CN112291726A - 一种基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，包括微型无人机集群由若干同类或不同类的微型无人机节点组成；各微型无人机节点采集状态信息传输至地面终端设备以及接收地面终端设备下发的控制指令；公网无线传输***包括终端侧公网数据链路、终端侧公网基站、服务器、无人机侧公网基站及无人机侧公网数据链路，用于地面终端设备与无人机集群的通信；地面终端设备，用于接收无人机集群传输的无人机节点状态信息及下达控制指令给各无人机节点。该***在降低微型无人机无线通信器件成本的同时，可更好的实现的微型无人机集群的监管控制，具有传输速率快、距离远、数据可靠、抗干扰能力强、误码率低等优点。

Description

一种基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种基于公用无线通信网络的微型无人机集群通信传输***。

背景技术

现有微型无人机一般通过无线通信模块来实现无人机与地面站间的通信，要实现图像信息传输、控制指令传输、状态信息传输等不同无线信号传输功能需要在无人机上面安装图传模块、遥控模块、数传模块等功能不同的无线通信模块。

然而，此类无线通信模块在占据微型无人机里面负载空间和有效载重的同时，却只能进行短距离的一对一通信，传输距离有限(一般小于3公里)、数据量小、易受干扰，难以实现高清图像、超远距离等任务信息的实时可靠传输，更难以实现对微型无人机集群的实时控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于公用无线通信网络的微型无人机集群通信传输***，该***通过设计具备公网无线通信功能的微型无人机和地面站，开发具备不同节点数据快速处理分析功能的服务器，制定具有校验功能的发送和接收规则，并采用公用无线通信网络实现对不同节点数据信号的转发，从而实现微型无人机集群与地面站间超远距离高清图像信息、控制指令、状态信息等信号的传输，使微型无人机集群摆脱与地面站之间距离的限制，解决民用数传电台信号传输距离短、节点数量少、带宽小以及易受干扰的问题。

本发明采用的技术方案如下：一种基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，包括微型无人机集群、公网无线传输***、地面终端设备，微型无人机集群通过公网传输***与地面终端设备相互通信；

所述微型无人机集群由若干同类或不同类的微型无人机节点组成；各微型无人机节点采集状态信息传输至地面终端设备以及接收地面终端设备下发的控制指令；

公网无线传输***包括终端侧公网数据链路、终端侧公网基站、服务器、无人机侧公网基站及无人机侧公网数据链路，地面终端设备通过终端侧公网数据链路与终端侧公网基站通信；无人机集群节点通过无人机侧公网数据链路与无人机侧公网基站通信；服务器通过因特网分别与终端侧公网基站和无人机侧公网基站通信；

地面终端设备，用于接收无人机集群传输的无人机节点状态信息及下达控制指令给各无人机节点。

进一步的，所述微型无人机节点包括无人机平台、智能决策单元、信息处理模块、安全模块、GPS定位模块、公网链路模块及信息采集模块，智能决策单元用于微型无人机集群节点的状态信息感知和分析决策；安全模块存储微型无人机集群节点唯一的无人机注册信息；信号处理模块，用于对信息采集模块的回传信号进行解析；所述GPS定位模块用于微型无人机集群节点位置信息的获取；信息采集模块分别用于采集无人机集群节点的高度信息、运动状态信息、节点与障碍物间距离信息以及视频图像；公网链路模块用于接入公网数据链路。

进一步的，所述无人机集群通信传输***工作过程为：微型无人机节点上电后，通过智能决策单元收集无人机平台自身状态信息、采集模块采集的信息形成无人机信息，通过公网链路模块信号传输协议将信号发送至无人机侧公网基站；再经由传输至服务器下发至终端侧公网基站，通过终端侧公网数据链路发送至地面终端设备；

地面终端设备对接收到各无人机节点的信息进行解析，确认开机无人机的数量，并根据无人机的注册信息进行编号组网；地面终端设备综合处理各微型无人机节点的状态信息，生成各微型无人机节点控制指令，并通过公网无线传输***传输至服务器，服务器分析控制指令并将相应控制指令发送至所对应的微型无人机；无人机节点的智能决策单元接收并分析控制指令，输出驱动电机旋转指令至无人机平台控制无人机。

进一步的，所述信息采集模块包括气压计、九轴传感器模块、超声波传感器、光流传感器、光学摄像头。

进一步的，无人机通过光学摄像头获取原始视频数据，然后采用硬件压缩编码，编码后的每一帧数据都被添加一个RTP协议报文头，形成RTP数据报文，然后数据报文通过公网传输协议传输给服务器，之后传给地面终端设备。

进一步的，地面终端设备还根据每架无人机传回的空间位置、速度、加速度以及探测到的障碍物信息，对集群内的每架无人机轨迹进行实时优化更正，避免集群内的无人机相互之间发生碰撞，且旋翼无人机集群节点在执行任务过程中持续进行自主避撞。

进一步的，所述因特网包括但不限于互联网、局域网。

进一步的，所述公网链路模块涵盖5模13频，即支持TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、GSM五种不同的通信模式，13频为五模支持的频段。

进一步的，所述公网链路模块支持RNDIS远程网络驱动接口和发送注册包/心跳包数据，地面终端和微型无人机集群可以通过该模块连接互联网，用户并可通过远程命令设置模块参数和远程更新，同时可从网络动态修改模块的串口参数。

进一步的，所述微型无人机集群与地面终端设备之间通信传输的数据均采用256位AES加密技术进行加密。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：该***在降低微型无人机无线通信器件成本的同时，可更好的实现的微型无人机集群的监管控制，具有传输速率快、距离远、数据可靠、抗干扰能力强、误码率低等优点。

附图说明

图1为本发明一种基于公用无线通信网络的微型无人机集群通信传输***组成结构示意图。

图2为本发明优选的一种微型无人机节点的***组成框图。

附图标记：1-微型无人机集群节点、2-无人机侧公网数据链路、3-无人机侧公网基站、4-因特网、5-服务器、6-终端侧公网基站，7-终端侧公网数据链路，8-地面终端设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1，本发明提供了一种基于公用无线通信网络的微型无人机集群通信传输***，该***为微型无人机集群组网和数据远距离实时传输提供了一种简单可靠、高效低价、稳定安全的解决方案。可将传统360P图像传输距离提高至1080P甚至4K，将原来2Km的集群控制距离提高至几千公里，将传统一对一的通信传输能力提高至一对几百，同时可避免集群数量上升所带来的通信组网设置极其复杂的问题。于此同时，该***内的微型无人机均具备唯一的电子识别码，非常便于航空器管理部门对无人机进行监管。具体方案如下：

一种基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，包括微型无人机集群、公网无线传输***、地面终端设备，微型无人机集群通过公网传输***与地面终端设备相互通信；

微型无人机集群1由若干同类或不同类的微型无人机节点组成；各微型无人机节点采集状态信息传输至地面终端设备以及接收地面终端设备下发的控制指令；

公网无线传输***包括终端侧公网数据链路7、终端侧公网基站6、服务器5、无人机侧公网基站3及无人机侧公网数据链路2，地面终端设备通过终端侧公网数据链路与终端侧公网基站通信；无人机集群节点通过无人机侧公网数据链路与无人机侧公网基站通信；服务器5通过因特网4分别与终端侧公网基站和无人机侧公网基站通信；优选的，公网基站指固定站、应急通信车等通信设备；

地面终端设备8，用于接收无人机集群传输的无人机节点状态信息及下达控制指令给各无人机节点。

所述微型无人机节点包括无人机平台、信号处理模块、智能决策单元、安全模块、GPS定位模块、公网链路模块及信息采集模块，

其中，智能决策单元为微型无人机集群节点的中枢处理控制部分，集成智能处理及控制、数据采集及预处理、链路通信、电源管理、接口转换等功能，用于微型无人机集群节点的状态信息感知和分析决策。信号处理模块，用于对信息采集模块的回传信号进行解析；安全模块存储有微型无人机集群节点唯一的电子识别码、用户基本信息以及ID、飞行时间、故障记录、空域权限等无人机注册信息。GPS定位模块用于微型无人机集群节点位置信息的获取；信息采集模块分别用于采集无人机集群节点的高度信息、运动状态信息、节点与障碍物间距离信息以及视频图像；公网链路模块用于接入公网数据链路。

公网无线传输***中传输的数据为所述公网数据为采用Mavlink通信协议编配的导航命令、路径点信息、配置调整、数据请求、安全指令、飞行状态等数据信息。

在一个优选实施例中，所述公网链路模块涵盖5模13频，即支持TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、GSM五种不同的通信模式，13频为五模支持的频段。

所述公网链路模块支持RNDIS远程网络驱动接口和发送注册包/心跳包数据，地面终端和微型无人机集群可以通过该模块连接互联网，用户并可通过远程命令设置模块参数和远程更新，同时可从网络动态修改模块的串口参数。

在本实施例中，微型无人机集群由一个个独立的智能微型无人机组成，该微型无人机是实现集群目标和功能需求的基础个体单元，以自主运行为核心能力，具备定位、定高、定点、安全围栏、飞行禁区、自主起降、自主飞行、自主航迹规划、自主避障等功能，并通过公网链路模块将位置、油门、转向、高度、姿态、速度、电量、电压、电路、实时图像、监测数据等信息实时传递给公网无线传输***连接，同时通过公网链路模块接受地面终端通过公网无线传输***下发的控制指令及任务指令。工作载荷设备主要是各种光学摄像头及配套的增稳云台，增稳云台主要用于减弱飞机振动对对光学摄像头拍摄效果的影响。安全模块包含用户基本信息以及无人机型号、参数、ID、飞行时间、故障记录、空域权限等注册信息。

公网无线传输***一方面通过公网基站接收微型无人机上的公网链路模块上传的无人机位置、油门、转向、高度、姿态、速度、电量、电压、电路、实时图像、监测数据等无人机状态任务信息，通过因特网传输到服务器，服务器通过因特网将无人机状态任务信息实时转发至地面站终端设备连接的公网基站，地面站终端设备通过公网链路模块接收公网基站下发的无人机状态任务信息；另一方面，公网数据包括地面终端对无人机进行导航命令、路径点设置、配置调整、数据请求、安全指令，以及无人机对地面站的指令响应、飞行状态数据等；所述服务器为设有特定数据处理分析软件的定制化服务器，具备控制指令、实时状态等信息低延时转发功能。

地面终端设备以装有集群***控制软件的高性能计算单元为主要载体，装有安全监测模块、数据存储模块以及显示器单元，通过公网链路模块与公网无线传输***连接，一方面接收集群内各节点无人机回传的数据信息，包括但不限于位置、油门、转向、高度、姿态、速度、电量、电压、电路、实时图像、监测数据等，集群***控制软件将此类信息通过高性能计算单元处理之后由显示器呈现给操作人员，并将异常、故障等关键信息以声音和闪烁的方式警示操作人员，从而实现对无人机集群***编队及各微型无人机节点状态信息的实时监控。支持单架或多架无人机的解锁、上锁、起降返航以及基于地图规划的飞行轨迹优化。

在一个优选实施例中，无人机通过光学摄像头获取原始视频数据，然后采用硬件压缩编码，编码后的每一帧数据都被添加一个RTP协议报文头，形成RTP数据报文，然后数据报文通过公网传输协议传输给服务器，之后传给地面终端设备。

在一个优选实施例中，所述信息采集模块包括气压计、九轴传感器模块、超声波传感器、光流传感器、光学摄像头。所述气压计用于微型无人机集群节点高度信息的获取；所述九轴传感器模块用于微型无人机集群节点运动状态信息的获取；所述超声波、光流用于微型无人机集群节点与障碍物间距离信息的获取。

本发明还提供了该传输***的工作方法：

微型无人机节点上电以后，通过智能决策单元收集无人机平台自身状态信息、传感器信息、图像信息等，并根据公网链路模块信号传输协议将信号发送给公网基站；

微型无人机集群节点根据公网链路模块中唯一的电子识别码为安全模块提供注册信息，安全模块读取无人机GPS位置、油门、转向、高度、姿态、速度、电量、电压等状态信息，根据航空器管理部门的监管许可情况为无人机平台发送起飞发送许可指令；

公网基站将公网链路模块上传的无人机的GPS位置、油门、转向、高度、姿态、速度、电量、电压、实时图像、监测数据等无人机状态任务信息，通过因特网传输到服务器；

服务器将姿态信息、视频数据作为下行信号通过公网基站和地面站端公网链路模块发送给地面终端设备；

地面终端设备将接到的各无人机节点回传的数据信息解析，确认开机无人机的数量，并根据微型无人机唯一的电子识别码进行编号组网；

地面终端设备综合处理各微型无人机节点的状态信息，融合控制操作人员指令，根据预先设定的集群控制规则，并考虑延时、误差，滤波后，对无人机集群内正在执行和未执行任务进行统一管理判断；

在综合考虑避撞、群体运动一致性等问题，对各种信息指令优化处理之后，集群控制地面站生成各微型无人机节点控制指令，反馈给人机交互界面并通过公网链路输出至公网基站；

公网基站将公网链路上传的控制指令，通过因特网传输到服务器；

服务器分析控制指令所对应的微型无人机，作为上行信号通过公网基站和无人机端公网链路模块发送给微型无人机；

信息处理模块根据装配的各传感器回传信号进行姿态解析，接收地面终端设备下发的控制指令，处理之后输出驱动电机旋转指令；

与此同时，集群控制地面站根据集群内每架无人机传回的空间位置、速度、加速度以及探测到的障碍物等信息，对集群内的每架无人机轨迹进行实时优化更正，避免集群内的无人机相互之间发生碰撞，且旋翼无人机集群节点在执行任务过程中持续进行自主避撞；由此实现基于公用无线通信网络的微型无人机集群控制，避撞方法采用人工势能场法。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，包括微型无人机集群、公网无线传输***、地面终端设备，微型无人机集群通过公网传输***与地面终端设备相互通信；

所述微型无人机集群由若干同类或不同类的微型无人机节点组成；各微型无人机节点采集状态信息传输至地面终端设备以及接收地面终端设备下发的控制指令；

公网无线传输***包括终端侧公网数据链路、终端侧公网基站、服务器、无人机侧公网基站及无人机侧公网数据链路，地面终端设备通过终端侧公网数据链路与终端侧公网基站通信；无人机集群节点通过无人机侧公网数据链路与无人机侧公网基站通信；服务器通过因特网分别与终端侧公网基站和无人机侧公网基站通信；

地面终端设备，用于接收无人机集群传输的无人机节点状态信息及下达控制指令给各无人机节点。

2.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述微型无人机节点包括无人机平台、智能决策单元、信息处理模块、安全模块、GPS定位模块、公网链路模块及信息采集模块，智能决策单元用于微型无人机集群节点的状态信息感知和分析决策；安全模块存储微型无人机集群节点唯一的无人机注册信息；所述GPS定位模块用于微型无人机集群节点位置信息的获取；信息采集模块分别用于采集无人机集群节点的高度信息、运动状态信息、节点与障碍物间距离信息以及视频图像；公网链路模块用于接入公网数据链路。

3.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述无人机集群通信传输***工作过程为：微型无人机节点上电后，通过智能决策单元收集无人机平台自身状态信息、采集模块采集的信息形成无人机信息，通过公网链路模块信号传输协议将信号发送至无人机侧公网基站；再经由传输至服务器下发至终端侧公网基站，通过终端侧公网数据链路发送至地面终端设备；

地面终端设备对接收到各无人机节点的信息进行解析，确认开机无人机的数量，并根据无人机的注册信息进行编号组网；地面终端设备综合处理各微型无人机节点的状态信息，生成各微型无人机节点控制指令，并通过公网无线传输***传输至服务器，服务器分析控制指令并将相应控制指令发送至所对应的微型无人机；无人机节点的智能决策单元接收并分析控制指令，输出驱动电机旋转指令至无人机平台控制无人机。

4.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述信息采集模块包括气压计、九轴传感器模块、超声波传感器、光流传感器、光学摄像头。

5.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，无人机通过光学摄像头获取原始视频数据，然后采用硬件压缩编码，编码后的每一帧数据都被添加一个RTP协议报文头，形成RTP数据报文，然后数据报文通过公网传输协议传输给服务器，之后传给地面终端设备。

6.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，地面终端设备还根据每架无人机传回的空间位置、速度、加速度以及探测到的障碍物信息，对集群内的每架无人机轨迹进行实时优化更正，避免集群内的无人机相互之间发生碰撞，且旋翼无人机集群节点在执行任务过程中持续进行自主避撞。

7.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述因特网包括但不限于互联网、局域网。

8.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述公网链路模块支持TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、GSM五种不同的通信模式，涵盖5模13频。

9.根据权利要求8所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述公网链路模块支持RNDIS远程网络驱动接口和发送注册包/心跳包数据，地面终端和微型无人机集群可以通过该模块连接互联网，用户并可通过远程命令设置模块参数和远程更新，同时可从网络动态修改模块的串口参数。

10.根据权利要求1所述的基于公用无线通信网络的无人机集群通信传输***，其特征在于，所述微型无人机集群与地面终端设备之间通信传输的数据均采用256位AES加密技术进行加密。

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