CN107291092B - 一种WiFi支撑的空地协同无人机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，该系统包括设置在无人机上的信息采集和控制子系统以及设置在地面的信息处理子系统和无线传感网络，所述的信息采集和控制子系统和信息处理子系统均设有WIFI通信单元，信息采集和控制子系统和信息处理子系统中的WIFI通信单元通过无线传感网络通信连接；无人机上的信息采集和控制子系统采集无线传感网络中各无线节点的信号强度信息并发送至地面上的信息处理子系统，信息处理子系统进行信息处理获取无人机地理位置信息并进行导航。与现有技术相比，本发明充分利用WiFi信道进行无人机和地面数据传输，实现方便，成本低，同时将大量数据处理过程在地面上进行，降低了无人机功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种空地导航无人机系统，尤其是涉及一种WiFi支撑的空地协同无人机系统。
背景技术
随着科学技术的不断进步，民用小型无人机已经被广泛应用于各个领域。在军事方面，无人机可应用于空中预警、侦察监视、通信中继、目标攻击、电子对抗、情报获取等任务；在民用方面，无人机可应用于气象观测、地形勘测、城市环境监测、人工降雨、森林火灾预警和航空摄影等。当地震、泥石流、森林火灾、特大交通事故等突发事件发生时，能够第一时间做出反应，及时抢救人民的生命财产是非常重要的。但是救援人员往往无法及时赶到事故地点，而无人机具有在狭小空间和复杂环境下垂直起降和悬停的能力，能达到人们难以快速进入的地区，在第一时间获取重灾区的信息，获取实时高清影像数据。
由于定位服务需求的增加以及WiFi应用领域的扩大，WiFi定位成为一种有效的定位方式。此时，利用一种快速自组网WiFi定位能够弥补卫星定位的不足。使用WiFi导航的同时，还可以实现地面站和无人机平台数据的快速互通传输，WiFi通信对于实时性要求较高的业务可以有很好的保证。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种WiFi支撑的空地协同无人机系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，该系统包括设置在无人机上的信息采集和控制子系统以及设置在地面的信息处理子系统和无线传感网络，所述的信息采集和控制子系统和信息处理子系统均设有WIFI通信单元，信息采集和控制子系统和信息处理子系统中的WIFI通信单元通过无线传感网络通信连接；
无人机上的信息采集和控制子系统采集无线传感网络中各无线节点的信号强度信息并发送至地面上的信息处理子系统，信息处理子系统进行信息处理获取无人机地理位置信息并进行导航。
所述的信息采集和控制子系统包括处理器单元和分别与之连接的：
RSSI采集单元：该单元连接地面的无线传感网络并采集无线传感网络的中各无线节点的信号强度信息；
第一WiFi通信单元：该单元将无人机上的信息采集和控制子系统与地面信息处理子系统进行通信连接；
飞行控制单元：该单元根据处理器单元接收的地面信息处理子系统发送的目标无人机飞行姿态信息控制无人机飞行。
所述的信息采集和控制子系统还包括与所述的处理器单元连接的视频图像采集单元，所述的视频图像采集单元采集无人机飞行过程中的视频和图像并通过第一WiFi通信单元发送至地面的信息处理子系统。
所述的信息处理子系统包括第二WiFi通信单元、定位监测模块、导航控制模块和云处理单元，所述的定位监测模块和导航控制模块均连接至第二WiFi通信单元和云处理单元，第二WiFi通信单元通过无线传感网络连接无人机上的信息采集和控制子系统；
无人机信息采集和控制子系统将采集的无线传感网络中各无线节点的信号强度信息通过第二WiFi通信单元发送至定位检测模块，定位检测模块将相应信息发送至云处理单元，云处理单元进行数据处理获取无人机位置信息地理位置信息，同时云处理单元根据导航控制模块的导航参数并结合无人机位置信息获取目标无人机飞行姿态信息，导航控制模块将目标无人机飞行姿态信息通过第二WiFi通信单元发送至无人机上的信息采集和控制子系统。
所述的定位监测模块包括：
位置信息处理单元：该单元连接云处理单元，位置信息处理单元获取信息采集和控制子系统采集的各无线节点的信号强度信息并通过云处理单元进行定位处理，得出当前无人机的坐标信息；
电子地图：该单元连接位置信息处理单元，电子地图用于辅助无人机定位导航；
位置信息显示单元：该单元连接电子地图，用于实时显示无人机地理位置信息。
所述的导航控制模块包括：
导航参数设置单元，该单元用于设置无人机飞行的导航参数；
航迹规划单元，该单元连接导航参数设置单元，航迹规划单元根据设置的导航参数规划出无人机飞行轨迹信息；
姿态控制单元，该单元连接航迹规划单元，姿态控制单元对导航参数和对应的无人机飞行轨迹信息进行编码得到目标无人机飞行姿态信息，进而将目标无人机飞行姿态信息通过第二WiFi通信单元发送至无人机上的信息采集和控制子系统；
所述的导航参数设置单元、航迹规划单元和姿态控制单元均连接至云处理单元。
所述的信息处理子系统还包括视频图像处理监测模块，该模块通过信息处理子系统中的WIFI通信单元连接无人机上的信息采集和控制子系统，所述的图像处理监测模块包括：
视频图像处理单元，该单元对视频图像采集单元采集的无人机飞行过程中的视频和图像进行处理；
视频图像显示单元，该单元连接视频图像处理单元，视频图像显示单元将处理后的视频和图像进行实时显示。
所述的无线传感网络中的无线节点包括无线接入设备、手持式通信设备和通信传感设备中一种或多种。
所述的无线接入设备包括路由器、WIFI热点、ZigBee协调器和无线通信基站，所述的手持式通信设备包括手机，所述的通信传感设备包括物联网传感器设备。
所述的电子地图包括标准地图、卫星地图、公交地图中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提出了一种基于WiFi支撑的空地协同无人机定位系统。该无人机系统在采用并设计非卫星支持的WiFi定位导航的同时，可将采集的视频或图像数据实时回传给地面上的信息处理子系统，从而使无人机导航和数据传输融为一体，实现无人机室内室外无缝衔接的定位导航；
(2)本发明采用并设计非卫星支持的WiFi定位技术，在实现无人机导航的同时，建立了与地面的双向数据传输机制，弥补了传统的基于GPS无人机导航系统实时回传视频类数据成本巨大的缺陷；
(3)本发明充分利用WiFi信道将数据实时传输给用户，将计算量较大的导航算法与视频图像处理算法放到了地面上的云处理单元上运行，既提高了算法处理运行效率，又降低了无人机功耗。
附图说明
图1为本发明WiFi支撑的空地协同无人机系统的结构框图。
图中，1为信息采集和控制子系统，2为信息处理子系统，3为无线传感网络，101为处理器单元，102为RSSI采集单元，103为视频图像采集单元，104为飞行控制单元，105为第一WiFi通信单元，201为第二WiFi通信单元，202为位置信息处理单元，203为电子地图，204为位置信息显示单元，205为视频图像处理单元，206为视频图像显示单元，207为导航参数设置单元，208为航迹规划单元，209为姿态控制单元，210为云处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，该系统包括设置在无人机上的信息采集和控制子系统1以及设置在地面的信息处理子系统2和无线传感网络3，信息采集和控制子系统1和信息处理子系统2均设有WIFI通信单元，信息采集和控制子系统1和信息处理子系统2中的WIFI通信单元通过无线传感网络3通信连接；无人机上的信息采集和控制子系统1采集无线传感网络3中各无线节点的信号强度信息并发送至地面上的信息处理子系统2，信息处理子系统2进行信息处理获取无人机地理位置信息并进行导航。
信息采集和控制子系统1包括处理器单元101和分别与之连接的RSSI采集单元102、第一WiFi通信单元105和飞行控制单元104，本实施例中处理器单元101采用ARM处理器，具体地：
RSSI采集单元102：该单元连接地面的无线传感网络3并采集无线传感网络3的中各无线节点的信号强度信息，本实施例RSSI采集单元102为WiFi RSSI采集器，RSSI(Received Signal Strength Indication)为接收的信号强度，本发明采用WiFi RSSI采集器采集各个无线节点的信号强度，从而得到无人机的相对坐标信息，这里相对坐标信息指无人机通过无线传感网络3构建的坐标信息，如确定某一个无线传感网络3节点为原点(0,0,0)，根据接收的不同的无线节点的信号强度计算得到的无人机坐标(x,y,z)信息；
第一WiFi通信单元105：该单元将无人机上的信息采集和控制子系统1与地面信息处理子系统2进行通信连接；
飞行控制单元104：该单元根据处理器单元101接收的地面信息处理子系统2发送的目标无人机飞行姿态信息控制无人机飞行。
另外，信息采集和控制子系统1还包括与处理器单元101连接的视频图像采集单元103，视频图像采集单元103采集无人机飞行过程中的视频和图像并通过第一WiFi通信单元105发送至地面的信息处理子系统2，本实施例中视频图像采集单元103采用云台相机，云台运行拍摄无人机飞行过程中的视频和图像，进而可以通过视频画面实时监控无人机的飞行状态。
信息处理子系统2包括第二WiFi通信单元201、定位监测模块、导航控制模块和云处理单元210，定位监测模块和导航控制模块均连接至第二WiFi通信单元201和云处理单元210，第二WiFi通信单元201通过无线传感网络3连接无人机上的信息采集和控制子系统1；
无人机信息采集和控制子系统1将采集的无线传感网络3中各无线节点的信号强度信息通过第二WiFi通信单元201发送至定位检测模块，定位检测模块将相应信息发送至云处理单元210，云处理单元210进行数据处理获取无人机位置信息地理位置信息，同时云处理单元210根据导航控制模块的导航参数并结合无人机位置信息获取目标无人机飞行姿态信息，导航控制模块将目标无人机飞行姿态信息通过第二WiFi通信单元201发送至无人机上的信息采集和控制子系统1。
定位监测模块包括：
位置信息处理单元202：该单元连接云处理单元210，位置信息处理单元202获取信息采集和控制子系统1采集的各无线节点的信号强度信息并通过云处理单元210进行定位处理，得出当前无人机的坐标信息，此过程中云处理单元210使用的定位算法包括RSSI指纹库匹配的定位算法和迭代的三边测量定位算法中的一种或多种组合；
电子地图203：该单元连接位置信息处理单元202，电子地图203用于辅助无人机定位导航，电子地图203包括标准地图、卫星地图、公交地图中的一种或多种，电子地图203用于辅助无人机导航定位，如通过粒子滤波算法，结合地图信息，提高无人机定位精度；同时，可以用于实时显示无人机飞行坐标和航迹；
位置信息显示单元204：该单元连接电子地图203，用于实时显示无人机地理位置信息；
在上述定位过程中，无人机的的坐标信息包含相对坐标信息和绝对坐标信息，相对坐标信息指无人机通过无线传感网络3构建的坐标信息，如确定某一个无线传感网络3节点为原点(0,0,0)，计算得到的无人机坐标(x,y,z)信息，绝对坐标信息是在相对坐标信息的基础上结合电子地图203得到的无人机的经度、纬度和海拔信息。
导航控制模块包括：
导航参数设置单元207，该单元用于设置无人机飞行的导航参数；
航迹规划单元208，该单元连接导航参数设置单元207，航迹规划单元208根据设置的导航参数规划出无人机飞行轨迹信息；
姿态控制单元209，该单元连接航迹规划单元208，姿态控制单元209对导航参数和对应的无人机飞行轨迹信息进行编码得到目标无人机飞行姿态信息，进而将目标无人机飞行姿态信息通过第二WiFi通信单元201发送至无人机上的信息采集和控制子系统1；
导航参数设置单元207、航迹规划单元208和姿态控制单元209均连接至云处理单元210。
信息处理子系统2还包括视频图像处理监测模块，该模块通过信息处理子系统2中的WIFI通信单元连接无人机上的信息采集和控制子系统1，图像处理监测模块包括：
视频图像处理单元205，该单元对视频图像采集单元103采集的无人机飞行过程中的视频和图像进行处理；
视频图像显示单元206，该单元连接视频图像处理单元205，视频图像显示单元206将处理后的视频和图像进行实时显示。
无线传感网络3中的无线节点包括无线接入设备、手持式通信设备和通信传感设备中一种或多种。
无线接入设备包括路由器、WIFI热点、ZigBee协调器和无线通信基站，手持式通信设备包括手机，通信传感设备包括物联网传感器设备。
地面上的信息处理子系统2不仅可以通过定位监测模块和视频图像处理监测模块对无人机进行实时监测，还可以通过导航控制模块进行导航参数设置、航迹规划及姿态控制来设置无人机的飞行起始点和飞行路线，并通过第二WIFI通信模块将参数信息发送至飞行系统，无人机上的信息采集和控制子系统1中ARM处理器内部的程序对参数信息解析转换成飞行指令，飞控中心根据解析出来的飞行指令驱动无人机硬件模块，使无人机能够根据参数设置来调整飞行姿态，最终能够飞行至目的地，实现导航功能。地面上的信息处理子系统2中的云处理单元210即为云服务器，能够实现定位监测模块、视频图像处理监测模和导航控制模块中的大数据计算。通过这种设计实现可以将无人机飞行系统中的大数据计算转移到地面进行，大大减少了无人机自身的负载，同时，也提高了整个系统的实时传输性能，在实时性要求较高的业务上有着良好的应用。
Claims (6)
1.一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，其特征在于，该系统包括设置在无人机上的信息采集和控制子系统(1)以及设置在地面的信息处理子系统(2)和无线传感网络(3)，所述的信息采集和控制子系统(1)和信息处理子系统(2)均设有WIFI通信单元，信息采集和控制子系统(1)和信息处理子系统(2)中的WIFI通信单元通过无线传感网络(3)通信连接；
无人机上的信息采集和控制子系统(1)采集无线传感网络(3)中各无线节点的信号强度信息并发送至地面上的信息处理子系统(2)，信息处理子系统(2)进行信息处理获取无人机地理位置信息并进行导航；
所述的信息采集和控制子系统(1)包括处理器单元(101)和分别与之连接的：
RSSI采集单元(102)：该单元连接地面的无线传感网络(3)并采集无线传感网络(3)的中各无线节点的信号强度信息；
第一WiFi通信单元(105)：该单元将无人机上的信息采集和控制子系统(1)与地面信息处理子系统(2)进行通信连接；
飞行控制单元(104)：该单元根据处理器单元(101)接收的地面信息处理子系统(2)发送的目标无人机飞行姿态信息控制无人机飞行；
视频图像采集单元(103)，所述的视频图像采集单元(103)采集无人机飞行过程中的视频和图像并通过第一WiFi通信单元(105)发送至地面的信息处理子系统(2)；
所述的信息处理子系统(2)包括第二WiFi通信单元(201)、定位监测模块、导航控制模块和云处理单元(210)，所述的定位监测模块和导航控制模块均连接至第二WiFi通信单元(201)和云处理单元(210)，第二WiFi通信单元(201)通过无线传感网络(3)连接无人机上的信息采集和控制子系统(1)；
所述的信息处理子系统(2)还包括视频图像处理监测模块，该模块通过信息处理子系统(2)中的WIFI通信单元连接无人机上的信息采集和控制子系统(1)，所述的图像处理监测模块包括：
视频图像处理单元(205)，该单元对视频图像采集单元(103)采集的无人机飞行过程中的视频和图像进行处理；
视频图像显示单元(206)，该单元连接视频图像处理单元(205)，视频图像显示单元(206)将处理后的视频和图像进行实时显示；
无人机信息采集和控制子系统(1)将采集的无线传感网络(3)中各无线节点的信号强度信息通过第二WiFi通信单元(201)发送至定位检测模块，定位检测模块将相应信息发送至云处理单元(210)，云处理单元(210)进行数据处理获取无人机位置信息地理位置信息，同时云处理单元(210)根据导航控制模块的导航参数并结合无人机位置信息获取目标无人机飞行姿态信息，导航控制模块将目标无人机飞行姿态信息通过第二WiFi通信单元(201)发送至无人机上的信息采集和控制子系统(1)。
2.根据权利要求1所述的一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，其特征在于，所述的定位监测模块包括：
位置信息处理单元(202)：该单元连接云处理单元(210)，位置信息处理单元(202)获取信息采集和控制子系统(1)采集的各无线节点的信号强度信息并通过云处理单元(210)进行定位处理，得出当前无人机的坐标信息；
电子地图(203)：该单元连接位置信息处理单元(202)，电子地图(203)用于辅助无人机定位导航；
位置信息显示单元(204)：该单元连接电子地图(203)，用于实时显示无人机地理位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，其特征在于，所述的导航控制模块包括：
导航参数设置单元(207)，该单元用于设置无人机飞行的导航参数；
航迹规划单元(208)，该单元连接导航参数设置单元(207)，航迹规划单元(208)根据设置的导航参数规划出无人机飞行轨迹信息；
姿态控制单元(209)，该单元连接航迹规划单元(208)，姿态控制单元(209)对导航参数和对应的无人机飞行轨迹信息进行编码得到目标无人机飞行姿态信息，进而将目标无人机飞行姿态信息通过第二WiFi通信单元(201)发送至无人机上的信息采集和控制子系统(1)；
所述的导航参数设置单元(207)、航迹规划单元(208)和姿态控制单元(209)均连接至云处理单元(210)。
4.根据权利要求1所述的一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，其特征在于，所述的无线传感网络(3)中的无线节点包括无线接入设备、手持式通信设备和通信传感设备中一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，其特征在于，所述的无线接入设备包括路由器、WIFI热点、ZigBee协调器和无线通信基站，所述的手持式通信设备包括手机，所述的通信传感设备包括物联网传感器设备。
6.根据权利要求2所述的一种WiFi支撑的空地协同无人机系统，其特征在于，所述的电子地图(203)包括标准地图、卫星地图、公交地图中的一种或多种。
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| CN107271951A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-10-20 | 上海工程技术大学 | 基于WiFi指纹定位的无人机导航系统及其导航方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107291092A (zh) | 2017-10-24 |
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