技术领域
[0001] 本
发明涉及无人机的技术领域,更具体地,涉及集群无人机分布式快速通信系统及通信方法。
背景技术
[0002] 无人机行业处于快速增长的时代,无人机已经在航拍、农业、测绘等方面得到了很大的应用。对于单个无人机,能够搭载各种各样的
传感器与机载电脑进行环境
感知、状态预测与信息处理。对于简单的任务,如单目标
跟踪,慢速的场景构建,少量物品运输等,单个无人机即可完成。但是,面对日益复杂的场景和任务,如多目标跟踪,快速场景的SLAM和灾区搜救等,单个无人机已经越来越难满足对应的需求。为了解决这个问题,需要多架无人机协同才能高效率地完成复杂任务,才能满足各个方面的要求,使无人机在各个行业中得到更加广泛的应用。
[0003] 在无人机协同系统中,系统内部的信息交流是必须环节。一方面,通过可靠的信息交流,使得系统内部信息融合,优化整个系统的任务分配,提高整个系统的运作效率。另一方面,通过系统内部的信息传输与交流,无人机能够获得比单个无人机更加广阔的探测范围,有利于作出提前的规划与控制。因此,集群无人机之间的快速稳定通信方式势在必行。
[0004] 而
现有技术中,无人机群主要是以地面站为中心的通信架构,地面站处于通信的中心,负责整个通信系统的时序分配。各个无人机都只是跟地面站保持联系,无人机与无人机之间并没有进行直接信息的交流。对于高成本的MIMO通信系统,地面站可以不考虑时序问题,而对于低成本的通信模
块,其并没有提供复用部分。而且这种低价的通信系统也为市面上最常见的通信系统。因此,对于此问题,通常的解决方案是采用轮询的通信方式,地面站依次发出指令询问单个
飞行器的状态。一次的通信方式与TCP/IP的三次握手方式类似,首先地面站发送
请求帧,飞行器再返回数据帧,地面站收到后再发送应答帧。以地面站作为整个系统主要的中心的系统相对来说比较容易实现,对于基本的通信逻辑
修改只要修改地面站即可。集群无人机每增加一架无人机,在每个通信周期中就要多增加三次通信。
[0005] 目前集群无人机通信系统的主要缺点如下:
[0006] (1)在目前的集中式通信架构上大部分是以地面站为中心的通信系统。系统极其脆弱,地面站一旦出问题,整个系统就会崩溃。如果改为分布式的通信,将通信任务分散到各个无人机,通信系统的鲁棒性和抗干扰性将大大增加。对于地面站的发送与接收功率要求也非常高,增大了
能源的消耗。
[0007] (2)在通信方法上基本上是以轮询的通信方式,地面站发出指令询问单个飞行器,飞行器再返回数据,地面站收到后再发送应答。地面站以这种方式逐个询问飞行器数据,通信周期被拉延长,数据更新不及时。应答帧虽然确保了通信的可靠性,但是对于通信链路中的利用率比较低,其中有价值的数据不高,存在冗余。
发明内容
[0008] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种
缺陷,提供集群无人机分布式快速通信系统及通信方法,提高了通信系统的鲁棒性和通信实时性。本
专利将通信任务分布到各个无人机上,实现分布式通信,提高了通信系统的鲁棒性和抗干扰性,即使任何一架无人机失联了也不影响整个系统的通信运转。弱化地面站的功能,地面站只是一个应急处理和显示信息的工具,而不是整个系统的核心。
[0009] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:集群无人机分布式快速通信系统,其特征在于,包括多个无人机及地面站的1个上位机,多个无人机及地面站的1个上位机之间依次
串联连接。
[0010] 本发明中,是以通信环的形式,串联起来每个无人机以及地面站。由于本通信系统采用的是透明广播通信,只要避免通信冲突,在同个信道上的无人机以及地面站都可以接收到所有信息。地面站作为通信的第一环(最后一环),可以控制整个无人机群,比如
起飞降落、传输设置参数等。
[0011] 本发明中,改进轮询的通信方式,不再是地面站请求飞行器发送数据,而是将多架无人机组成通信环,只需要一个启动
信号,通信环将会周而复始地运转。即使其中有一架无人机暂时通信失败,也不影响整个通信系统,通信环将暂时跳过此架飞行器。同时取消了专
门的应答信号,而是将下一架无人机的通信内容当做给上一架的应答信号,大大提高了通信的速度,至少是原来的三倍,缩短了通信周期。
[0012] 进一步的,利用所述的集群无人机分布式快速通信系统的通信方法,其中:包括以下步骤,
[0013] S1.帧头,标识一帧数据的开始;
[0014] S2.目标地址,代表广播发送或者发给
指定飞行器;
[0015] S3.源地址,代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的;
[0016] S4.序号,代表第几次发送数据,可以作为通信的时间戳,判断是否缺帧;
[0017] S5.信息标识,指的是该帧数据包含的是什么类型的数据;
[0018] S6.校验和,将前面所有数据进行相加取最后的两字节。
[0019] 通信协议,是依照数据类型可以变长度的帧。起始是帧头,标识一帧数据的开始;接着就是目标地址,代表广播发送或者发给指定飞行器;然后是源地址,代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的;接着就是序号,代表第几次发送数据,可以作为通信的时间戳,判断是否缺帧;信息标识指的是该帧数据包含的是什么类型的数据,比如是GPS
位置信息或者是飞行速度信;最后的校验和,是将前面所有数据进行相加取最后的两字节,以保证接收方可以校验数据的正确性。
[0020] 本发明的具体通信流程如下:
[0021] 当一个通信周期开始的时候,地面站发出起飞指令。这时候由于是透明广播通信,在同一信道的所有飞行器都会接收到,通过通信协议的解析,每架飞行器可以知道信息的来源。但是收到信息的飞行器并不需要发送应答,只需要判断信息是否发送给自己,并且做出相应处理即可。当飞行器一号解析地面站发出来的信息后,才会发出自己的信息。
[0022] 这个飞行器一号的信息有三个作用,一是作为给地面站的应答信号,表示一号机已经接收到地面站的信号,地面站不需要再次重发信息;二是作为二号机发送信息的启动信号,只有当二号机接收到一号机信息的时候,二号机才会发出自己的信息;三是广播告知所有的飞行器自己的信息,以及传给地面站显示自己的位置等信息。
[0023] 同理,二号机收到一号机信息之后,也会发出自己的信息,三个作用也是同上,一是上一架无人机的应答,二是下一架的启动信号,三是把自己信息广播告知所有无人机。利用机制上的约定,减少信息传递上的冗余,增大通信的效率。
[0024] 进一步的,所述的通信系统包括以下
电路模块:电源转换电路、与电源转换电路连接的稳压电路、与稳压电路连接的
微处理器,微处理器连接外部
接口电路以及通信模块。
[0025] 与现有技术相比,有益效果是:本发明提高了通信系统的鲁棒性和通信实时性。本专利将通信任务分布到各个无人机上,实现分布式通信,提高了通信系统的鲁棒性和抗干扰性,即使任何一架无人机失联了也不影响整个系统的通信运转。弱化地面站的功能,地面站只是一个应急处理和显示信息的工具,而不是整个系统的核心。
[0026] 另外,改进轮询的通信方式,不再是地面站请求飞行器发送数据,而是将多架无人机组成通信环,只需要一个启动信号,通信环将会周而复始地运转。即使其中有一架无人机暂时通信失败,也不影响整个通信系统,通信环将暂时跳过此架飞行器。同时取消了专门的应答信号,而是将下一架无人机的通信内容当做给上一架的应答信号,大大提高了通信的速度,至少是原来的三倍,缩短了通信周期。
附图说明
[0027] 图1为本发明的整体的通信架构示意图;
[0028] 图2为本发明的通信方法示意图;
[0029] 图3为本发明的具体实例的整个流程示意图;
[0030] 图4为本发明的C#编写的地面站软示意图;
[0031] 图5为本发明的电路部分各个模块的系统
框架示意图。
具体实施方式
[0032] 附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本
实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
[0033] 如图1所示,是以通信环的形式,串联起来每个无人机以及地面站。由于本通信系统采用的是透明广播通信,只要避免通信冲突,在同个信道上的无人机以及地面站都可以接收到所有信息。地面站作为通信的第一环(最后一环),可以控制整个无人机群,比如起飞降落、传输设置参数等。
[0034] 通信协议如图2所示,是依照数据类型可以变长度的帧。起始是帧头,标识一帧数据的开始;接着就是目标地址,代表广播发送或者发给指定飞行器;然后是源地址,代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的;接着就是序号,代表第几次发送数据,可以作为通信的时间戳,判断是否缺帧;信息标识指的是该帧数据包含的是什么类型的数据,比如是GPS位置信息或者是飞行速度信;最后的校验和,是将前面所有数据进行相加取最后的两字节,以保证接收方可以校验数据的正确性。
[0035] 图1的通信架构,与图2的通信方法,构成了本专利最核心的部分。下面结合图3举例说明整个通信的流程。
[0036] 当一个通信周期开始的时候,地面站发出起飞指令。这时候由于是透明广播通信,在同一信道的所有飞行器都会接收到,通过通信协议的解析,每架飞行器可以知道信息的来源。但是收到信息的飞行器并不需要发送应答,只需要判断信息是否发送给自己,并且做出相应处理即可。当飞行器一号解析地面站发出来的信息后,才会发出自己的信息。
[0037] 这个飞行器一号的信息有三个作用,一是作为给地面站的应答信号,表示一号机已经接收到地面站的信号,地面站不需要再次重发信息;二是作为二号机发送信息的启动信号,只有当二号机接收到一号机信息的时候,二号机才会发出自己的信息;三是广播告知所有的飞行器自己的信息,以及传给地面站显示自己的位置等信息。
[0038] 同理,二号机收到一号机信息之后,也会发出自己的信息,三个作用也是同上,一是上一架无人机的应答,二是下一架的启动信号,三是把自己信息广播告知所有无人机。利用机制上的约定,减少信息传递上的冗余,增大通信的效率。
[0040] 左上方的是串口区,使用的是C#提供的串口控件,可以设置波特率并且设置有多少架无人机参与通信,使用转串口模块连接电脑,识别串口获得端口号,收集数据传回地面站,这个区域是地面站数据的入口。
[0041] 左边中间的区域是单架飞机的控制区,可以灵活地控制集群无人机中的单架无人机,也可以控制其中几架,可以非常方便地完成自定义任务以及应急措施。
[0042] 中间一大块区域就是这个地面站的核心功能,可以显示集群无人机的位置信息等。这是使用JavaScript和C#联合编程,内嵌了百度地图,同时将GPS信号经过一系列解密转换
算法的处理,精准地换算出百度地图
坐标系下的坐标,使得飞行器的实际位置跟地图中的位置对应。同时还可以切换地图的不同显示模式,除了一般的地图模式,还有卫星和三维等模式。在室内就可以实时观看到集群无人机的位置等信息。
[0043] 中间下方的是编队的控制区,可以控制集群无人机以一定的队形编队飞行,以及切换队形等。当然,这也能够自主设定无人机编队为任意队形,触发功能后,只需要任意点击地图,即可以指定任意的形状。这个区域还包括设定队形的各种参数。
[0044] 右侧则是地面站的监控区域,可以实时得知集群无人机的状态,查看每架无人机是实时的经纬度等,还可以从串口缓冲区读出接收到的原始数据,便于后续的处理。
[0045] 总的来说,整个地面站软件部分在整个快速通信系统起到显示,监测,应急的作用,将集群无人机的编队完成复杂任务的过程
可视化了,还起到监测,应急的作用,提高了整个通信系统的可靠性,是必不可少的一环。
[0046] 图5是电路部分各个模块的系统框架。
[0047] 电源转换电路
[0048] 微处理器需要5V/2A的直流
电压,而无人机使用的是4S航模
电池,电压在14.8V-16.8V之间,因此我们需要电源转换电路将航模电池电压稳压到5V,并且输出
电流是2A,否则微处理器会因为电流不足而出现各种问题设置死机。
[0049] 稳压电路
[0050] 微处理器对电压的要求十分苛刻,经过电源转换电路之后,电压的纹波还是比较大,直接接微处理器还是很容易出现问题,因此还需要稳压电路减小纹波。
[0051] 微处理器
[0052] 微处理器是整个无人机通讯终端的控制中心,它主要承担解析协议,控制无人机等功能。
[0053] 通信模块
[0054] 通信模块十分重要,使用的是2.4-2.518GHz的通信频段,使用透明传输的工作方式,模块发射时根据自身设置的地址和信道,将用户数据经过编码加密后,随机发射到空中。同一信道的接收方收到数据后进行反向解码,如果校验通过之后则转串口输出数据。使用串口协议与微处理器进行通信。使用透明传输的工作方式可以实现广播通信。
[0055] 外部接口电路
[0056] 外部接口电路采用串口通信协议,留有外部连接器,分别为GND,RX,TX。该接口可进行有线连接,也可以连接无线模块,以扩展该通信系统的功能。目前连接飞控以给飞控指令完成指定飞行任务。
[0057] 显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明
权利要求的保护范围之内。