CN106506062B - 集群无人机分布式快速通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

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。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。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。

Description

集群无人机分布式快速通信系统及通信方法

技术领域

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

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。

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。

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。

目前集群无人机通信系统的主要缺点如下：

(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。

(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

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。

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。

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。

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。

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，

S1.帧头，标识一帧数据的开始；

S2.目标地址，代表广播发送或者发给指定飞行器；

S3.源地址，代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的；

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；

S5.信息标识，指的是该帧数据包含的是什么类型的数据；

S6.校验和，将前面所有数据进行相加取最后的两字节。

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。

本发明的具体通信流程如下：

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。

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。

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。

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。

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。

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

图1为本发明的整体的通信架构示意图；

图2为本发明的通信方法示意图；

图3为本发明的具体实例的整个流程示意图；

图4为本发明的C#编写的地面站软示意图；

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图4是使用C#编写的地面站软件。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图5是电路部分各个模块的系统框架。

电源转换电路

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。

稳压电路

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。

微处理器

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。

通信模块

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。

外部接口电路

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。

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。

Claims (2)

1.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；所述的地面站的上位机为通信的第一环及最后一环，与多个无人机形成通信环；所述通信环在通信过程中，跳过通信失败的无人机；

所述通信环的通信方式为：地面站发出起飞指令，同一信道的无人机均收到起飞指令信息，上位机的下一架的无人机判断该信息为发送至自身的信息，该无人机发出自己的信息，该信息的作用为对上位机的应答、下一架无人机的启动信号和告知所有无人机自己的信息及传给地面站显示自己的位置；

下一架无人机接收上一架无人机的信息后，判断该信息为发送至自身的信息,该无人机发出自己的信息；无人机所发出的自己的信息的作用均一致。

2.根据权利要求1所述的集群无人机分布式快速通信系统， 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。

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