CN105939533A - 点对多点的无人机通信系统及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种点对多点的无人机通信系统及无人机。该系统包括：基站和至少两个与基站分别建立无线通信连接的移动端，基站和移动端均包含具有无线信号收发功能的设备，基站和移动端利用无线通信连接双向传输数据。本发明用于高效便捷地同时控制和/或监控多个无人机的动作与状态。

Description

点对多点的无人机通信系统及无人机
技术领域
本发明实施例涉及点对多点通信技术，尤其涉及一种利用该技术控制多个无人机的系统及使用该通信系统的无人机。
背景技术
近年，无人机，尤其是无人飞行器，已在民用领域获得了越来越多的应用与普及。无人机能够帮助人类到达此前无法接近的地点，或是完成人类无法完成的任务。正因为如此，无人机的操纵者往往需要以无线通信的方式来控制无人机的动作或监测无人机的状态。
现有技术中的无人机通信往往是基于点对点的传输方式，即无人机操纵者的控制端与无人机机体是一一对应的关系。这种对应关系通常需要预先设定控制端与机体的连接参数，这样在无人机执行任务时，控制端可以通过广播的方式寻找与之匹配的无人机，当找到该无人机时，与之建立无线通信的信道，并在建立成功之后不再接受其它无人机的通信信号。同理，无人机寻找到与之匹配的控制端后，也不会再与其他控制端建立无线信号传输的信道。
这种点对点的无线通信方式在只有一台无人机的情况下尚可满足使用者的需求，但是在需要多个无人机协同完成预定任务的情况下，就会产生诸多不便。比如，需要有与无人机个数等同数量的控制端来与之进行匹配，使得系统增加了部件个数，无形中增加了采购和运输成本、以及发生故障的概率；需要有多个控制端的操纵者来一一控制无人机的运行轨迹或监测其工作状态，提升了人力成本。
此外，在这种点对点通信系统中若要实现控制端与无人机的双向通信，需要增加新的数据链路以使数据回传成为可能，从而增加了系统的复杂性，因此这类双向通信在实际应用中也比较少见。
发明内容
本发明实施例提供一种点对多点的无人机通信系统及无人机，用于高效便捷地实现同时控制和/或监控多个无人机的动作与状态。
本发明实施例提供一种无线通信系统，所述无线通信系统包括基站和至少两个与基站分别建立无线通信连接的移动端，基站和移动端均包含具有无线信号收发功能的设备，基站和移动端利用无线通信连接双向传输数据。
进一步地，该基站以相同的周期间隔向至少两个移动端中的每一个发送数据信号，且该周期间隔随着通信系统中移动端数量的增加而增加。
进一步地，移动端向基站传输的数据信号包含如下信息中的至少一项：移动端在通信系统中的硬件ID；移动端的数据发送量；移动端的数据发送周期；移动端从通信系统中掉线后是否需要从通信系统中删除移动端。
进一步地，通信系统预先设置有可以加入的移动端数量的最大值。
进一步地，最大值为4。
进一步地，当通信系统中加入的移动端数量达到最大值时，基站不再接收新的移动端加入系统的请求。
进一步地，当通信系统中加入的移动端数量未达到最大值时，基站利用周期间隔中的预留时间接收新的移动端加入系统的请求。
进一步地，当至少两个移动端的一个移动端在预先设定的条件内被判定为“离线状态” 时，基站不会用新的移动端的周期时长替换在周期间隔中该移动端的周期时长。
进一步地，当至少两个移动端的一个移动端在预先设定的条件内被判定为“离线状态”时，基站会用新的移动端的周期时长替换在周期间隔中该移动端的周期时长。
进一步地，当至少两个移动端的一个移动端在预先设定的条件内被判定为“离线状态” 时，基站会根据该移动端的重要性判断是否会用新的移动端的周期时长替换在周期间隔中移动端的周期时长。
本发明实施例还提供一种无人机，其与前述每段中的通信系统中的至少两个移动端中的一个连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为应用于无人机的本发明提供的通信系统的示意图；
图2为本发明提供的点对多点通信系统与无人机和地面站连接时的示意图；
图3为本发明提供的通信系统的基站发送广播包的示意图；
图4为本发明提供的通信系统的基站与移动端建立通信连接的示意图；
图5为本发明提供的通信系统的移动端的逻辑框图；
图6为本发明提供的通信系统的基站与移动端建立通信连接后的工作状态示意图；
图7为本发明提供的通信系统中加入的移动端数量达到系统设计的上限时的示意图；
图8为本发明提供的通信系统的一个实施例的示意图；
图9为本发明提供的通信系统的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
图1是应用了本发明的通信系统的无人机的一个实施例。图中所示的无人机100上设置有可以进行旋转的云台102，云台102上可以控制搭载在其上的摄像设备104在俯仰角、偏航角和滚转角等至少三个轴向上的转动，从而以丰富变化的角度拍摄空中或地面上的物体的图像。
在地面端的操作人员120通过控制单元110发送无线控制信号对无人机100的飞行姿态、飞行方向和速度等参数进行调节，同时控制单元110还包括接收从无人机100传回的图像信号的图传设备（图中未标示）。此外，无人机100和控制单元110之间还可以进行数据（如：无人机的地理位置信息、无人机的飞行姿态信息、无人机的电量等）的通信。
本发明的通信系统可以采用，例如，基于FSK的跳频技术，以用于在无人机与地面控制设备之间的数据信息和/或控制信息的传输。为了避免与图像信号和/或控制信号传输信道的干扰，优选地，本发明的通信系统所选取的无线通信频率与图像信号和/或控制信号信道的频率不同。例如，本发明的通信系统的频率可以选取在400M赫兹级或900M赫兹级，这两个赫兹级可以基本满足世界上大多数国家和地区对无线通信传输频率的要求。
下面结合图2说明本发明的点对多点通信系统的一个具体实施方式。
如图2所示，点对多点通信系统200包含一个基站202和两个移动端204（分别标记为204-1和204-2）。作为一种应用场景，基站202可以是一个具有信号收发功能的设备，固定在地面上，并通过安装于其上的天线210向周边的所有方向或某一特定方向发送广播包形式的无线信号。此外，在工作状态下，基站202上还可以搭载有指示灯（图中未标示）用来显示该基站是否处于正常的工作状态。基站202可以与地面站206通过有线等方式相连，用以将地面站206的数据通过该点对多点通信系统发送给一个或多个移动端204，并接收从一个或多个移动端204传回到基站202的数据，并分享至地面站206。该数据信号包括：地面站的地理位置信息等。
移动端204位于远离基站202的位置，例如，移动端204可以搭载于无人机208（分别标记为208-1和208-2）上。移动端204可以是一个具有信号收发功能的设备，在无人机启动后，移动端204启动无线信号搜索功能，通过安装于其上的天线220接收来自于周边的所有方向或某一特定方向的无线信号。移动端204上也可以搭载有指示灯（图中未标示）用来显示该移动端是否处于正常的工作状态。移动端204可以与无人机208的其它部件通过有线等方式相连，用以将无人机208的数据通过该点对多点通信系统发送给基站202，并接收从基站202传回到移动端204的数据，并分享至无人机208。该数据信号包括：无人机的地理位置信息，无人机的飞行方向与姿态信息等。
根据本发明，在基站与移动端建立通信连接之前，当一个移动端204-1接收到来自基站202发送的信号时，系统可以自动判断是否与基站202建立通信连接。若判断结果为是，则基站202与移动端204-1之间的通信连接建立，两者之间就能够以无线的方式进行数据交换。之后当另一个移动端204-2接收到来自基站202发送的信号时，系统可以自动判断是否与基站202建立通信连接。若判断结果为是，则基站202与移动端204-2之间的通信连接也可以建立，两者之间就能够同样地以无线的方式进行数据交换。这样一个点对多点的通信系统200即构建完成，基站202与各个移动端204之间可以互相接收或发送数据。
图3至图6具体说明该通信系统的构建过程。
如图3所示，当基站202开始工作之后，以一定的周期间隔T（又称“初始周期”）发送广播包。在实际应用中，基站202在间隔T中发送广播包所占用的时间段为Tm，而余下的时间段Tres为预留时间，该预留时间Tres的时长应设置为不小于移动端204发送最短的数据包的时间长度，从而可以用来在一个周期T内接收来自于至少一台移动端204发送的数据包。
图4表示了基站与一个移动端建立通信连接的过程，图5是该通信连接建立过程中移动端的逻辑框图。下面结合图4与图5对这一过程做具体地说明。
当一个移动端204-1搜索到基站202发送的广播包时，可以根据预存在移动端204-1之内的信息判断该基站202是否为与之预先匹配的基站。如果判断结果为否，则移动端204-1选择不与该基站202建立通信连接，而是继续搜索来自其它基站的广播包，而基站202则继续以一定的周期间隔发送广播包，等待与下一个接收到广播包的移动端建立通信连接。如果判断结果为是，则移动端204-1选择在基站202发送广播包的空闲时段（即Tres）向该基站202发送请求包，请求建立与基站202的通信连接。
在下一个周期T发送广播包之前，基站202会判断上个周期的预留时间Tres内是否收到了来自任意移动端的请求包。若确认接收到了移动端204-1发送过来的请求包，基站202可以根据预存在基站内的信息判断该移动端204-1是否为与之预先匹配的移动端。如果判断结果为否，则基站202可以选择不回应该请求，或者发送包含请求失败的数据包以告知该移动端204-1通信连接未建立。如果判断结果为是，则基站202可以在下一个周期T发送应答包给移动端204-1，告知其请求成功，通信连接可以建立。
若移动端204-1成功接收到了来自基站202的应答包，则会向基站202发送配置包。配置包包含有表征移动端204-1的基本设备属性的参数，比如移动端204-1的在当前通信系统中的硬件ID，数据发送量，发送数据的周期时长（T1），掉线后是否需要从通信系统中删除移动端204-1等。
基站202接收到来自移动端204-1的配置包之后，解析该配置包中所包含的参数，并判断自身在当前的工作状态下能否接纳含有这些参数的移动端204-1添加到当前的通讯系统中。判断标准包括：移动端的数据发送量是否小于或等于通信信道可以承受的限度，接入通信系统的移动端数量是否未达到系统设计的最大值等。若判断结果为否，则基站202 会发送包含配置失败的数据包以告知该移动端204-1通信连接未建立。若判断结果为是，则基站202可以在下一个周期T发送确认包至移动端204-1，确认移动端204-1可以添加到该通信系统中。
在移动端204-1收到来自基站202的确认包后，也可以向基站202发送确认包，表示双方（基站与移动端）均已确认移动端204-1可以添加到该通信系统中并与基站202建立通信连接。然后在下个周期内，基站202会将发送广播包的周期变更为Tn1，其中Tn1=Tm+T1+Tres。
作为本实施例的替代方案，在设计通信系统的连接建立步骤时，例如，可以取消配置包、确认包或者配置包和确认包的发送与接收环节，这样可以简化系统的设计，降低系统的研发周期。
另外一个替代方案为，当在一定的时间内没有接收到来自新移动端的添加请求时，基站将预留时间Tres调整为可操作的最小值（即，不会影响基站接收新移动端的请求包），只有当收到新移动端的加入通信系统的请求时，才将预留时间Tres恢复为正常值。这个方案可以最大限度地降低系统的无效带宽，从而达到最优性能。
图6表示的是该通信系统完成添加移动端204-1后的工作状态。在每个周期内，基站202向外发送广播包，移动端204-1收到广播包之后，如其中含有来自基站202的数据，则提取其中的数据。随后移动端204-1在T1时间段内向基站202发送包含有移动端204-1的数据的应答包，由基站202接收。这些步骤完成之后，在本周期Tn1内，基站202和移动端204-1又会进入预留时段Tres。
在添加完移动端204-1之后，基站202继续以新的周期间隔Tn1向外发送广播包。若基站要与新的一个移动端204-2建立通信连接，使该通信系统成为点对多（两）点的通信系统时，可以使用与移动端204-1加入该通信系统类似的步骤（图5中的步骤501至508）进行处理。在加入移动端204-2之后，基站202发送广播包的周期变更为Tn2，其中Tn2=Tm+T1+T2+Tres。
当通信系统中需要继续添加移动端204-3,204-4，……，204-n时，可以采用如添加204-1和204-2同样的步骤进行处理，而添加了第i个移动端204-i（1≤i≤n）之后，基站202发送广播包的周期变更为Tni，其中Tni=Tm+T1+…+Ti+Tres。理论上，根据本发明的通信系统可以添加无限个移动端，只需要将基站202发送广播包的周期延长即可。但实际应用中可以根据情况对允许加入通信系统的移动端的数量设置一个上限，这样能够在固定的时间内保证一定的数据传输量（假定每个周期传输的数据量相同，则周期越长，固定的时间内传输的数据量就越少）。
图7所示是当通信系统加入的移动端数量达到系统设计的上限（图7中以4个为例）时，基站202发送广播包的周期中不再提供预留时间Tres，这表明基站不会再有空闲时段来接收来自新的接收端的请求包。移动端204-1至204-4发送数据的周期时长T1至T4可以全部相同或各不相同，而不局限于图7中所示的情形。
以上的这种通信系统可以动态地添加两个或两个以上搭载了移动端的设备（如：无人机），使得在点对多点的数据传输过程中高效便捷地实现同时控制和/或监控多个设备（如：无人机）的动作与状态，在性能上也不逊于传统的点对点的数据传输方式，还减少了所需基站的个数及操纵人员的人数，降低了部件和人力成本。
下面结合图8和图9说明本发明的另一实施方式。
如图8所示，当某个移动端（例如，移动端204-2）长时间没有向基站传输数据时，基站202可以通过预先设定的条件（如：连续未发送数据的时间长度阈值tmax）判定该移动端已处于“离线状态”。这种状态可能是由以下原因造成的：搭载了移动端204-2的无人机飞离了通信系统可以有效通信的距离范围，移动端204-2的传输信号受到了障碍物的阻挡，移动端204-2发生了故障而无法传输信号等。
根据本发明的一个实施例，在移动端204-2离线的状态下，基站202将原本分配给移动端204-2的周期时长T2变更为了空闲状态，但仍然保留有该移动端的配置信息参数，例如：移动端204-2的硬件ID以及它所对应的数据周期T2。当移动端204-5接收到基站向外发送的广播包，请求加入该通信系统时，基站202可以基于硬件ID识别出移动端204-5不是已经离线但仍保留有配置信息参数的移动端204-2，拒绝移动端204-5替代移动端204-2加入通信系统的请求。如果此时通信系统中加入的移动端数量尚未达到允许加入的最大值，则移动端204-5还可以继续以新移动端的方式加入该系统；否则移动端204-5将无法加入。与之相对的是，当移动端204-2再次搜索到基站202发送的信号时，会重新采取图5所述的逻辑步骤尝试加入该通信系统。基站202在识别出其硬件ID为移动端204-2后，允许移动端204-2重新加入该通信系统，而使之恢复为与移动端204-2离线之前同样的状态。因此在这个实施例中，当某个移动端离线之后，该移动端原本占用的周期时长并非处于真正意义上的空闲状态，而是在等待该移动端重新与基站建立通信连接。
根据本发明的另一个实施例，如图9所示，在移动端204-2离线的状态下，基站202可以将原本分配给移动端204-2的周期时长删除，从而使基站202可以重新接受任一移动端加入通信系统的请求，而不仅仅限于移动端204-2。当有新的移动端（例如：具有周期时长T5的移动端204-5）完成通讯连接的建立而加入该系统之后，如果通信系统中加入的移动端数量达到了允许加入的最大值，那么移动端204-2无法再加入该系统。
此外，还可以将上述两种实施例根据不同移动端的重要性进行组合使用。例如，在已经接入的四个设备中，假设搭载了移动端204-1和204-2的设备是对用户执行任务重要等级较高的设备（主设备），搭载了移动端204-3和204-4的设备是对用户执行任务重要等级较低的设备（从设备），那么基站202可以始终识别移动端204-1和204-2的配置信息参数，两者中的任意一个即使处于离线状态，也不允许其他新的移动端占用它们原有的周期时长。而对于搭载了移动端204-3和204-4的从设备，当它们处于离线状态时，它们原有的周期时长就已被基站202删除，从而可以使其它移动端加入时占用这些周期时长。
上述实施方式不仅可以在点对多点的通信系统中动态地添加或删除搭载了移动端的设备（如：无人机），还可以合理地分配各个设备使用通信系统的带宽，在做到易用性的同时，达到了有限资源的最大化利用。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各系统的实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各系统的实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种无线通信系统，其特征在于：
所述通信系统包含基站和至少两个与所述基站位置远离的移动端；
所述基站包括具有无线信号收发功能的设备；
所述移动端包括具有无线信号收发功能的设备；
所述基站与所述至少两个移动端的每一个建立有无线通信连接；
所述基站利用所述无线通信连接向所述移动端传输数据；
所述至少两个移动端的每一个利用所述无线通信连接向所述基站传输数据。
2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于：
所述基站以相同的周期间隔向所述至少两个移动端的每一个发送数据信号，且所述周期间隔随着通信系统中移动端数量的增加而增加。
3.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于：
所述移动端向所述基站传输的所述数据信号包含如下信息中的至少一项：所述移动端在所述通信系统中的硬件ID；所述移动端的数据发送量；所述移动端的数据发送周期；所述移动端从所述通信系统中掉线后是否需要从所述通信系统中删除所述移动端。
4.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于：
所述通信系统预先设置有可以加入的移动端数量的最大值。
5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于：
所述最大值为4。
6.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于：
当所述通信系统中加入的移动端数量达到最大值时，所述基站不再接收新的移动端加入系统的请求。
7.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于：
当所述通信系统中加入的移动端数量未达到最大值时，所述基站利用所述周期间隔中的预留时间接收新的移动端加入系统的请求。
8.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于：
当所述至少两个移动端的一个移动端在预先设定的条件内被判定为“离线状态”时，所述基站不会用新的移动端的周期时长替换在所述周期间隔中所述移动端的周期时长。
9.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于：
当所述至少两个移动端的一个移动端在预先设定的条件内被判定为“离线状态”时，所述基站会用新的移动端的周期时长替换在所述周期间隔中所述移动端的周期时长。
10.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于：
当所述至少两个移动端的一个移动端在预先设定的条件内被判定为“离线状态” 时，所述基站会根据所述移动端的重要性判断是否会用新的移动端的周期时长替换在所述周期间隔中所述移动端的周期时长。
11.一种无人机，其特征在于：
所述无人机与权利要求1至10中的任一项所述的至少两个移动端中的一个连接。
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