CN105388907B - 基于移动通信网络的多无人机低空监控系统 - Google Patents
基于移动通信网络的多无人机低空监控系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，包括地面监控计算机和位于无人机上的机载控制系统，所述地面监控计算机和机载控制系统通过移动通信终端相连；所述机载控制系统包括机载飞控计算机和机载任务控制计算机，所述机载飞控计算机与卫星定位设备、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁罗盘、空速计等传感器件连接，所述机载飞控计算机连接4G移动通信终端并与螺旋桨调速系统和舵机等飞行执行机构连接，所述机载任务控制计算机连接任务载荷系统；所述地面监控计算机的输入端和遥感操控装置相连，第一通信端连接4G移动通信终端。本发明能够在移动网络覆盖的低空范围内对多无人机的各种状态进行实时监控，安全可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机监控系统，尤其涉及一种基于移动通信网络的多无人机低空监控系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。无人机目前在航拍、农业植保、测绘等领域已经获得广泛应用。
许多模型遥控飞机也被称为无人机，而复杂的无人机系统一般由飞机平台系统、信息采集系统、数据链和地面控制系统组成。新一代的无人机能从多种平台上发射和回收，例如从地面车辆、舰船、航空器、亚轨道飞行器和卫星进行发射和回收。地面操纵员可以通过计算机检验它的程序并根据需要改变无人机的航向，在区域空照、导航、混合三种模式下进行飞行任务的规划，并实现航飞监控，实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置、电池电压、耗油量、任务状态等重要状态，便于操作人员实时判断任务的可执行性，进一步保证任务的安全。
另一方面，移动通信网络基站覆盖范围广、技术成熟，是监控无人机的一种有效的现有数据链资源，因此有必要提供一种基于移动通信网络的多无人机低空监控系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，能够在低空范围内对多无人机的各种状态进行实时监控，覆盖范围广，安全可靠性高，且易于构建冗余通道。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，包括地面监控计算机和位于无人机上的机载控制系统，其中，所述地面监控计算机和机载控制系统通过移动通信终端相连。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述机载控制系统包括交联通信的机载飞控计算机和机载任务控制计算机，所述机载飞控计算机通过数据总线连接卫星定位设备、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁罗盘、气压高度计、空速计、超声波传感器、电压传感器和油位传感器接收传感输入信号，所述机载飞控计算机输出控制信号给螺旋桨调速系统和舵机，所述机载飞控计算机和机载任务控制计算机的第一通信端连接4G移动通信终端，所述机载任务控制计算机连接任务载荷系统；所述地面监控计算机的输入端和遥感操控装置相连，所述地面监控计算机的第一通信端连接4G移动通信终端；所述载飞控计算机与地面监控计算机之间通过4G移动通信终端传送监控数据，所述机载任务控制计算机与地面监控计算机之间通过4G移动通信终端传送视频数据。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述机载飞控计算机的第二通信端连接机载数传终端，所述地面监控计算机的第二通信端连接地面数传终端，所述机载数传终端与地面数传终端之间形成用于传送监控数据的冗余通道；所述机载任务控制计算机的第三通信端连接机载图传终端，所述地面监控计算机的第三通信端连接地面图传终端，所述机载图传终端与地面图传终端之间形成用于传送视频数据的冗余通道。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述监控数据包括上行数据和下行数据，所述上行数据包括飞控指令和任务控制指令，所述下行数据包括定位数据、高度、速度、航向、姿态、电压、油耗、数据链状态以及任务状态数据。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述机载任务控制计算机通过数据总线连接无人机唯一识别模块，所述无人机唯一识别模块中设有固化存储区和定制存储区，所述固化存储区内存储无人机的标识信息，所述定制存储区中记录其它自定义信息。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述卫星定位设备包括北斗RNSS模块、GPS模块和GLONASS模块。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述任务载荷系统为光电载荷、雷达、云台设备或其组合，所述光电载荷可设于云台上。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述光电载荷包括可拆装的可见光相机和不可见光相机，所述云台内装有负责方位角转动的第一电动机，负责俯仰角转动的第二电动机，以及负责滚转角转动的第三电机，所述方位角可连续旋转360度，所述第二电动机和第三电机上设有限位开关，所述俯仰角限位+/-90度，滚转角限位+/-45度。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述遥感操控装置包括键盘、鼠标、飞行摇杆、飞行油门、多段开关和按钮。
上述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其中，所述机载控制系统检测到4G移动通信终端的信号强度减弱为-80dBm以下时，自动切换到机载数传终端和机载图传终端；上行任务控制指令和下行任务状态数据由与机载任务控制计算连接的机载飞控计算机进行转发，其双向传输通道为：地面监控计算机-地面数传终端-机载数传终端-机载飞控计算机-机载任务计算机-任务载荷系统；所述机载数传终端和地面数传终端的工作频段为413MHz或915MHz，所述机载图传终端和地面图传终端的工作频段为2.4GHz或5.8GHz。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，通过移动通信终端连接地面监控计算机和机载控制系统，从而能够在移动网络覆盖的低空范围内对多无人机的各种状态进行实时监控，覆盖范围广，安全可靠性高，且易于构建冗余通道。
附图说明
图1为本发明基于移动通信网络的多无人机低空监控系统原理框图；
图2为本发明基于移动通信网络的多无人机低空监控系统架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明基于移动通信网络的多无人机低空监控系统原理框图；图2为本发明基于移动通信网络的多无人机低空监控系统架构示意图。
请参见图1，本发明提供的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，包括地面监控计算机和位于无人机上的机载控制系统，其中，所述地面监控计算机和机载控制系统通过移动通信终端相连。
请继续参见图2，本发明的机载控制系统包括机载飞控计算机和机载任务控制计算机，两者通过数据总线连接，所述机载飞控计算机通过数据总线连接卫星定位设备、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁罗盘、气压高度计、空速计、超声波传感器、电压传感器和油位传感器接收传感输入信号，所述机载飞控计算机输出控制信号给螺旋桨调速系统和舵机，所述机载飞控计算机和机载任务控制计算机的第一通信端连接4G移动通信终端，所述机载任务控制计算机连接任务载荷系统；所述地面监控计算机的输入端和遥感操控装置相连，所述地面监控计算机的第一通信端连接4G移动通信终端；所述载飞控计算机与地面监控计算机之间通过4G移动通信终端传送监控数据，所述机载任务控制计算机与地面监控计算机之间通过4G移动通信终端传送视频数据。
本发明的任务载荷系统为光电载荷或雷达或云台等设备或其组合，所述光电载荷可设于云台上。如采用可见光运动相机作为光电载荷，其可安装在云台上，所述云台内装有负责方位角转动的第一电动机，负责俯仰角转动的第二电动机，负责滚转角转动的第三电机，方位角可连续旋转360度，所述第二电动机和第三电机上设有限位开关，俯仰角限位+/-90度，滚转角限位+/-45度。
本发明提供的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，很容易构建冗余通道，所述机载飞控计算机的第二通信端连接机载数传终端，所述地面监控计算机的第二通信端连接地面数传终端，所述机载数传终端与地面数传终端之间形成用于传送监控数据的冗余通道；所述机载任务控制计算机的第三通信端连接机载图传终端，所述地面监控计算机的第三通信端连接地面图传终端，所述机载图传终端与地面图传终端之间形成用于传送视频数据的冗余通道。
本发明提供的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，能够对在4G移动通信无线信号覆盖范围内的所有合作无人机进行监视和控制，提供一种在有人区域的低空范围内运行的无人机进行交通监管的技术途径，具有如下特点：
1、一站对多机功能，即一个地面系统同时监控多架合作无人机。
无人机机载任务控制计算机与无人机识别模块连接，通过该模块唯一标识一架无人机，从而实现一站多机功能。识别模块分为两个存储区，固化存储区和定制存储区，无人机标识信息存储在固化存储区内，固化存储区信息在出厂时设定，用户不能修改，定制存储区可以记录其它自定义信息。地面系统获取高级权限后，通过有线或移动互联网连接到无人机机载任务控制计算机，对无人机识别系统内的定制存储区的自定义信息进行修改。无人机识别模块输出的信息在飞行监控软件上显示。
2、低空监控功能。
无人机机载任务控制计算机与4G移动通信模块连接，4G模块内安装有SIM卡，可以接入移动互联网。地面系统通过有线或4G移动通信模块接入互联网。
由于4G移动通信网络能够覆盖低空区域，从而合作无人机与地面系统能够进行远程数据通信，达到低空无人机监视与控制的目的。
3、数据链智能管理
合作无人机保留数传、图传通信设备，作为备份数据链，当4G信号减弱为-80dBm以下时(信号较弱而无法满足带宽和实时性要求)，自动无缝切换至数传、图传数据通信链路，并发出报警提示。其中，任务数据双向传输通道为：地面监控计算机-地面数传终端-机载数传终端-机载飞控计算机-机载任务计算机-任务载荷，即上行任务数据由地面监控计算机，依次经过地面数传终端、机载数传终端、机载飞控计算机、机载任务计算机到达任务载荷系统；反之下行任务数据由任务载荷系统，依次经过机载任务计算机、机载飞控计算机、机载数传终端、地面数传终端达到地面监控计算机。所述机载数传终端的工作频段为413MHz或915MHz，由于915mhz与移动2G(GSM)900mhz接近可能会受干扰，一般选用413Mhz的通信终端；所述机载图传终端的工作频段为2.4GHz或5.8GHz。
本发明的合作无人机和地面系统的各主要模块的具体功能及组成如下：
一、合作无人机
1)组成
合作无人机由机载控制系统、任务载荷、数据通信系统机载数据终端以及无人机识别模块组成。其中，机载控制系统由机载飞控计算机、机载任务控制计算机、卫星定位设备、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁罗盘、气压高度计、空速计、超声波传感器、电压传感器、油位传感器、螺旋桨调速系统、舵机等组成；数据通信系统机载数据终端包括机载4G移动通信终端、机载数传终端、机载图传终端；任务载荷模块接口根据需要可挂载云台、光电载荷、雷达等。卫星定位设备采用多余度设计，包括北斗RNSS(Radio Navigation SatelliteSystem)、GPS(Global Positioning System)、GLONASS(GLOBAL NAVIGATION SATELLITESYSTEM)，各卫星定位设备能够互为备份，其中一个模块失效不影响卫星定位数据输出。对卫星定位设备以及惯性传感器进行数据融合，采用惯组/卫星深组合导航算法，提供高精度导航数据。
2)交联
机载飞控计算机和机载任务控制计算机与其它机载电子设备相互交联，如系统框图所示。任务控制计算机负责任务载荷相关数据计算和分发，飞控计算机负责无人机平台的导航与监制数据计算和分发。
3)数据通信
4G移动通信模块内安装有SIM卡，无人机通过该模块接入移动互联网；空地数据优先通过4G移动通信互联网进行传输，当4G信号减弱无法或不稳定而无法满足带宽和实时性要求时，自动无缝切换至数传、图传数据通信链路，其中数传用于传输监控数据，图传用于传输任务数据。
4)识别模块
无人机识别模块具有唯一性，能够唯一标识一架无人机，识别模块分为两个存储区，固化存储区和定制存储区，标识信息的存储在固化存储区内，固化存储区信息在出厂时设定，用户不能修改，定制存储区可以记录其它自定义信息，地面系统的任务监控软件获得高级权限后可以对定制存储区的自定义信息进行维护。
二、地面系统
1)组成
地面系统由地面监控系统以及数据通信系统地面数据终端组成。其中地面监控系统由监控计算机和操控装置组成；数据通信系统地面数据终端包括地面4G移动通信终端、地面数传终端、地面图传终端。
2)主要功能
地面监控系统具有飞行监控、任务监控、权限设置、参数设置及其它相关功能。其中权限设置可以分为高级权限和一般权限，高级权限可以对上述识别模块的自定义信息进行修改。
3)低空监控
地面系统通过有线或4G移动通信模块接入互联网。地面系统通过地面数据终端与机载数据终端进行无线通信，实现低空无人机监控。下行数据包括导航定位数据、速度、航向、姿态、电压、油耗等飞行状态数据以及视频等任务数据，上行数据包括飞控指令、任务控制指令等数据。
4)多无人机监视
地面计算机接收到下传来的无人机识别模块信息后，协调其它下行数据进行实时计算和处理，在地面监控系统的数字地图上和列表中对监控数据进行实时更新，实现多无人机的位置信息、飞控状态、任务信息、通信链路状态等的实时监视。
5)多无人机控制
在地图或列表中用鼠标选取一架无人机或在监视界面中中输入某无人机的标识信息，就可以从多架无人机中将被控无人机甄别出来并进行控制，实现飞行控制和任务控制。
6)操作装置
操控装置包含并具有键盘、鼠标、飞行摇杆、飞行油门、多段开关、按钮等多种形式。多段开关、按钮等可以进行自定义设置。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，包括地面监控计算机和位于无人机上的机载控制系统，其特征在于，所述地面监控计算机和机载控制系统通过移动通信终端相连；
所述机载控制系统包括交联通信的机载飞控计算机和机载任务控制计算机，所述机载飞控计算机通过数据总线连接卫星定位设备、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁罗盘、气压高度计、空速计、超声波传感器、电压传感器和油位传感器接收传感输入信号，所述机载飞控计算机输出控制信号给螺旋桨调速系统和舵机，所述机载飞控计算机和机载任务控制计算机的第一通信端连接4G移动通信终端，所述机载任务控制计算机连接任务载荷系统；所述地面监控计算机的输入端和遥感操控装置相连，所述地面监控计算机的第一通信端连接4G移动通信终端；所述机载飞控计算机与地面监控计算机之间通过4G移动通信终端传送监控数据，所述机载任务控制计算机与地面监控计算机之间通过4G移动通信终端传送视频数据；
所述机载飞控计算机的第二通信端连接机载数传终端，所述地面监控计算机的第二通信端连接地面数传终端，所述机载数传终端与地面数传终端之间形成用于传送监控数据的冗余通道；所述机载任务控制计算机的第三通信端连接机载图传终端，所述地面监控计算机的第三通信端连接地面图传终端，所述机载图传终端与地面图传终端之间形成用于传送视频数据的冗余通道；
所述机载任务控制计算机通过数据总线连接无人机唯一识别模块，所述无人机唯一识别模块中设有固化存储区和定制存储区，所述固化存储区内存储无人机的标识信息，所述定制存储区中记录其它自定义信息。
2.如权利要求1所述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其特征在于，所述监控数据包括上行数据和下行数据，所述上行数据包括飞控指令和任务控制指令，所述下行数据包括定位数据、高度、速度、航向、姿态、电压、油耗、数据链状态以及任务状态数据。
3.如权利要求1所述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其特征在于，所述卫星定位设备包括北斗RNSS模块、GPS模块和GLONASS模块。
4.如权利要求1所述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其特征在于，所述任务载荷系统为光电载荷、雷达、云台设备或其组合，所述光电载荷可设于云台上。
5.如权利要求4所述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其特征在于，所述光电载荷包括可拆装的可见光相机和不可见光相机，所述云台内装有负责方位角转动的第一电动机，负责俯仰角转动的第二电动机，以及负责滚转角转动的第三电机，所述方位角可连续旋转360度，所述第二电动机和第三电机上设有限位开关，所述俯仰角限位+/-90度，滚转角限位+/-45度。
6.如权利要求1所述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其特征在于，所述遥感操控装置包括键盘、鼠标、飞行摇杆、飞行油门、多段开关和按钮。
7.如权利要求1所述的基于移动通信网络的多无人机低空监控系统，其特征在于，所述机载控制系统检测到4G移动通信终端的信号强度减弱为-80dBm以下时，自动切换到机载数传终端和机载图传终端；上行任务控制指令和下行任务状态数据由与机载任务控制计算连接的机载飞控计算机进行转发，其双向传输通道为：地面监控计算机-地面数传终端-机载数传终端-机载飞控计算机-机载任务计算机-任务载荷系统；所述机载数传终端和地面数传终端的工作频段为413MHz或915MHz，所述机载图传终端和地面图传终端的工作频段为2.4GHz或5.8GHz。
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