CN106788677B - 一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置及其方法，包括机载电台、多个可移动基站、数据中继服务器和用于发送指令的地面站计算机；可移动基站包括用于接收机载电台发送的数据并发送来地面站计算机的控制指令的基站电台、移动无线数据网卡、基站计算机和安装在基站计算机中的数据采集单元，基站电台与机载电台相互之间无线通讯，基站计算机分别与移动无线数据网卡和基站电台，所述数据采集单元通过移动数据无线网卡把基站计算机连接到因特网；所述数据中继服务器与可移动基站连接，且包括中继程序模块；中继程序模块与移动无线数据网卡无线连接；所述地面站计算机内安装有客户端程序模块，且地面站计算机与数据中继服务器连接。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及的是一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置及其方法。
背景技术
随着科学技术的发展，无人机的应用领域越来越广泛，其涵盖的领域包括军队、警察、铁路、电力、地理、环保等，应用的方向包括空中投掷、监视、侦查、探测、摄影、转播等，同时也对无人机的技术水平要求越来越高。无人机是一种通过飞行操控人员在地面遥控或设定既定程序自动控制飞行的空中到达平台，通讯链路的实时性、可靠性对其任务的实现和飞行的安全性影响十分关键。
越来越多的应用领域要求无人机实现更远距离更可靠的数据通讯。受无人机自身重量及其有效载荷的影响，无人机通常无法携带具有较大发射功率的无线通信电台。
同时，受无人机自身平台的影响，一方面无人机上可能搭载有多个通讯链路，较大的发射功率可能造成相互干扰；另一方面较大发射功率的电台会对无人机自身控制系统的造成电磁干扰，甚至可能导致严重的飞行事故。另外，收无线电管制等要求，一般民用无人机也禁止使用大功率无线电台。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置及其方法，旨在解决现有的无人机难以实现远距离数据通讯，载有多个通讯设备造成发射功率相互干扰，以及较大发射功率的电台对无人机自身控制系统的电磁干扰的技术问题。
本发明的技术方案如下：一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，包括用于发送无人机的状态数据和接收基站电台的发送的控制指令的机载电台、多个可移动基站、数据中继服务器和用于发送控制无人飞机指令的地面站计算机；
所述可移动基站包括用于接收机载电台发送的数据并发送来地面站计算机的控制指令的基站电台、移动无线数据网卡、基站计算机和安装在基站计算机中的数据采集单元，基站电台与机载电台相互之间无线通讯，基站计算机分别与移动无线数据网卡和基站电台相互传输数据，所述数据采集单元通过移动数据无线网卡把基站计算机连接到因特网；
所述数据中继服务器与可移动基站连接，且包括用于接收各个可移动基站的飞行状态数据的中继程序模块，中继程序模块与移动无线数据网卡无线连接；
所述地面站计算机内安装有客户端程序模块，且地面站计算机与数据中继服务器连接，客户端程序模块通过网络访问数据中继服务器并读取飞行状态数据，并转发至无人机地面站。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，所述可移动基站的个数为4个，且每个可移动基站都包括基站电台、移动无线数据网卡、基站计算机和数据采集单元。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，所述移动数据无线网卡可以是移动2g数据网卡、3g数据网卡或4g数据网卡中的任一种。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，所述机载电台采用一对多或多对多广播形式进行发送数据，且机载电台与基站电台相匹配。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，所述基站电台包括电台和发射/接收天线组成，且基站电台通过串行通讯接口的方式连接到基站计算机。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，所述数据采集单元通过移动数据网卡把可移动基站的基站计算机连接到因特网，并通过直接访问数据中继服务器中计算机IP地址的形式进行数据传输，从数据中继服务器中读取无人机控制指令。
一种基于移动数据网络的无人机数据中继的方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤一，先将数据中继服务器的中继程序模块启动，而中继程序模块获取服务器IP地址；
步骤二，启动各个可移动基站的基站计算机，通过数据采集单元打开串口连接基站电台，检测基站电台通讯状态，并输入服务器IP地址，建立可移动基站与数据中继服务器的连接；
步骤三，启动地面站计算机的客户端程序模块，通过虚拟串口通讯建立数据中继服务器与客户端程序模块的连接；
步骤四，启动无人机地面站程序，然后设定无人机地面站的通讯端口，通过虚拟端口建立地无人机面站与客户端程序模块的连接；
步骤五，将数据中继服务器的中继程序模块设定主控制站，再启动无人机，并检查通讯状态，最后开始执行飞行任务。
所述基于移动数据网络的无人机数据中继的方法，其中，所述步骤二中可移动基站从数据中继服务器读取无人机控制指令，且数据中继服务器中的数据采集单元通过移动数据无线网卡把基站计算机连接到因特网，再通过服务器IP地址直接访问数据中继服务器。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继的方法，其中，所述步骤三中数据中继服务器的中继程序模块接收各个可移动基站的飞行状态数据，并对其有效数据进行筛选，把有效数据进行复制和存档，并发送至客户端程序模块。
所述的基于移动数据网络的无人机数据中继的方法，其中，所述步骤二中数据采集单元可具有屏蔽上行的功能，数据中继服务器可选择其中一个或多个可移动基站上传操作指令。
本发明的有益效果：本发明通过移动数据网络建立若干个可移动部署的可移动基站，并建立数据中继服务器，把无人机的作业飞行的状态数据/地面站计算机的操作指令通过因特网进行中继传输，实现了无人机较大覆盖面积和较远距离的通讯。本发明通过使无人机搭载较小功率的无线通信电台实现了较远距离的数据通讯；并且采用的技术方案简单，设备简单可靠，可移动基站能够可移动部署，具有体积小、功耗低、便捷实用的特点；使无人机的控制操作不再局限于点对点的现场控制模式，可以实现不受地域、场地等限制的远距离网络控制。另外，本发明使无人机通过较为简单的方法实现多个监控平台同时对同一无人机进行监控展示和实时控制，同时也可以实现一个或多个地面控制站(地面站计算机和客户端程序模块)使用同一套中继站(是指可移动基站和数据中继服务器)对一个或多个无人机进行实时监控和控制的通讯。
附图说明
图1是本发明的一种结构框图。
图2是本发明的无人机通讯数据传输流程图。
图3是本发明的数据交换图。
图4是本发明的中继装置使用方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其中，包括用于发送无人机的状态数据和接收基站电台的发送的控制指令的机载电台1、多个可移动基站2、数据中继服务器3和用于发送控制无人飞机指令的地面站计算机4；
所述可移动基站2包括用于接收机载电台1发送的数据并发送来自地面站计算机4的控制指令的基站电台21、移动无线数据网卡22、基站计算机23和安装在基站计算机23中的数据采集单元24，基站电台21与机载电台1相互之间无线通讯，基站计算机23分别与移动无线数据网卡22和基站电台21相互传输数据，所述数据采集单元24通过移动数据无线网卡22把基站计算机23连接到因特网；
所述数据中继服务器3与可移动基站2连接，且包括用于接收各个可移动基站2的飞行状态数据的中继程序模块31，中继程序模块31与移动无线数据网卡22无线连接；
所述地面站计算机4内安装有客户端程序模块40，且地面站计算机4与数据中继服务器3连接，客户端程序模块40通过网络访问数据中继服务器3并读取飞行状态数据，并转发至地面站计算机4。
上述机载电台1用于发送无人机的状态数据(包括但不限于飞行状态数据、任务状态数据、监控状态数据等)和接收基站电台21的发送的控制指令。
上述的移动数据无线网卡22主要是通过基站计算机23把数据采集单元采集到的数据转发到数据中继服务器。
上述的数据采集单元24主要负责把采集到的数据转发至数据中继服务器3，并从数据中继服务器3读取无人机控制指令，并且还接收各个可移动基站2的飞行状态数据，并对其有效数据进行筛选，把有效数据进行复制和存档，并发送至客户端程序模块40。
上述的客户端程序模块40通过网络访问数据中继服务器3并读取飞行状态数据，并转发至无人机地面站5。
上述的机载电台1有效传输距离的两倍为两个可移动基站2间最远的间隔距离。
上述的所述无人机可以为固定翼无人机、无人直升机、多旋翼飞行器和无人旋翼机的任一种。
本发发明的数据采集单元24具有屏蔽上行的功能，所以数据中继服务器3可选择其中一个或多个可移动基站上传操作指令。当无地面站计算机4发出操作指令时，指令上传至数据中继服务器模块，此时各可移动基站2也在不断读取数据中继服务器3的指令数据，此时数据中继服务器3可根据实际飞行需要选择上传至某一或多个可移动基站2，而数据采集端程序可选择屏蔽发送或者发送指令，以避免操作指令重复或无法到达无人机。
本发明的中继程序模块31可选择其中一台或多台地面站计算机4(地面控制站)作为主地面站计算机4(地面控制站)；当中继程序模块31收到多个地面站计算机4(地面控制站)同时发送的操作指令时，中继程序模块31自动选择较早到达的指令传输至无人机，并发出操作重复的警告。
在实际工作中，本发明的数据中继服务器3中的计算机和地面站计算机可以是同一台计算机，当其为同一台计算机时，其内部采用虚拟串口进行通讯；采用同一台计算机时，可以节省中继装置的成本，并且可移动基站接收地面站计算发出的无人机指令更加快速，也节省串口连接件。
如图2所示，本发明中无人机6通讯数据流程为机载电台1安装在无人机6上，且机载电台1与可移动基站的基站电台21无线连接，基站计算机23分别与基站电台21和移动数据无线网卡22相互交互传输数据；所述移动数据无线网卡22将机载电台21传输过来的无人机数据传输给数据中继服务器3，且从数据中继服务器3获取地面站计算机4控制无人机的控制指令；数据中继服务器3与地面站计算机4相互连接，地面站计算机4将接收到的无人机数据传输给无人地面站7。
本发明的工作原理为：通过无人机搭载的机载电台，机载电台通过一对多或多对多的形式广播/接收无人机的飞行状态数据/控制指令，实现一定范围的通讯覆盖，而可移动基站通过接收/发送无人机的飞行状态数据/控制指令并通过计算机和移动数据网络上传到因特网特定IP地址的数据中继服务器内，再经过该服务器的数据转发，从而实现多个可移动基站间接力传输数据的功能，并通过因特网实现非现场形式的无人机操作控制和多个地面控制同时监控无人机。
在实际工作中，所述可移动基站2的个数为4个，且每个可移动基站2都包括基站电台、移动无线数据网卡、基站计算机和数据采集单元。
如图3所示，本发明中使用3个可移动基站后，数据交换的流程为：可移动基站A、可移动基站B和可移动基站C分别将数据传输给数据中继服务器，而其中可移动基站B为主可移动基站，而数据中继服务器将传输过来的数据进行有效数据筛选，经过有效筛选后，将有效数据输出、复制、存储；最后将有效数据传输给地面站计算机A或者地面计算机站B。
在实际工作中，本发明的移动数据无线网卡22可以是移动2g数据网卡、3g数据网卡或4g数据网卡中的任一种。
在实际工作中，本发明的机载电台1采用一对多或多对多广播形式进行发送数据，且机载电台1与基站电台21相匹配。
进一步说，本发明的基站电台21包括电台210和发射/接收天线211组成，且基站电台21通过串行通讯接口的方式连接到基站计算机23。
进一步说，本发明的数据采集单元24通过移动数据网卡22把可移动基站2的基站计算机23连接到因特网，并通过直接访问数据中继服务器3中计算机IP地址的形式进行数据传输，从数据中继服务器3中读取无人机控制指令。
如图4所示，本发明还公开了一种基于移动数据网络的无人机数据中继的方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤一，先将数据中继服务器的中继程序模块启动，而中继程序模块获取服务器IP地址；
步骤二，启动各个可移动基站的基站计算机，通过数据采集单元打开串口连接基站电台，检测基站电台通讯状态，并输入服务器IP地址，建立可移动基站与数据中继服务器的连接；
步骤三，启动地面站计算机的客户端程序模块，通过虚拟串口通讯建立数据中继服务器与客户端程序模块的连接；
步骤四，启动无人机地面站程序，然后设定无人机地面站的通讯端口，通过虚拟端口建立地无人机面站与客户端程序模块的连接；
步骤五，将数据中继服务器的中继程序模块设定主控制站，再启动无人机，并检查通讯状态，最后开始执行飞行任务。
进一步说，所述步骤二中可移动基站从数据中继服务器读取无人机控制指令，且数据中继服务器中的数据采集单元通过移动数据无线网卡把可以基站计算机连接到因特网，再通过服务器IP地址直接访问数据中继服务器。
进一步说，所述步骤三中数据中继服务器的中继程序模块接收各个可移动基站的飞行状态数据，并对其有效数据进行筛选，把有效数据进行复制和存档，并发送至客户端程序模块。
进一步说，所述步骤二中数据采集单元可具有屏蔽上行的功能，数据中继服务器可选择其中一个或多个可移动基站基站上传操作指令。
当无人机从第一个可移动基站覆盖的区域起飞并依此飞越其他可移动基站开始执行任务时，中继程序模块对各可移动基站上传的数据进行识别和筛选，当只有其中一个可移动基站接收到无人机的通讯数据时，中继程序模块自动选择该可移动基站的数据作为转发数据来源；当两个或两个以上可移动基站接收到无人机发送的状态数据时，数据采集单元发送无线电信号强弱的状态到中继程序模块，中继程序模块可自动选择其中信号强的作为转发数据的来源也可通过人工选择的形式选择其中一个作为转发的数据来源。
本发明通过移动数据网络建立若干个可移动部署的可移动基站，并建立数据中继服务器，把无人机的作业飞行的状态数据/地面站计算机的操作指令通过因特网进行中继传输，实现了无人机较大覆盖面积和较远距离的通讯。本发明通过使无人机搭载较小功率的无线通信电台实现了较远距离的数据通讯；并且采用的技术方案简单，设备简单可靠，可移动基站能够可移动部署，具有体积小、功耗低、便捷实用的特点；使无人机的控制操作不再局限于点对点的现场控制模式，可以实现不受地域、场地等限制的远距离网络控制。另外，本发明使无人机通过较为简单的方法实现多个监控平台同时对同一无人机进行监控展示和实时控制，同时也可以实现一个或多个地面控制站(地面站计算机和客户端程序模块)使用同一套中继站(是指可移动基站和数据中继服务器)对一个或多个无人机进行实时监控和控制的通讯。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其特征在于，包括用于发送无人机的状态数据和接收基站电台的发送的控制指令的机载电台、多个可移动基站、数据中继服务器和用于发送控制无人飞机指令的地面站计算机；所述可移动基站包括用于接收机载电台发送的数据并发送来自地面站计算机的控制指令的基站电台、移动数据无线网卡、基站计算机和安装在基站计算机中的数据采集单元，基站电台与机载电台相互之间无线通讯，基站计算机分别与移动数据无线网卡和基站电台相互传输数据，所述数据采集单元通过移动数据无线网卡把基站计算机连接到因特网；所述数据中继服务器与可移动基站连接，且包括用于接收各个可移动基站的飞行状态数据的中继程序模块，中继程序模块与移动数据无线网卡无线连接，中继程序模块对各可移动基站上传的数据进行识别和筛选，当只有其中一个可移动基站接收到无人机的通讯数据时，中继程序模块自动选择该可移动基站的数据作为转发数据来源；当两个或两个以上可移动基站接收到无人机发送的状态数据时，数据采集单元发送无线电信号强弱的状态到中继程序模块，中继程序模块自动选择其中信号强的作为转发数据的来源或者通过人工选择的形式选择其中一个作为转发数据的来源；所述地面站计算机内安装有客户端程序模块，且地面站计算机与数据中继服务器连接，客户端程序模块通过网络访问数据中继服务器并读取飞行状态数据，并转发至无人机地面站。
2.根据权利要求1所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其特征在于，所述可移动基站的个数为4个，且每个可移动基站都包括基站电台、移动数据无线网卡、基站计算机和数据采集单元。
3.根据权利要求2所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其特征在于，所述移动数据无线网卡可以是移动2g数据网卡、3g数据网卡或4g数据网卡中的任一种。
4.根据权利要求3所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其特征在于，所述机载电台采用一对多或多对多广播形式进行发送数据，且机载电台与基站电台相匹配。
5.根据权利要求4所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其特征在于，所述基站电台包括电台和发射/接收天线，且基站电台通过串行通讯接口的方式连接到基站计算机。
6.根据权利要求5所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置，其特征在于，所述数据采集单元通过移动数据无线网卡把可移动基站的基站计算机连接到因特网，并通过直接访问数据中继服务器中计算机IP地址的形式进行数据传输，从数据中继服务器中读取无人机控制指令。
7.一种如权利要求6所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置 的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，先将数据中继服务器的中继程序模块启动，而中继程序模块获取服务器IP地址；
步骤二，启动各个可移动基站的基站计算机，通过数据采集单元打开串口连接基站电台，检测基站电台通讯状态，并输入服务器IP地址，建立可移动基站与数据中继服务器的连接；
步骤三，启动地面站计算机的客户端程序模块，通过虚拟串口通讯建立数据中继服务器与客户端程序模块的连接；
步骤四，启动无人机地面站程序，然后设定无人机地面站的通讯端口，通过虚拟端口建立无人机地面站与客户端程序模块的连接；
步骤五，将数据中继服务器的中继程序模块设定主控制站，再启动无人机，并检查通讯状态，最后开始执行飞行任务。
8.根据权利要求7所述基于移动数据网络的无人机数据中继装置 的方法，其特征在于，所述步骤二中可移动基站从数据中继服务器读取无人机控制指令，且数据中继服务器中的数据采集单元通过移动数据无线网卡把基站计算机连接到因特网，再通过服务器IP地址直接访问数据中继服务器。
9.根据权利要求7所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置 的方法，其特征在于，所述步骤三中数据中继服务器的中继程序模块接收各个可移动基站的飞行状态数据，并对其有效数据进行筛选，把有效数据进行复制和存档，并发送至客户端程序模块。
10.根据权利要求7所述的基于移动数据网络的无人机数据中继装置 的方法，其特征在于，所述步骤二中数据采集单元可具有屏蔽上行的功能，数据中继服务器可选择其中一个或多个可移动基站上传操作指令。
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