CN108832962A - 一种基于扩频通信的无人机数据链通信*** - Google Patents

一种基于扩频通信的无人机数据链通信*** Download PDF

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张玉金
代淑娴
吴飞
徐旸
王桂莲
袁天夫
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Abstract

本发明涉及一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，包括无人机、无线通信模块和地面站，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式。与现有技术相比，本发明具有抗多径干扰能力强、灵敏度强、功耗低、传输距离远等优点。

Description

一种基于扩频通信的无人机数据链通信***
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种基于扩频通信的无人机数据链通信***。
背景技术
随着信息通讯技术的进步，无人机领域产生了数据链。无人机数据链一般工作在非常复杂的通信环境下，因此要求数据链具有最基本的可靠性，数据链的设计对于硬件设备和软件设计都是很大的挑战。在民用无人机领域，数据链技术发展并没有军用的那么完善，体现出来的特征为技术版本多而杂，技术标准也不统一。
其中，无人机与地面控制站之间的数据通信链路，是保证无人机正常飞行和完成各项任务的关链环节，也是最容易受到干扰的重要环节。跳频***(Frequency-hoppingspread spectrum，FHSS)和直接序列扩频***化(Direct sequence spread spectrum，DSSS)都具有很强的抗干扰能力，是使用最多的两种扩频技术。跳频技术在各种军用、民用电台中的应用最为广泛，跳频技术由于其载波频率快速跳变的特性，能够以“躲避”的方式来抵抗跟踪式和转发式人为干扰，并解决了“远近效应”问题，但其抗多径干扰能力不强。而DSSS扩频***存在以下的不足之处：(1)PN(Pseudo-noise code，伪随机序列)序列的产生复杂。(2)PN序列的同步要求严格。因此，在一些低功耗领域以及物理层传输的应用上，直接扩频技术就显得比较复杂。
现在市面上常见的通信技术主要包括：
1、Wi-Fi：理论传输速度最高达到1Gbps。缺点是功耗大，价格比较昂贵传输距离也相对较短。
2、蓝牙：蓝牙无线传输的技术部份即采用FHSS展频技术，所以传输速度较慢。FHSS信号的隐蔽性差，抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。同DSSS一样，FHSS也是使用PN码，PN序列的产生较复杂，并且蓝牙的传输距离仅仅只有10米左右，传输速度是1.8M/s～2.1M/s，需要的功率却很大，接受灵敏度较低。
3、ZigBee：近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率，但不能接入互联网，在ZigBee网络中必须使用网关。ZigBee使用DSSS扩频，更加容易受到干扰。DSSS技术适用于固定环境中，或对传输品质要求较高的应用。其优势是低功耗和自组网，传输距离视发射功率而定，有几百到几千米不等，一般也就20-30kps，但是价格昂贵，接受灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于扩频通信的无人机数据链通信***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，包括无人机、无线通信模块和地面站，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式，CSS采用Chirp信号进行扩频调制。
优选地，所述的发送/接受端采用外部中断机制进行飞行数据的收发。
优选地，所述的飞控模块与发送/接收端、地面站采用串口通信的方式进行数据通信。
优选地，所述的无人机与地面站采用ACK机制进行通讯。
优选地，所述的MCU采用串行外设接口对SX1278芯片的寄存器进行读写。
优选地，所述的射频收发单元还设有用于增加通信可靠性的铜质弹簧天线。
优选地，所述的飞行数据包括姿态信息、高度信息及应用信息，所述的姿态信息包括俯仰角、横滚角以及方向角，所述的高度信息包括无人机内部的气压计及超声波传感器测到的高度值。
优选地，该***的工作过程为：
1)无人机上电，地面站发布飞行指令，无人机数据传输***启动；
2)在飞行过程中，无人机的飞控模块产生飞行数据，利用SX1278芯片，通过无线通信模块将飞行数据发送至地面站；
3)地面站接受到无人机发送的飞行数据后，发送ACK数据包给无人机，无人机在接收到ACK包之后确认地面站接收到数据，并再次发送新的数据给地面站。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)在无人机数据链的传输上，本发明结合了基于SX1278芯片的CSS扩频通信技术，相比于现有通信技术，本发明的抗多径干扰能力强，可实现灵敏度强、功耗低、传输距离远的无人机数据可靠传输；
(2)本发明采用CSS扩频通信技术，CSS利用Chirp信号进行扩频调制，具有抗多普勒频移、抗干扰能力强、发射功率低的优势；
(3)本发明在地面站和无人机的通信过程中加入了ACK机制，可保证通信的秩序，避免无人机不断向地面站发送数据造成拥塞的现象。
附图说明
图1为本发明***的结构示意图；
图2为本发明***的无人机数据链通信数据流；
图3为本发明***的无人机数据收发流程框图；
图4为本发明***的无人机通信***宏观结构图；
图5为本发明***的功能架构图；
图6为本发明***中SX1278芯片的应用层流程图；
图7为本发明实施例中最大发射功率比较图；
图8为本发明实施例中模块价格比较图；
图9为本发明实施例中传输距离比较图；
图10为本发明实施例中接受灵敏度比较图；
图11为本发明实施例中穿透能力比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明涉及一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，包括无人机、无线通信模块和地面站，无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，发送/接受端包括MCU和射频收发单元，射频收发单元为SX1278芯片，SX1278芯片采用CSS扩频通信(ChirpSpread Spectrum，线性调频扩频技术)的编码方式，CSS采用Chirp信号进行扩频调制。
SX1278芯片的有效通信距离比现有的基于FSK(Frequency-shift keying)和OOK(On-off keying)调制技术的通信***的更远；在其最大传输速率下，SX1278芯片的敏感度比采用FSK调制技术的芯片依然好8dB。SX1278芯片与MCU之间通过串行外设接口实现通信，MCU采用串行外设接口对SX1278芯片的寄存器进行读写，从而进一步读取射频收发单元的工作状态。同时MCU通过串行外设接口也可以对数据进行收发控制。
为了保证通信的秩序，避免无人机不断向地面站发送数据，造成拥塞，在地面站和无人机的通信过程中加入了类似TCP报文的到达确认(Acknowledgement，ACK)机制，如图2所示。地面站接受到无人机发送过来的飞行数据后，发送ACK数据包给无人机，无人机在接收到ACK包之后确认地面站接收到数据，转而再次发送新的数据给地面站。在无人机数据链通信***的三部分中，数据传输在无人机端的主要工作在于如何控制收发流程以及如何取回无人机的相关信息。
本实例中的无人机数据收发流程如图3所示，主要是实现一个能够让无人机和地面站简单通信的数据链(且仅为下行数据传输)。数据链分为三个部分：第一个部分为数据链在地面站的实施，第二个部分为数据链在无人机的实施，最后一个部分为数据链在无人机实际飞行中的实施。无人机的发射端负责接收飞控模块传输过来的数据以及向地面站发送数据。地面站负责显示无人机的相关信息。
飞控模块和发送/接受端、地面站的数据通信使用串口通信的方式。本发明***使用中断模式进行串口通信。
飞行数据包括姿态信息、高度信息及应用信息，姿态信息包括俯仰角、横滚角以及方向角，高度信息包括无人机内部的气压计及超声波传感器测到的高度值。
本发明***的工作过程为：
1)无人机上电，地面站发布飞行指令，无人机数据传输***启动；
2)在飞行过程中，无人机的飞控模块产生飞行数据，利用SX1278芯片，通过无线通信模块将飞行数据发送至地面站；
3)地面站接受到无人机发送的飞行数据后，发送ACK数据包给无人机，无人机在接收到ACK包之后确认地面站接收到数据，无人机再次发送新的数据给地面站。
本实施例针对本发明***进行了模拟测试实验。
根据通信***架构的原理，本实施例将本发明***的功能架构分成以下几个部分，如图5所示：首先单片机驱动层实现了对单片机内核、时钟、中断以及通信协议(SPI)的控制，保证单片机正常的运作和对外界的控制。其次通过射频模块驱动层，采用模拟I/O的方式来编写射频模块驱动层。通过对各个管脚I/O口的高低电平的控制来模拟数据、时钟以及片选信号。无论SX1278芯片无论是收到还是发送数据成功，都会输出一个高电平来触发***中断。接着***的中断函数会调用射频模块驱动层的相关函数来读取相关寄存器的值，用以判断SX1278芯片的状态以及接受或发射的数据等。最后通过应用层实现简单的通信功能，在每一次收发数据之后，使用LED灯来显示收发***的收发状态，或者说用不同收发状态来触发LED等的状态，以便对***进行测试。
本实施例使用开发板上的LED灯的闪烁来显示射频收发单元的收发状态，在测试过程中，依据LED灯的状态进行判断，记录***的测试数据。同时在测试时改变终端的移动速度，模拟了多普勒频移的干扰。***由发送端和接受端组成，是一个半双工的通信***。每个发送/接受端都由一块微型控制器(MCU)和射频收发单元(RF Module)构成。采用SX1278芯片作为无线通信***的射频收发单元，为了增加通信的可靠性，增添了铜质弹簧天线，本实施例采用阻抗为50欧，驻波比为1.4的铜质天线。本实施例采用ST公司的STM32L1低功耗系列MCU Disoc板作为下位机，低功耗有益于减少通信***整体的能耗。
测试***的线路连接使用杜邦线来连接。SX1278芯片的引脚使用情况除了SPI通信要使用的四根线外，还有复位(RESET)、数字信号I/O口(DIO)、VCC以及GND，故其实际***电路连接共使用了八根线。工程中一般通过两个仪器辅助进行硬件调试：万用表和示波器。由于目前地面站的功能只是接受数据，在地面站的数据链模块的硬件只要一根杜邦线，即用串口模块的Rx引脚连接MCU的串口Tx引脚。
本发明***的软件设计和调试，主要是利用MDK Core部分进行通信***收发端的应用开发。使用C语言来进行软件设计，使用MDK来对***进行调试。其应用层流程图如图6所示：
***上电，地面站显示“Push the User Button”字样，用户按下User Button之后，数据链正式开始工作。当数据传输或接收成功时，首先地面站显示进入中断“****Go ToInt****”，接着显示传输或发送的数据内容。与此同时，地面站显示“Transmission/Reception Complete”，来表示数据传输或发送成功。数据链测试结果通过地面站显示，并下传至地面站上显示。
无人机使用User Button来控制是否接受数据，按下User Button发送端准备接受数据，在接受数据完成后，发送端再次回到最初的状态。
进一步，使用LED灯不同的闪烁状态来表示***的相关状态。其状态映射测试结果显示，***上电，发送端LED黄灯均匀闪烁，按下User Button后，发送端等待飞控传输数据过来，同时LED黄灯均匀闪烁。在发送端接收到飞控模块传来的数据后，LED黄灯再次均匀闪烁。至此，完成了一个完整的数据接受过程，表明***能够成功接收飞控传输过来的数据。
本实施例实验将设计好的基于SX1278芯片的无人机数据链通信***(基于LoRa协议)与市面上主流的通信***(基于ZigBee、Wi-Fi以及蓝牙Bluetooth协议)进行了比较。如图7到11所示，相比于其他协议，基于SX1278芯片的无人机数据链通信***(基于LoRa协议)的模块价格低，通信穿透能力强，传输距离远且接受灵敏度低。由此可知，本发明在无人机数据链应用上更加可靠，有着不可比拟的优势，可用于有效地传输无人机的重要信息。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或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以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，包括无人机、无线通信模块和地面站，其特征在于，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，所述的发送/接受端采用外部中断机制进行飞行数据的收发。
3.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，所述的飞控模块与发送/接收端、地面站采用串口通信的方式进行数据通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，所述的无人机与地面站采用ACK机制进行通讯。
5.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，所述的MCU采用串行外设接口对SX1278芯片的寄存器进行读写。
6.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，所述的射频收发单元还设有用于增加通信可靠性的铜质弹簧天线。
7.根据权利要求2所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，所述的飞行数据包括姿态信息、高度信息及应用信息，所述的姿态信息包括俯仰角、横滚角以及方向角，所述的高度信息包括无人机内部的气压计及超声波传感器测到的高度值。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信***，其特征在于，该***的工作过程为：
1)无人机上电，地面站发布飞行指令，无人机数据传输***启动；
2)在飞行过程中，无人机的飞控模块产生飞行数据，利用SX1278芯片，通过无线通信模块将飞行数据发送至地面站；
3)地面站接受到无人机发送的飞行数据后，发送ACK数据包给无人机，无人机在接收到ACK包之后确认地面站接收到数据，并再次发送新的数据至地面站。
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