻辑网络标识符。
地面控制端通过与每个无人机机载端节点的单独发现，直接建立ad-hoc网络。或者地面控制端可以首先建立与第一个无人机机载端节点的连接。然后，第一个无人机机载端节点可以传递网络配置信息给第二个无人机机载端节点。类似地，第二无人机机载端节点可以通过另一条连接传递网络配置信息给第三个无人机机载端节点。每个无人机机载端可以沿着连接将最新的网络拓扑信息传递回给地面控制端，然后地面控制端类似地将最新的网络拓扑信息传递回给管理者的手持机或者电脑。而且，管理者的手持机或者电脑和地面控制端可以类似地推送最新的网络拓扑信息给每个无人机机载端。或者，每个无人机机载端可以从地面控制端获取出最新的网络拓扑信息。根据一个实施例，网络拓扑信息可以是自动更新并根据网络配置分送到物理网络或群组的每个无人机机载端节点中去。
在一个实施例中，网络拓扑信息可以包括一个时间戳，其对应每个无人机机载端节点加入该网络的时间。因此可以建立一个加入网络的时间次序。拓扑和时间信息可以传递给整个网络或者限制在每个群组中。
在一个实施例中，网络配置信息可以包括广播网络标识符。例如，广播网络标识符可以是一个IP多播标识符，其用于限制在网络中的通信范围。
图2是本发明提供的无人机机载端载的无线设备的组成框图的组成框图，如图2所示，根据本发明一个实施例，无线设备被配置成用于无人机机载端通过无线适配器而形成点对点群组。无线设备可以包括处理器405、存储器401、无线适配器410，存储器401包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)。处理器405可以从ROM载入启动指令，然后从RAM读取进一步的指令，其可以由处理器405执行并完成一个或多个逻辑运行。具体地，处理器405可以配置以控制无线适配器的运行，建立与另一无线设备的链接，并控制无线适配器使其建立ad-hoc网络连接用于无线设备之间的信息通信。RAM可以存储初始网络配置数据。在一个实施例中，初始网络配置数据可以是默认的配置数据。或者，网络配置数据可以是由用户通过用户接口适配器而提供的定制配置数据。另外，一旦接收到网络拓扑和时间戳数据，处理器可以使这些数据存储在RAM中，用于日后参考或进一步分送。本领域普通技术人员可以认识到，RAM和处理器的组件可以配置以执行各种运行。
无线设备还包括飞控器406和根据飞控器406的指令驱动无人机机载端飞行的伺服机构407，其中，飞控器406根据处理器405的指令给伺服机构提供控制信号，以使伺服机构根据预设路径或者上一级发送来的指令进行飞行，也将无人机机载端飞行时的数据传送给处理器405。无线设备还包括照相子***，其包括照相机412和相机控制器413，所述照相机412连接于相机控制器413，其用于对目标区域进行航拍，并将所航拍的图像信息传送给相机控制器413，相机控制器413连接于处理器405，其用于对输入的图像信息进行处理而后传送给处理器405。无线适配器通常包括数字基带单元的射频单元，发信时，所述数字基带单元用于将处理器405要传送的信息进行信源编码和信道编码，而后传送给射频单元，所述射频单元包括发射器，所述发射器用于将数字基带单元传送来的信息进行加密并调制到上级指示的载波信号上而后进行功放，最后通过天线发射到空间；射频单元还包括接收器，接收器用于将天线接收的信号进行解调和解密，而后将数据发送给数字基带单元，数字基带单元用于将数字基带信号进行信道解码、信源解码，取出地面控制端发送来的数据或者指令。
根据本发明第一实施例，无人机机载端的控制***还包括传感器组件402，传感器组件示例性地包括高度计，其用于获取无人机机载端与地面的高度信息。传感器组件示例性地还包括磁航向仪、空速管，陀螺仪等，用于测量无人机机载端的航向，速度等。
无人机机载端的控制***还包括导航定位接收器403，其通过天线A1接收导航定位卫星的关于无人机机载端的位置信息及时间信息，并将数据传送给处理器405。导航定位接收器403例如为GPS接收器、北斗定位授时接收器等。根据一个实施例，无线设备还包括测距装置409，其用于测量无人机机载端与目标等的距离，所述测距离装置409例如为激光测距仪。无人机机载端的控制***还包括测向装置417，其用于测量被监视目标与无人机机载端的方向。处理器根据测距装置和测向装置所提供的数据确定被监测目标的位置和速度等。
根据本发明一实施例，本发明提供无人机机载端由能源装置向各个部件提供能源，其可以通过开关进行断开与接通控制，能源装置至少包括蓄电池。
本发明中，地面控制端的工作过程包括：
S01：地面控制端将预设频段分成N个子信道，将N个子信道分成n组子信道组{F0,F1,F2,...,Fn-1}，每组子信道组有k个子信道，则N＝n*k，其中，第Fi组子信道组表示为
S02：地面控制端通过频谱感知获得空闲子信道；
S03：地面控制端在每组的一个空闲信道上重复发送广播信息，并等待回应；无人机机载端载无线设备不断地扫描n组子信道组，并在收到地面控制端所发送的广播信息时在地面控制端发送广播信息的信道上发送回应信号。即，处于广播状态的地面控制端以跳频的方式向外发送广播信息信号，同时监听是否有返回信息。连续广播直至超时或者收到其他终端的返回信息。当超时后做一次随机判决以一概率转入查询状态，以另一概率保持广播状态不变。处于查询状态的地面控制端连续的扫频，检测信道中是否有无人机机载端无线设备发送的信息。
S04：地面控制端如果接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号时，则与无人机机载端无线设备建立通信连接，地面控制端和无人机机载端无线设备进入握手认证阶段；如果没有接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号，则返回S02。
地面控制端在空闲信道以跳频方式发送广播信息，并等待回应具体方法包括如下步骤：
S03-1：地面控制端选取一个子信道组Fm，其中m∈{0,1,...,n-1}，以该子信道组Fm为起点重新组成分组的遍历集合：M＝{Fm,Fm+1,...,Fn-1,F0,...,Fm-1}；
S03-2：地面控制端在该信道组Fm中根据频谱感知是否存在空闲子信道；
S03-3：如果该信道组Fm中有空闲子信道，则地面控制端在长度为TTX的时隙中，在该信道组中的一个空闲信道fz (m)上发送广播信息，其中；z∈{0,1,...,k-1}；
S03-4：地面控制端在长度为TRX的时隙中查询回应信号，其中，
S03-5：判断是否收到无人机机载端无线设备的回应信号，如果收到，则进入握手阶段；如果没有收到，则进入S03-6；
S03-6步：判断是否重复了2k次，如果是，则进入S03-7；如果否则返回S03-3。在本明，地面控制端广播时，发送广播信息时，在同一个空闲信道上重复的次数与一个信道组中的子信道个数相同；
S03-7：判断是否遍历了所有的子信道组；
S03-8：如果是，则返回到S02，如果否，返回到S03-1，选择下一个信道组。
于是，以序列M为基准，地面控制端跳频序列将如下所示：
上式中，是第Fm子信道组中的空闲子信道，是第Fm+1子信道组中的空闲子信道，fr (m-1)是第Fm-1子信道组中的空闲子信道，p∈{0,1,...,k-1}，r∈{0,1,...,k-1}。
根据本发明一个实施例，无人机机载端无线设备的工作过程包括：
S04-1：无人机机载端无线设备选取一个子信道组Fl，其中，l∈{0,1,...,n-1}，以该子信道组Fl为起点重新组成分组的遍历集合：L＝{Fl,Fl+1,...,Fn-1,F0,...,Fl-1}
S04-2：无人机机载端无线设备以时长Tb为一个跳频时隙，以T＝kTb为一个周期，遍历当前子信道组中的所有k个子信道以搜索地面控制端发送的广播信息；
S04-3：如果在当前子信道组中搜索到地面控制端发送的广播信息，则重点扫描该子信道组并在地面控制端发送广播信息的子信道上发送回应信号，并进入认证阶段；如果在当前子信道组中没有搜索到地面控制端发送的广播信息，则进入S04-4；
S04-4：判断是否重复了Ω次，如果是，则进入S04-5；如果否，则返回S04-2；
S04-5：判断是否历遍了所有子信道组，如果是，则返回到S02；如果否则返回S03-1。
于是，以序列L为基准，无人机机载端无线设备跳频序列将如下所示：
或
这里，Ω将其称为重复系数，一般取值Ω〈k。
无人机机载端无线设备握手认证过程包含以下处理步骤：
第6-1步：同步识别阶段：当无人机机载端无线设备捕获到地面控制端发出的信号后，改变自身状态，进入同步识别阶段，在同步识别阶段，此时无人机机载端无线设备可以根据它捕获到的信号的子信道所在位置，得到下一个时隙子信道所在子信道组，因此无人机机载端无线设备不再盲目的扫描所有的子信道，而是利用捕获到的信号有针对性的扫描相应的子信道组。地面控制端收到捕获回应信号后，地面控制端进入同步阶段。
第6-2步：同步阶段：地面控制端向无人机机载端无线设备发送同步指令引导无人机机载端无线设备进入同步阶段，无人机机载端无线设备收到地面控制端所发送的同步指令后，在指定时刻进入同步阶段，主无人机机载端无线设备进入握手阶段。
第6-3步：握手阶段：地面控制端与无人机机载端无线设备交互各自感知的信道信息，依据相应的子信道选择策略，选择子信道，建立相对稳定的通信链路
第6-3步：进行认证，如果认证通过，则向地面控制端汇报有新节点加入，如果认证没通过，则向地面控制端汇报有可能有入侵无线信号。
本发明提供的方法可以由各种语言编成计算机应用的程序，并存储于如存储器、网盘、云盘等中，处理器可以调用该程序以完成一系列的功能。本发明中的处理器可包括数字信号处理器(DSP)、微处理器、可编程序逻辑装置(PLD)、门阵列或多个处理组件以及电源管理子***。处理器还可包括内部高速缓存存储器，所述内部高速缓存存储器被配置成存储从存储器或者控制卡中取得的用于执行的计算机可读指令。所述存储器包括非暂态计算机介质，所述介质例如包括SRAM、快闪、SDRAM和/或硬盘驱动器(HDD)等。存储器被配置成存储计算机可读指令以便由处理器来执行。
以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种无人机控制***，所述***包括一个地面控制端和多个无人机机载端，其特征在于，地面控制端向每个无人机机载端发送广播信息，并与每个无人机机载端进行认证及通信；所广播的信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息；所述无人机机载端无线设备的处理器调用其存储器的存储程序并执行如下过程：通过无线适配器接收地面控制端的广播信息，并将自身存储的网络标识符与接收的网络标识符进行比对，如果一致，则根据所接收所述网络配置信息与所述地面控制端建立移动自组无线网络，并更改自己的信道，如果不一致，则保持原有的网络配置并使用原有信道。
2.根据权利要求1所述的无人机控制***，其特征在于，所述逻辑网络标识符确定无人机机载端的无机设备属于地面控制端控制的控制对象，以便对无人机机载端进行管理。
3.根据权利要求1-2任一所述的无人机机载端控制***，其特征在于，所述地面控制端的广播通信只限于地面控制端控制的无人机机载端载无线设备。
4.根据权利要求1-3任一所述的无人机机载端控制***，其特征在于，地面控制端通过频谱感知实时获取空闲信道。
5.根据权利要求1-4任一所述的无人机机载端控制***，其特征在于，地面控制端在空闲信道上重复发送广播信息，并等待回应；无人机机载端载无线设备不断地扫描空闲信道，并在收到地面控制端所发送的空闲信道时在地面控制端发送广播信息的信道上发送回应信号。
6.根据权利要求1-5任一所述的无人机机载端控制***，其特征在于，地面控制端如果接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号时，则与无人机机载端无线设备建立通信连接，地面控制端和无人机机载端无线设备进入握手认证阶段；如果没有接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号，则重新进行频谱感知获取空闲信道，并在空闲信道发送广播信息。
7.根据权利要求1-6任一所述的无人机机载端控制***，其特征在于，无人机机载端无线设备遍历当前所有空闲信道以搜索地面控制端发送的广播信息，如果在某一空闲信道中搜索到地面控制端发送的广播信息，则重点扫描该信道并在该信道上发送回应信号，并进入认证阶段；如果在当前信道中没有搜索到地面控制端发送的广播信息，则重新遍历当前所有空闲信道以搜索地面控制端发送的广播信息。
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