技术领域
[0001] 本
发明涉及通信平台领域，具体为基于北斗的四旋翼无人机中继通信平台。
背景技术
[0002] 目前，地面无人作战系统受到各国陆军的高度重视。美军地面无人作战系统己经在阿富汗和伊拉克战场上积累了丰富经验，俄军地面无人作战系统也在叙利亚战场初露锋芒。地面无人作战平台不仅能代替有人装备完成作战任务——比如能够协助士兵执行运输、侦察、监视、警戒、引导及毁伤评估、突袭与清剿等任务，有效地减少部队伤亡，还能显著增强部队的作战能
力。
[0003] 地面无人作战系统工作时，通讯
信号容易受到
建筑物和地形遮挡(如山坡，凹陷地等)，通讯距离受限，严重影响了地面无人系统的作战效能。针对这一问题，提出了基于北斗
定位的无人机中继平台。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供基于北斗的四旋翼无人机中继通信平台，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于北斗的四旋翼无人机中继通信平台，包括地面控制终端、地面作战系统、无人机中继平台和通讯系统，所述通讯系统包括天线24L01、STM32F407
单片机、232/TTL和北斗，其中天线24L01通过nRF2401与STM32F407单片机的连接通过SPI
接口双向连接，其中232/TTL通过RS-232串口与STM32F407单片机双向连接，其中北斗通过PPS脉冲与STM32F407单片机单向连接，所述地面控制终端包括
操纵台、STM32F407单片机、显示屏、通讯设备和北斗，其中操作台的输出端与STM32F407单片机接收端通过串口单向连接，其中STM32F407单片机输出端和显示屏接收端传输连接，其中通讯设备的输出端与STM32F407单片机的接收端通过串口双向连接，其中北斗通过PPS脉冲与通讯设备的接收端单向连接。
[0006] 优选的，所述无人机中继平台包括北斗、通讯设备和飞控系统，其中飞控系统的输出接收端和通讯系统的输出接收端通过串口双向连接，其中北斗通过PPS脉冲与通讯设备的接收端单向连接。
[0007] 优选的，所述地面作战系统包括北斗、通讯设备、Freescale MK60_VG核心板和
履带车，其中北斗通过PPS脉冲与通讯设备的接收端单向连接，其中通讯设备的输出接收端和Freescale MK60_VG核心板的输出接收端通过串口双向连接，其中Freescale MK60_VG核心板的输出端和履带车的信号接收端通过串口单向连接。
[0008] 优选的，所述天线24L01及无线通讯模
块nRF2401，nRF2401是工作在2.4GHz～2.5Hz的ISM频段的单片机无线收发芯片。空中波特率可达2Mbps。nRF2401与STM32F407单片机的连接通过SPI接口进行通讯。
[0009] 优选的，所述STM32F407单片机，STM32F407单片机是一种高性能微
控制器。其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时
存储器加速器)。
[0010] 优选的，所述北斗及U-BLOX NEO-M8N北斗模块，输出协议为NMEA0813，输出电平为串口TTL电平，天线接口为IPEX/SMA，它的默认比特率为9600。
[0011] 优选的，所述串口及串口通信程序，串口通信程序是自适应组网通信系统与外界的接口，通过RS-232串口接收各分系统发射的通讯数据。
[0012] 优选的，所述PPS脉冲依托北斗精准授时功能，结合片上系统程序设计，在每次秒脉冲上升沿触发首个设备的接收或发送信号，并根据设定的时间间隔和ID顺序，完成地面控制终端和地面无人移动平台数据的接收和发送。
[0013] 优选的，所述操纵台采用11位的A/D转换器，其
采样频率为50Hz。
[0014] 优选的，所述显示屏其尺寸为7英寸，
分辨率为800*480(可以
软件设置90度旋转显示)，显示色彩为64K真彩色。它的串口波特率范围为1200bps-115200bps，串口电平为标准TTL/CMOS。
[0015] 优选的，所述飞控程序的主要功能是自动平衡
飞行器的
姿态。在此
基础上优化了飞控程序，使之能整合地面控制终端和地面无人移动平台
位置信息数据，并利用位置信息数据控制无人机调整飞行状态和飞行位置，同时无人机能根据传输的信号强弱来自动将无人机调节到信号发射与接收的最佳位置。很好地接收地面控制系统发出的控制信息并将控制信息转发给地面无人移动平台。
[0016] 优选的，所述Freescale MK60_VG核心板，Freescale单片机的特点很多，比如全系列，从低端到高端，从8位到32位全系列应有尽有；多种系统时钟模块：三种模块，七种工作模式；多种时钟源输入选项，不同的MCU具有不同的时钟产生机制，可以是RC
振荡器，外部时钟或晶振，也可以是内部时钟，多数CPU同时具有上述三种模块，可以运行在FEI，FEE，FBI，FBILP，FBE，FBELP，STOP这七种工作模式；多种通讯模块接口，与其它系列的单片机不同，Freescale单片机几乎在内部集成各种
通信接口模块：包括串行通信接口模块SCI，多主I2C总线模块，串行外围接口模块SPI，MSCAN08控制器模块，通用
串行总线模块(USB/PS2)；具有更多的可选模块；可靠性高，抗干扰性强；低功耗。
[0017] 优选的，所述履带车依靠左右履带的转速差进行转向，越障能力强，配置K60单片机，单片机通过两路PWM信号对左右
电机(有刷)进行速度调节，K60接收地面控制终端传送的
控制信号和自身北斗位置信息，同时将自身状态信息发送给地面控制终端。
[0018] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] (1)该系统，通过无人机上的通信系统将会接收地面控制终端和地面无人移动平台的北斗位置信息，无人机飞控系统识别并接收无人机通讯系统中的北斗位置信息，同时依据地面控制终端和地面无人移动平台的通讯信号的强弱，根据最优化
算法，无人机自动飞行到传输信息的最佳位置，使地面控制终端和地面无人移动平台与无人机的通讯联系均保持良好状态。地面控制终端的作战指令将会先传输到无人机中继平台然后经无人机再传输到地面无人移动平台，而后地面无人移动平台完成各种作战任务，从而减小了无线信号受遮挡等因素的影响，扩大地面无人作战系统的作战半径。
[0020] (2)该系统，当地面无人移动平台在地面控制终端的控制范围之内时，无人机不
起飞，由地面控制终端向地面无人移动平台直接发送作战信息，而后地面无人移动平台执行地面控制终端发出的作战信息，完成各种作战任务，从而无需无人机进行通讯中继，也可达到地面控制终端直接与地面无人作战系统进行信息交互。
[0021] (3)该系统，通过北斗定位装置负责向无人机飞控模块提供实时的精确位置信息。飞控模块负责整合地面控制终端和地面无人移动平台的北斗位置信息，控制无人机飞行到传输信息的最佳位置。无人机通信中继平台主要负责接收地面控制系统发出的信息并将信息转发给地面无人移动平台。当地面无人移动平台即将脱离地面控制终端的控制范围时，无人机起飞装置将无人机起飞，同时，无人机切换到无人机中继模式，使地面控制终端的控制信息能通过无人机中继平台传输到更远的距离，实现远程指挥。
[0022] (4)该系统，采用秒脉冲实现了地面控制终端、无人机、地面无人作战平台三者间的时间同步，采用时分复用方式解决了无线
射频信号的发射冲突，该自适应组网通讯不仅能传输通用数据，各
节点间也能周期交换北斗位置信息，创新性的实现了无人机不需要人为干预就能始终运行在最优中继位置。
[0023] (5)该系统，采用了无人机中继平台，该平台具备“高空
悬停及跟随”的天然优势，受遮挡作用小，能最大限度接受无线信号，有效增加无线
信号传输距离，提高了无线信号传输
质量和可靠性。
附图说明
[0024] 图1为本发明系统结构示意图；
[0025] 图2为本发明通信系统结构示意图；
[0026] 图3为本发明地面控制终端系统结构示意图；
[0027] 图4为本发明无人机中继平台系统结构示意图；
[0028] 图5为本发明地面无人移动平台系统结构示意图。
具体实施方式
[0029] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0030] 请参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：基于北斗的四旋翼无人机中继通信平台，包括地面控制终端、地面作战系统、无人机中继平台和通讯系统，所述通讯系统包括天线24L01、STM32F407单片机、232/TTL和北斗，其中天线24L01通过nRF2401与STM32F407单片机的连接通过SPI接口双向连接，其中232/TTL通过RS-232串口与STM32F407单片机双向连接，其中北斗通过PPS脉冲与STM32F407单片机单向连接。
[0031] 所述地面控制终端包括操纵台、STM32F407单片机、显示屏、通讯设备和北斗，其中操作台的输出端与STM32F407单片机接收端通过串口单向连接，其中STM32F407单片机输出端和显示屏接收端传输连接，其中通讯设备的输出端与STM32F407单片机的接收端通过串口双向连接，其中北斗通过PPS脉冲与通讯设备的接收端单向连接。
[0032] 所述无人机中继平台包括北斗、通讯设备和飞控系统，其中飞控系统的输出接收端和通讯系统的输出接收端通过串口双向连接，其中北斗通过PPS脉冲与通讯设备的接收端单向连接。
[0033] 所述地面作战系统包括北斗、通讯设备、Freescale MK60_VG核心板和履带车，其中北斗通过PPS脉冲与通讯设备的接收端单向连接，其中通讯设备的输出接收端和Freescale MK60_VG核心板的输出接收端通过串口双向连接，其中Freescale MK60_VG核心板的输出端和履带车的信号接收端通过串口单向连接。
[0034] 天线24L01及无线通讯模块nRF2401，nRF2401是工作在2.4GHz～2.5Hz的ISM频段的单片机无线收发芯片。空中波特率可达2Mbps。nRF2401与STM32F407单片机的连接通过SPI接口进行通讯。
[0035] STM32F407单片机，STM32F407单片机是一种高性能
微控制器。其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时存储器加速器)。
[0036] 北斗及U-BLOX NEO-M8N北斗模块，输出协议为NMEA0813，输出电平为串口TTL电平，天线接口为IPEX/SMA，它的默认比特率为9600。
[0037] 串口及串口通信程序，串口通信程序是自适应组网通信系统与外界的接口，通过RS-232串口接收各分系统发射的通讯数据。
[0038] PPS脉冲，依托北斗精准授时功能，结合片上系统程序设计，在每次秒脉冲上升沿触发首个设备的接收或发送信号，并根据设定的时间间隔和ID顺序，完成地面控制终端和地面无人移动平台数据的接收和发送。
[0039] 操纵台，采用11位的A/D转换器，其
采样频率为50Hz。
[0040] 显示屏，其尺寸为7英寸，分辨率为800*480(可以软件设置90度旋转显示)，显示色彩为64K真彩色。它的串口波特率范围为1200bps-115200bps，串口电平为标准TTL/CMOS。
[0041] 飞控系统，无人机中继平台用到的程序主要为飞控程序，飞控程序的主要功能是自动平衡飞行器的姿态。在此基础上优化了飞控程序，使之能整合地面控制终端和地面无人移动平台位置信息数据，并利用位置信息数据控制无人机调整飞行状态和飞行位置，同时无人机能根据传输的信号强弱来自动将无人机调节到信号发射与接收的最佳位置。很好地接收地面控制系统发出的控制信息并将控制信息转发给地面无人移动平台。
[0042] Freescale MK60_VG核心板，Freescale单片机的特点很多，比如全系列，从低端到高端，从8位到32位全系列应有尽有；多种系统时钟模块：三种模块，七种工作模式；多种时钟源输入选项，不同的MCU具有不同的时钟产生机制，可以是RC振荡器，外部时钟或晶振，也可以是内部时钟，多数CPU同时具有上述三种模块，可以运行在FEI，FEE，FBI，FBILP，FBE，FBELP，STOP这七种工作模式；多种通讯模块接口，与其它系列的单片机不同，Freescale单片机几乎在内部集成各种通信接口模块：包括串行通信接口模块SCI，多主I2C总线模块，串行外围接口模块SPI，MSCAN08控制器模块，
通用串行总线模块(USB/PS2)；具有更多的可选模块；可靠性高，抗干扰性强；低功耗。
[0043] 履带车，履带车依靠左右履带的转速差进行转向，越障能力强，配置K60单片机，单片机通过两路PWM信号对左右电机(有刷)进行速度调节，K60接收地面控制终端传送的控制信号和自身北斗位置信息，同时将自身状态信息发送给地面控制终端。
[0044] 工作原理：当地面无人移动平台在地面控制终端的控制范围之内时，无人机不起飞，由地面控制终端向地面无人移动平台直接发送作战信息，而后地面无人移动平台执行地面控制终端发出的作战信息，完成各种作战任务，当地面无人移动平台即将离开地面控制终端的控制范围时，地面控制终端向无人机发送起飞指令，并改由无人机中继平台控制地面无人移动平台。无人机上的通信系统将会接收地面控制终端和地面无人移动平台的北斗位置信息，无人机飞控系统识别并接收无人机通讯系统中的北斗位置信息，同时依据地面控制终端和地面无人移动平台的通讯信号的强弱，根据最
优化算法，无人机自动飞行到传输信息的最佳位置，使地面控制终端和地面无人移动平台与无人机的通讯联系均保持良好状态。地面控制终端的作战指令将会先传输到无人机中继平台然后经无人机再传输到地面无人移动平台，而后地面无人移动平台完成各种作战任务。通过这种方式扩大了地面控制终端的信息传输的范围。
[0045] 当地面无人移动平台处于地面控制系统的控制范围之内时，二者之间的通信信息可以直接往返；当地面无人移动平台即将超出地面控制终端的控制范围时，地面控制终端控制无人机起飞，此时，无人机中继平台成为地面控制终端和地面无人移动平台通信信息的往返中转站。
[0046] 北斗定位装置负责实时更新地面控制系统的精确位置信息；通信装置负责将指挥机关的控制信息和精确位置信息发送给无人机中继平台；控制系统负责向通信系统提供对地面无人移动平台的控制信息。当地面无人移动平台处于地面控制系统的控制范围之内时，地面控制终端主要负责向地面无人移动平台直接发送控制信息，直接控制地面无人移动平台完成各项任务。当地面无人移动平台即将脱离地面控制终端的控制范围时，地面控制终端控制无人机起飞，此时，地面控制终端主要负责将控制信息和北斗位置信息发送给无人机中继平台。
[0047] 北斗定位装置负责向无人机飞控模块提供实时的精确位置信息。飞控模块负责整合地面控制终端和地面无人移动平台的北斗位置信息，控制无人机飞行到传输信息的最佳位置。无人机通信中继平台主要负责接收地面控制系统发出的信息并将信息转发给地面无人移动平台。当地面无人移动平台即将脱离地面控制终端的控制范围时，无人机起飞装置将无人机起飞，同时，无人机切换到无人机中继模式，使地面控制终端的控制信息能通过无人机中继平台传输到更远的距离，实现远程指挥。
[0048] 地面无人移动平台主要负责执行艰苦危险环境和负责电磁环境下的作战任务，通过人在地面控制终端的控制信息执行无人化的地面作战任务。
[0049] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
[0050] 本系统中涉及到的相关模块均为
硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。
[0051] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
