CN115149996A - 一种基于无人机的海洋通信***及方法 - Google Patents

一种基于无人机的海洋通信***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的海洋通信***及方法，克服了现有技术中海洋通信覆盖面较低、通信不稳定的问题，海洋通信***包括：轨迹规划模块，用于设置无人机目标位置，规划无人机行驶路径；无人机，用于构建蜂窝网络结构，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信；监测平台，用于监测无人机的位置以及状态。利用无人机实现海洋通信，解决了陆地信号不足或者空中卫星信号不强导致海洋通信不稳定的问题，同时利用无人机构建蜂窝网络结构，实现了更大覆盖范围的海洋通信。

Description

一种基于无人机的海洋通信***及方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及了一种基于无人机的海洋通信***及方法。
背景技术
目前陆地通信主要采用5G信号进行通信，空中用雷达或者卫星进行通信，目前，海洋通信通常采用短波通信或北斗卫星通信的方式，将海洋气象等信息发送给船载设备，实现了覆盖范围约为500公里到1000公里的通信。
但在实践中发现，现在的海洋通信***，都单一地使用单个通信信道进行通信，每种通信方式都有不同的稳定性和覆盖范围，且各个海洋通信***之间的数据不能共通，从而导致现在的海洋通信不能覆盖全海洋。可见，当前的海洋通信方法存在着覆盖面较低、通信不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中海洋通信覆盖面较低、通信不稳定的问题，提供了一种基于无人机的海洋通信***及方法，解决了陆地信号不足或者空中卫星信号不强导致海洋通信不稳定的问题，实现了更大覆盖范围的海洋通信。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于无人机的海洋通信***，包括：
轨迹规划模块，用于设置无人机目标位置，规划无人机行驶路径；
无人机，用于构建蜂窝网络结构，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信；
监测平台，用于监测无人机的位置以及状态。
本发明利用无人机实现海洋通信，解决了陆地信号不足或者空中卫星信号不强导致海洋通信不稳定的问题，同时利用无人机构建蜂窝网络结构，实现了更大覆盖范围的海洋通信。
作为优选，所述无人机包括：
电能转换装置，用于将其他形式的能量转换为电能，并将转换的电能提供给电源装置；
电源装置，用于为无人机提供工作电源；
中转装置，用于无线信号收发；
不倒翁装置，用于在恶劣天气环境下维持无人机平衡。
作为优选，所述电能转换装置包括：
太阳能转换装置，用于将太阳能转换为电能，并将转化的电能发送给电源装置；
机械能转换装置，用于将运动的无人机的机械能转换为电能，并将转化的电能发送给电源装置。
太阳能转换装置作为电源装置的主要供电来源，机械能转换装置转换的电能作为备用电能储存。
作为优选，所述电源装置包括：
主电仓，用于利用太阳能给无人机正常飞行以及信号发射接收使用；
备用电仓，用于在主电仓电量低时，利用无人机机械能转换的电能给无人机提供工作电源。
本发明加入太阳能供电装置，并设置两个充电仓，其中一个充电仓是是主电仓，用太阳能充电并且用来正常无人机飞行过程中供电使用；另一个电仓是备用电仓。当主电仓在天气良好的情况下正常通过太阳能电池板充电以及放电给无人机正常飞行以及信号发射接收使用。在天气不好时候主电仓中电池电量达到20％时候自动切换备用电仓为无人机供电，并且将无人机的动能转换成电能优先存储到备用电仓。进行循环往复提高在恶劣天气没有太阳情况下的正常运转。
作为优选，所述不倒翁装置包括半球形外壳，所述外壳内底部设有重物，所述不倒翁装置安装在无人机下方。在无人机底部偏中间的地方，进行不倒翁原理处理，安装不倒翁装置，这样重心低,可以提高稳定程度，使无人机不易倾倒或翻身。形状规则的物体重心在它的几何中心,不倒翁的外形看起来像只蛋，但是为了提高稳定程度,在外壳内的底部放了很重的东西，无人机将两组电池放入在底部，并且对底部进行防锈防水处理。
一种基于无人机的海洋通信方法，包括以下步骤：
S1：规划无人机预定飞行路径，使无人机达到目标位置；
S2：利用无人机建立蜂窝网络；
S3：通过建立的蜂窝网络，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信。
本发明通过多个无人机构建海上的无线网络，扩大了信号覆盖范围，保证了信号传输的稳定性。
作为优选，所述的步骤S1中，还包括：
S1.1：根据无人机网络覆盖范围确定无人机目标位置，采集无人机当前坐标信息，利用模拟激光点云获取无人机前方障碍物的三维坐标；
S1.2：根据步骤S1.1中的数据，确定无人机预定飞行路径，并设定无人机飞行速度；
S1.3：无人机根据预定飞行路径以及飞行速度，从监测平台飞行至目标位置。
无人机的预定飞行路径，还可以通过人为控制进行训练(通过使用深度学习原理结合遥感使用)，当模型训练成熟之后，直接将无人机进行放出，使其到达目标位置，并通过后台进行观察无人机的位置以及状态。
作为优选，所述的步骤S1.3中，还包括：
S1.3.1：采集无人机实时坐标信息，判断无人机是否偏移预定飞行路径；
S1.3.2：若偏移预定飞行路径，确定无人机当前偏移坐标，并在预定飞行路径上找到与当前偏移坐标最近的轨迹坐标点，根据偏移坐标与估计坐标点，确定路径纠正轨迹；
S1.3.3：根据路径纠正轨迹，无人机回到正确的预定飞行路径上。
海面上不止一个无人机，无人机如果偏移预定飞行路径，可能会与其他无人机发生碰撞，因此需要避免无人机偏移预定飞行路径，在偏移预定飞行路径时及时纠正。
作为优选，所述的步骤S2进一步包括：
S2.1：建立陆地5G基站与无人机之间的网络通信连接；
S2.2：建立无人机与船只之间的网络通信连接；
S2.3：建立无人机之间的网络通信连接。
通过建立陆地5G基站与无人机之间的网络通信连接，以及建立无人机与船只之间的网络通信连接，可以将陆地5G基站收到的信号，发送至需要接收的船只上去，且从一个陆地5G基站接收到信号后可以在无人机网状环境下的船只中进行传递，也可以有另外的陆地5G基站接受无人机网络后传出到陆地。再通过建立无人机之间的网络通信连接，海上无人机通过点连成线，线连成片式的移动蜂窝通信网，增大网络覆盖范围，使陆地5G基站通过无人机中转之后能够更远地将信号传输出去以及采集回来。
因此，本发明具有如下有益效果：1、利用无人机实现海洋通信，解决了陆地信号不足或者空中卫星信号不强导致海洋通信不稳定的问题，同时利用无人机构建蜂窝网络结构，实现了更大覆盖范围的海洋通信；2、无人机设有两个充电仓，使无人机在恶劣天气或没有太阳情况下也能正常运转，延长无人机的续航能力，提高无人机在实际应用中的工作能力；3、在无人机底部设置不倒翁装置，保证在大风大浪环境下，无人机不会沉入海底且能回归到原始的位置进行信号发送，提高海洋通信稳定性。
附图说明
图1为本发明海洋通信***的***结构示意图。
图2为本发明中无人机的架构图。
图3为本发明海洋通信方法的具体操作流程图。
图4为本发明蜂窝网络结构的架构图。
图中：1、无人机；2、轨迹规划模块；3、监测平台；4、电能转换装置；5、电源装置；6、中转装置；7、不倒翁装置；8、陆地5G基站；9、船只。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例一：
如图1所示的实施例中，可以看到一种基于无人机的海洋通信***，包括：用于设置无人机目标位置，规划无人机行驶路径的轨迹规划模块2；用于构建蜂窝网络结构，实现陆地5G基站8与海洋上船只9之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信的无人机1以及用于监测无人机的位置以及状态的监测平台3。利用无人机，实现通过海上无人机进行点连成线，线连成片式的通信网，使陆地基站通过无人机中转之后能够更远地将信号传输出去以及采集回来，扩大海洋通信的覆盖范围。
其中轨迹规划模块包括用于定位无人机坐标的GPS定位模块、采集无人机前方障碍物信息的障碍物信息获取模块，障碍物信息获取模块可以为激光点云***，也可以是相机，由相机获取图像信息。
如图2所示，所述无人机包括用于将其他形式的能量转换为电能，并将转换的电能提供给电源装置的电能转换装置4，用于在恶劣天气环境下维持无人机平衡的不倒翁装置7，用于为无人机提供工作电源的电源装置5以及用于无线信号收发的中转装置6，所述电源装置分别与电能转换装置、中转装置连接，所述不倒翁装置安装在无人机底部。
本实施例中，电能转换装置包括用于将太阳能转换为电能，并将转化的电能发送给电源装置的太阳能转换装置以及用于将运动的无人机的机械能转换为电能，并将转化的电能发送给电源装置的机械能转换装置；电源装置包括用于利用太阳能给无人机正常飞行以及信号发射接收使用的主电仓以及用于在主电仓电量低时，利用无人机机械能转换的电能给无人机提供工作电源的备用电仓，所述主电仓与太阳能转换装置连接，备用电仓与机械能转换装置连接。
通过设置两个充电仓，其中主电仓使用太阳能充电并且用来正常无人机飞行过程中供电使用，是在天气良好的情况下正常通过太阳能转换装置充电、放电给无人机正常飞行以及信号发射接收使用；备用电仓作为备用，在天气不好时候或主电仓电量降低到20％的时候，自动切换备用电仓为无人机供电，并且将无人机的机械能转换成电能优先存储到备用电仓。进行循环往复，提高无人机在恶劣天气或没有太阳情况下的正常运转能力，从而提高海洋通信的稳定性。
本实施例还提供了一种基于无人机的海洋通信方法，如图3所示，其操作流程为：步骤一，规划无人机预定飞行路径，使无人机达到目标位置；步骤二，利用无人机建立蜂窝网络；步骤三，通过建立的蜂窝网络，通过建立的蜂窝网络，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信。本发明通过多个无人机构建海上的无线网络，扩大了信号覆盖范围，保证了信号传输的稳定性。
具体表现为：
第一步：规划无人机预定飞行路径，使无人机达到目标位置
根据无人机网络覆盖范围确定无人机目标位置，采集无人机当前坐标信息，利用模拟激光点云获取无人机前方障碍物的三维坐标，其中障碍物包括环境障碍物和所述多无人机集合中除所述目标无人机以外的其它无人机。
确定无人机预定飞行路径，并设定无人机飞行速度；其中预定飞行路径可以设置不止一条，包括主预定飞行路径与副预定飞行路径。在无人机沿预定飞行路径飞行至目标位置时：采集无人机实时坐标信息，判断无人机是否偏移预定飞行路径；若偏移预定飞行路径，确定无人机当前偏移坐标，并在预定飞行路径上找到与当前偏移坐标最近的轨迹坐标点，根据偏移坐标与轨迹坐标点，确定路径纠正轨迹。
无人机的预定飞行路径，也可以通过认为控制进行训练(通过使用深度学习原理结合遥感使用)，当模型训练成熟之后，直接将无人机进行放出，使其到达目标位置，并通过后台进行观察无人机的位置以及状态。
无人机根据预定飞行路径以及飞行速度，从监测平台飞行至目标位置。
第二步：利用无人机建立蜂窝网络
如图4所示，首先建立陆地5G基站与无人机之间的网络通信连接，然后建立无人机与船只之间的网络通信连接，可以将陆地5G基站收到的信号，发送至需要接收的船只上去，且从一个陆地5G基站接收到信号后可以在无人机网状环境下的船只中进行传递，也可以由另外的陆地5G基站接受无人机网络后传出到陆地。
还可以建立无人机之间的网络通信连接，因为通过无人机与无人机连接，即海上无人机通过点连成线，线连成片式的移动蜂窝通信网，增大网络覆盖范围，使陆地5G基站通过无人机中转之后能够更远地将信号传输出去以及采集回来，并且本专利在无人机发展的同时，其能传输的信号强度以及距离也将会随着变化。
第三步：通过建立的蜂窝网络，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信首先通过陆地5G基站将信号发送到无人机上做中转，然后无人机将中转的信号传递到船上，船在通过附近的通信无人机进行发送信号给其他的船只或者是传递到外界。通过多个无人机之间相互连接成通信网，使得覆盖范围有重叠，信号传输路径也不止一条，从而使通信更加稳定，不会因某一无人机网络出现故障造成通信中断。
且本发明还可以根据目前的海上无人无线船进行搭配使用，无线船的使用距离有限，可以通过无人机蜂窝网络将岸基信号传递到无线船从而增加无人无线船的行驶距离，也从另一个方面增强无人机网络的包含范围。
实施例二：
本实施例对无人机的底部偏中间的地方，进行不倒翁原理处理，这样重心低，可以提高稳定程度，使无人机不易倾倒或翻身。通过安装不倒翁装置实现，其中不倒翁装置包括半球形外壳，但是为了提高稳定程度，在半球形外壳里面的底部放了很重的东西，且将主电仓与备用电仓都安装在半球形外壳里面的底部；同时对半球形外壳外侧底部进行防锈防水处理。
在不倒翁装置中，建立新的平衡是其中主要的问题，因为只有如此才能抵制外力的干扰，而回复原有的平衡则是次要问题，因为此时外力的干扰已经去除。在整个过程中不倒翁始终保持平衡的属性，这便是“平衡的稳定性”。
本实施例中，太阳能转换装置采用太阳能电池板；中转装置采用智能天线阵对接收信号与发送信号进行转接。且本实施例中采用的是高增益天线进行通信，使用目前较为热门的可编程超表面天线阵列作为本项目的天线阵使用，通过软件程序控制天线由波束偏移角度和波束主瓣宽度确定需要跟踪的波束对范围。通过在无人机内部建设信号手法装置，在无人机顶部使用智能天线阵对接收信号与发送信号进行转接，实现陆地5G基站与船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种基于无人机的海洋通信***，其特征在于，包括：
轨迹规划模块，用于设置无人机目标位置，规划无人机行驶路径；
无人机，用于构建蜂窝网络结构，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信；
监测平台，用于监测无人机的位置以及状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的海洋通信***，其特征在于，所述无人机包括：
电能转换装置，用于将其他形式的能量转换为电能，并将转换的电能提供给电源装置；
电源装置，用于为无人机提供工作电源；
中转装置，用于无线信号收发；
不倒翁装置，用于在恶劣天气环境下维持无人机平衡。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的海洋通信***，其特征在于，所述电能转换装置包括：
太阳能转换装置，用于将太阳能转换为电能，并将转化的电能发送给电源装置；
机械能转换装置，用于将运动的无人机的机械能转换为电能，并将转化的电能发送给电源装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的海洋通信***，其特征在于，所述电源装置包括：
主电仓，用于利用太阳能给无人机正常飞行以及信号发射接收使用；
备用电仓，用于在主电仓电量低时，利用无人机机械能转换的电能给无人机提供工作电源。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的海洋通信***，其特征在于，所述不倒翁装置包括半球形外壳，所述外壳内底部设有重物，所述不倒翁装置安装在无人机底部。
6.一种基于无人机的海洋通信方法，应用于权利要求1-5的海洋通信***，其特征在于，包括以下步骤：
S1：规划无人机预定飞行路径，使无人机达到目标位置；
S2：利用无人机建立蜂窝网络；
S3：通过建立的蜂窝网络，实现陆地5G基站与海洋上船只之间、陆地5G基站与陆地5G基站之间的通信。
7.根据权利要求6所述的一种基于无人机的海洋通信方法，其特征在于，所述的步骤S1中，还包括：
S1.1：根据无人机网络覆盖范围确定无人机目标位置，采集无人机当前坐标信息，利用模拟激光点云获取无人机前方障碍物的三维坐标；
S1.2：根据步骤S1.1中的数据，确定无人机预定飞行路径，并设定无人机飞行速度；
S1.3：无人机根据预定飞行路径以及飞行速度，从监测平台飞行至目标位置。
8.根据权利要求7所述的一种基于无人机的海洋通信方法，其特征在于，所述的步骤S1.3中，还包括：
S1.3.1：采集无人机实时坐标信息，判断无人机是否偏移预定飞行路径；
S1.3.2：若偏移预定飞行路径，确定无人机当前偏移坐标，并在预定飞行路径上找到与当前偏移坐标最近的轨迹坐标点，根据偏移坐标与估计坐标点，确定路径纠正轨迹；
S1.3.3：根据路径纠正轨迹，无人机回到正确的预定飞行路径上。
9.根据权利要求6或7所述的一种基于无人机的海洋通信方法，其特征在于，所述的步骤S2进一步包括：
S2.1：建立陆地5G基站与无人机之间的网络通信连接；
S2.2：建立无人机与船只之间的网络通信连接；
S2.3：建立无人机之间的网络通信连接。
10.根据权利要求2或3所述的一种基于无人机的海洋通信方法，其特征在于，所述的步骤S2中，利用天线阵列完成信号收发，所述天线由波束偏移角度和波束主瓣宽度确定需要跟踪的波束对范围。
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