CN107342784A - 实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统及方法 - Google Patents

Abstract

为了解决在远距离和/或复杂环境下无法实现对无人机平台进行持续、精确控制的技术问题，本发明提供了一种实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统及方法。系统包括设置在地面端飞控及显示装置和无人机平台及载荷装置之间的N个地面端收发装置和M个天空端收发装置；N≥3；M≥1；N个地面端收发装置通过通信协议组成连通的网络，其中，距离地面端飞控及显示装置最近的一个地面端收发装置Ni通过无线数据链路与地面端飞控及显示装置连接；地面端收发装置Ni用于接收和转发所述GPS范围信息给相应的天空端收发装置。采用本发明能对无人机实现超视距离和/或复杂环境下持续、精确地控制，以及实现数据回传。

Description

实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种实现无人机超视距控制及图像和/或数据接收的系统及方法。本发明所说的超视距是指：1、距离至少在5公里以上，超出了人的目视范围；2、距离很近但是由于遮挡等因素造成无法看到，也叫超视距。

背景技术

随着无人机平台技术的日益完善，无人机以其灵活、高效、便捷、智能等诸多优势，越来越受到各领域的青睐，专业级无人机被大量应用于实际工作领域的趋势日趋明显，例如高速公路/铁路/桥梁检测、石油管线检测、电力线路检测、城市交通及安全监测等等领域。随着专业级无人机应用领域的不断扩展，其应用环境也日趋复杂，以高速公路检测领域为例，因其超长的距离、大量的山区路段导致其具有复杂的外部环境，虽然无人机技术本身也在不断的提升，滞空时间越来越长，控制距离越来越长，但是半径为公里级的控制距离对于高速公路检测领域而言显然是远远不够的；另外，若高速公路处在城市环境，则周边的电磁环境也会对无人机的遥控造成巨大的干扰，根本无法实现远距离精确控制、超视距图像和/或数据传输，因此无人机长时间的滞空能力就无法发挥作用，直接导致的是在使用无人机作业时，需要在可视范围内完成工作后，降落无人机，再到另一个点进行起飞作业，这样不但工作效率低，而且实际操作难度大。

发明内容

为了解决在远距离和/或复杂环境下无法实现对无人机平台进行持续、精确控制的技术问题，本发明提供了一种实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统及方法。采用本发明的系统和/或方法，能在不降低带宽以及通信效率的情况下，对无人机实现超视距离和/或复杂环境下持续、精确地控制，以及实现数据回传。

本发明的技术解决方案是：

实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统，所述无人机包括地面设备和天空设备；地面设备包括地面端飞控及显示装置，天空设备包括无人机平台及载荷装置；其特殊之处在于，

所述系统包括设置在地面端飞控及显示装置和无人机平台及载荷装置之间的N个地面端收发装置和M个天空端收发装置；N≥3；M≥1；

N个地面端收发装置沿道路线程间隔分布，或者在道路区域内呈网状分布；N个地面端收发装置的分布间隔根据每个地面端收发装置的有效信号覆盖区确定，相邻的地面端收发装置在各自的有效信号覆盖区的边缘区有部分重合区间；地面端收发装置的信号覆盖区只作用于天空端收发装置；

所述N个地面端收发装置通过通信协议组成连通的网络，其中，距离地面端飞控及显示装置最近的一个地面端收发装置Ni通过无线数据链路与所述地面端飞控及显示装置连接；所述i为自然数；

M个天空端收发装置均与无人机平台及载荷装置相连；每一个天空端收发装置均可通过“侦听发现”与所述地面端收发装置Ni进行身份认证，认证通过后获得唯一控制标识符；

所述地面端收发装置Ni也用于将所述唯一控制标识符分发给同一网络中其余N‐1个地面端收发装置；所述其余N‐1个地面端收发装置根据其接收到的唯一控制标识符向所述地面端收发装置Ni发送各自的GPS范围信息；

所述地面端收发装置Ni用于接收和转发所述GPS范围信息给相应的天空端收发装置。

进一步地，上述M＝1。

实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，所述无人机包括地面设备和天空设备；地面设备包括地面端飞控及显示装置，天空设备包括无人机平台及载荷装置；其特殊之处在于，所述方法包括以下步骤：

1)在地面端飞控及显示装置和无人机平台及载荷装置之间设置N个地面端收发装置和M个天空端收发装置；N≥3；M≥1；N个地面端收发装置沿道路线程间隔分布，或者在道路区域内呈网状分布；N个地面端收发装置的分布间隔根据每个地面端收发装置的有效信号覆盖区确定，相邻的地面端收发装置在各自的有效信号覆盖区的边缘区有部分重合区间；地面端收发装置的信号覆盖区只作用于天空端收发装置；

2)使N个地面端收发装置处于长开状态；

3)距离所述地面端飞控及显示装置最近的一个地面端收发装置Ni向其余N-1个地面端收发装置发出组网请求；所述i为自然数；

4)其余N-1个地面端收发装置收到所述组网请求后对地面端收发装置Ni进行身份认证鉴别：若身份认证通过，则所述其余N-1个地面端收发装置均与所述地面端收发装置Ni通过通信协议建立连接形成连通的网络，组网完成，进入步骤5)；若身份认证未通过，则所述其余N-1个地面端收发装置向所述地面端收发装置Ni发送身份认证失败响应包，组网失败，程序结束，不再进行下面的步骤；

5)地面端飞控及显示装置通过无线数据链路就近与地面端收发装置Ni建立连接；

4)天空端收发装置Mj通过“侦听发现”与所述地面端收发装置Ni进行身份认证，认证通过后所述地面端收发装置Ni向天空端收发装置5发送唯一控制标识符；

7)所述地面端收发装置Ni将步骤4)中所述的唯一控制标识符发送给所述其余N-1个地面端收发装置；

8)所述地面端收发装置Ni收到所述其余N-1个地面端收发装置发送的各自GPS范围信息；

9)所述地面端收发装置Ni将所收到的GPS范围信息转发给天空端收发装置Mj，至此无人机平台及载荷装置完成起飞前准备；

10)无人机平台及载荷装置在飞行过程中通过所述M个天空端收发装置动态切换其与所述N个地面端收发装置之间的无线数据链路，切换模式包括GPS模式、跳跃模式、信号强度模式和混杂模式；地面端飞控及显示装置通过所述地面端收发装置Ni实现对无人机平台及载荷装置的远距离控制以及获得其图像和/数据。

进一步地，上述步骤2)中的长开状态是指地面端收发装置1～N始终处于加电开机状态，并周期性进行广播信息发送。

进一步地，上述步骤4)中的“侦听发现”是指天空端收发装置主动接受来自天空端收发装置和无人机平台及载荷装置之间的无线数据链路的广播信息。

进一步地，上述步骤4)中的身份认证是指天空端收发装置通过事先协商好的机制与所述地面端收发装置Ni进行身份信息认证，避免接入非法地面端收发装置。

进一步地，上述步骤4)中的唯一控制标识符是指：当多个天空端收发装置在同一网络内同时工作时，每一个天空端收发装置一旦通过与地面端飞控及显示装置距离最近的地面端收发装置Ni身份认证后，每一个天空端收发装置均从所述地面端收发装置Ni处获得的一个唯一标识，多个唯一标识被发放给与地面端收发装置Ni在同一网络内其他的地面端收发装置，作为每一个天空端收发装置Mj的唯一识别符。

进一步地，上述步骤8)中的GPS范围信息是指：每个地面端收发装置的有效GPS覆盖范围，相邻的地面端收发装置的GPS覆盖范围有一定的重合区间。

进一步地，上述步骤10)中：

GPS模式是指根据不同地面端收发装置发送的GPS范围信息进行跃区切换的模式；

跳跃模式是指通过指定地面端收发装置的序号实现跃区切换的模式；

信号强度模式是指根据天空端接收装置所接收到的来自不同地面端收发装置所发出的信号强度进行跃区切换的模式；

混杂模式是指同时开启GPS模式和信号强度模式，天空端收发装置进行判断处理后自动进入最先符合切换条件的跃区切换的模式。

本发明的优点：

1、本发明采用分布式基站方式提升无人机和地面控制系统之间无线数据链路的作用距离，因此实现了对无人机的超视距和/或复杂环境持续、精确地控制以及图像和/或数据的上下行传输。

2、本发明无需改变用户对无人机的原有控制和使用方式，无人机同一网络中进行分布式基站间的动态切换的过程对用户是完全透明和无感知的。

3、采用本发明的系统和/方法时，无人机操作员和地面端飞控及显示装置均无需到处移动，例如无人机操作员在工程车内即可实现对上百公里高速公里的检测，或者公安执法人员在指挥中心就可以通过无人机完成对全市重点地区的监控，并且现场图像能够在地面端飞控及显示装置大屏幕上实时显示。

4、本发明的基站间连接方式可以根据应用环境灵活选择，无论是采用有线方式还是微波方式都不会影响整体系统的工作。

5、本发明的跳跃模式可以使无人机在高速状态下到达指定位置，可极大节约飞行控制时间。

6、本发明可以支持多架无人机同时在不同或相关区域进行作业，最大限度的提升资源复用效率。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的体系拓扑图；

图2为图1所示系统中各设备之间的处理时序图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明。

参见图1，本发明所提供的实现无人机超视距控制及图像和/或数据接收的系统包括设置在地面端飞控及显示装置7和无人机平台及载荷装置8之间的五个地面端收发装置N1～N5和一个天空端收发装置5。

五个地面端收发装置部署的位置依据环境条件确定，在公路、铁路等区域则通常是沿道路线程线状部署，在城市等复杂区域通常是网状部署，分布间隔通常以地面端收发装置在特定环境下的有效覆盖范围为准，相邻的地面端收发装置的覆盖范围只能在各自的边缘区有部分信号重叠以保证控制精度。

距离地面端飞控及显示装置7最近的地面端收发装置N1通过无线数据链路与地面端飞控及显示装置7连接；其余地面端收发装置N2～N5通过通信协议组成连通的网络。

天空端收发装置5与无人机平台及载荷装置8相连；天空端收发装置5通过“侦听发现”与地面端收发装置N1进行身份认证，认证通过后获得唯一控制标识符；天空端收发装置5也用于将其获得的唯一控制标识符分发给地面端收发装置N2～N5；地面端收发装置N2～N5根据其接收到的唯一控制标识符向地面端收发装置N1发送各自的GPS范围信息。

地面端收发装置N1用于接收和转发地面端收发装置N2～N5的GPS范围信息给天空端收发装置5。

为了避免地面端收发装置和地面端飞控及显示装置之间存在信号重叠区，本发明在布置这五个地面端收发装置时，要求不同的地面端收发装置的信号覆盖区只是边缘重合，并且地面端收发装置的信号覆盖区只作用于天空端收发装置，地面端飞控及显示装置1和最近的地面端收发装置1通过有线/无线wifi方式接入，以确保使用时不会同时接入两个不同的地面端收发装置。

参见图2，图1所示系统实现无人机超视距控制及图像和/或数据接收的方法具体为：

1)使地面端收发装置N1～N5始终处于加电开机状态，并周期性进行广播信息发送。

2)地面端飞控及显示装置7一旦开机，即通过数据链路与就近的地面端收发装置N1建立连接；

3)天空端收发装置5一旦处于开机状态时，天空端收发装置5通过“侦听发现”与地面端收发装置N1进行身份认证，认证通过后地面端收发装置N1向天空端收发装置5发送唯一控制标识符；

所述“侦听发现”是指天空端收发装置主动接受来自天空端收发装置和无人机平台及载荷装置之间的无线数据链路的广播信息；身份认证是指天空端收发装置5通过事先协商好的机制与地面端收发装置N1进行身份信息认证，避免接入非法地面端收发装置；

唯一控制标识符是指：天空端收发装置5一旦通过与地面端飞控及显示装置7距离最近的地面端收发装置N1身份认证后，天空端收发装置5即会从地面端收发装置N1处获得的一个唯一标识，该唯一标识会被发放给与地面端收发装置N1在同一网络内其他的地面端收发装置N2～N5，作为天空端收发装置5的唯一识别符。

当天空端收发装置有多个并且在同一网络内同时工作时，每一个天空端收发装置一旦通过与地面端飞控及显示装置距离最近的地面端收发装置N1身份认证后，每一个天空端收发装置均会从地面端收发装置N1处获得的一个唯一标识，多个唯一标识会被发放给与地面端收发装置N1在同一网络内其他的地面端收发装置N2～N5，作为每一个天空端收发装置的唯一识别符。

4)地面端收发装置N1一旦完成与天空端收发装置5的认证并颁发唯一控制标识符后，地面端收发装置N1即开始向地面端收发装置N2～N5发送组网请求；

5)地面端收发装置N2～N5收到地面端收发装置N1的组网请求后对地面端收发装置N2～N5进行身份认证鉴别：

若认证通过，则地面端收发装置N2～N5均与地面端收发装置N1建立连接形成连通的网络，完成组网；

若认证未通过，则地面端收发装置N2～N5向地面端收发装置N1发送身份认证失败响应包，组网失败，整个方法结束，不再进行下面的各个步骤；

导致组网失败的两种情形：(1)仅部分地面端收发装置能够实现组网，地面飞控及显示装置会显示网络覆盖范围；(2)任意两个或两个以上的地面端收发装置之间都无法实现组网，地面端收发装置会向地面飞控及显示装置提示暂无有效地面网络等提示信息；

6)地面端收发装置N1～N5组网完成后，地面端收发装置N1将步骤3)中向天空端收发装置5分发的唯一控制标识符发送给网内其他地面端收发装置N2～N5；

7)地面端收发装置N1收到来自网内其他地面端收发装置N2～N5发送的各自的GPS范围信息；

8)地面端收发装置N1将收到的GPS范围信息发送给天空端收发装置5，至此无人机平台及载荷装置8完成起飞前准备；

9)无人机平台及载荷装置8升空后，对无人机平台及载荷装置8的控制及图像和/或数据传送均通过天空端收发装置5和地面端收发装置N1～N5之间、地面端收发装置N1和地面端飞控及显示装置7之间所建立的无线数据链路进行数据交互；无人机平台及载荷装置8在飞行过程中动态切换其与地面端收发装置N1～N5之间的无线数据链路，切换模式共四种：GPS模式、跳跃模式、信号强度模式和混杂模式；地面端飞控及显示装置7通过地面端收发装置N1实现对无人机平台及载荷装置8的控制以及获得其图像和/或数据；

①GPS模式

当无人机平台及载荷装置8到达地面端收发装置N2的GPS范围内，天空端收发装置5主动与地面端收发装置N2建立连接并完成身份认证，身份认证完成后，地面端收发装置N2向地面端收发装置N1发出接管请求，并建立地面端收发装置N2和天空端收发装置5的无线数据链路，地面端收发装置N1收到请求后，断开地面端收发装置N1和天空端收发装置5之间的无线数据链路，至此，无人机平台及载荷装置8即完成了地面端收发装置N1和N2的切换，同时完成了空地无线数据链路的迁移；地面端飞控及显示装置7仍通过无线数据链路方式就近连接地面端收发装置N1，此时对无人机平台及载荷装置8的控制数据通过网络由地面端收发装置N1发送给地面端收发装置N2，并通过地面端收发装置N2的空中接口与天空端收发装置5进行连接，完成跃区平滑切换，后续无人机平台及载荷装置8将采用相同的工作机制，完成网络内不同地面端收发装置间的切换，从而透明的实现对无人机超视距离的控制及图像和/或数据的传输。

②跳跃模式

直接通过指令指派无人机平台及载荷装置8从地面端收发装置N1覆盖范围到达地面端收发装置N3而跨过地面端收发装置N2，或者从地面端收发装置N1覆盖范围到达地面端收发装置N4而跨过地面端收发装置N2和N3；

若指令指派无人机平台及载荷装置8从地面端收发装置N1覆盖范围到达地面端收发装置N4而跨过地面端收发装置N2和N3，当无人机平台及载荷装置8到达指定的地面端收发装置N4的GPS范围内，天空端收发装置5主动与地面端收发装置N4建立连接并完成身份认证，身份认证完成后，地面端收发装置N4向地面端收发装置N1发出接管请求，并建立地面端收发装置N4和天空端收发装置N5的无线数据链路，地面端收发装置N1收到接管请求后，断开地面端收发装置N1和天空端收发装置5之间的无线数据链路，至此，无人机平台及载荷装置8即完成了地面端收发装置N1和N4的切换，同时完成了空地无线数据链路的迁移，后续无人机平台及载荷装置8可以采用相同的工作机制，完成网内不同地面端收发装置间的跳跃切换，从而透明的实现对无人机超视距离的控制及图像和/或数据的传输。

③信号强度模式

采用该模式时，安装在无人机平台及载荷装置8上的天空端收发装置5会周期性扫描来自除地面端收发装置N1外的信号，一旦天空端收发装置5收到的除地面端收发装置N1外的、来自地面端收发装置N2的信号强度到达预设切换门限时，天空端收发装置5主动与地面端收发装置N2建立连接并完成身份认证，身份认证完成后，地面端收发装置N2向地面端收发装置N1发出接管请求，并建立地面端收发装置N2和天空端收发装置5的无线数据链路，地面端收发装置N1收到接管请求后，断开地面端收发装置N1和天空端收发装置N5之间的无线数据链路，至此，无人机平台及载荷装置8即完成了地面端收发装置N1和N2的切换，同时完成了空地无线数据链路的迁移，地面端飞控及显示装置7仍就近通过无线数据链路连接地面端收发装置N1，此时对无人机平台及载荷装置8的控制及图像和/或数据通过网络由地面端收发装置N1发送给地面端收发装置N2，并通过地面端收发装置N2的空中接口与天空端收发装置5进行连接，完成跃区平滑切换，后续无人机平台及载荷装置8将采用相同的工作机制，完成网内不同地面端收发装置间的切换，从而透明的实现对无人机超视距的控制及图像或数据的传输。

④混杂模式

该模式为自动切换模式，即同时开启GPS模式和信号强度模式，只要两种切换模式之一符合切换条件，则自动使用符合切换条件的模式完成网内不同地面端收发装置间的切换，从而透明的实现对无人机超视距的控制及图像或数据的传输。

Claims (9)

1.实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统，所述无人机包括地面设备和天空设备；地面设备包括地面端飞控及显示装置，天空设备包括无人机平台及载荷装置；其特征在于，

所述系统包括设置在地面端飞控及显示装置和无人机平台及载荷装置之间的N个地面端收发装置和M个天空端收发装置；N≥3；M≥1；

N个地面端收发装置沿道路线程间隔分布，或者在道路区域内呈网状分布；N个地面端收发装置的分布间隔根据每个地面端收发装置的有效信号覆盖区确定，相邻的地面端收发装置在各自的有效信号覆盖区的边缘区有部分重合区间；地面端收发装置的信号覆盖区只作用于天空端收发装置；

所述N个地面端收发装置通过通信协议组成连通的网络，其中，距离地面端飞控及显示装置最近的一个地面端收发装置Ni通过无线数据链路与所述地面端飞控及显示装置连接；所述i为自然数；

M个天空端收发装置均与无人机平台及载荷装置相连；每一个天空端收发装置均可通过“侦听发现”与所述地面端收发装置Ni进行身份认证，认证通过后获得唯一控制标识符；

所述地面端收发装置Ni也用于将所述唯一控制标识符分发给同一网络中其余N‐1个地面端收发装置；所述其余N‐1个地面端收发装置根据其接收到的唯一控制标识符向所述地面端收发装置Ni发送各自的GPS范围信息；

所述地面端收发装置Ni用于接收和转发所述GPS范围信息给相应的天空端收发装置。

2.根据权利要求1所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的系统，其特征在于，M＝1。

3.实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，所述无人机包括地面设备和天空设备；地面设备包括地面端飞控及显示装置，天空设备包括无人机平台及载荷装置；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在地面端飞控及显示装置和无人机平台及载荷装置之间设置N个地面端收发装置和M个天空端收发装置；N≥3；M≥1；N个地面端收发装置沿道路线程间隔分布，或者在道路区域内呈网状分布；N个地面端收发装置的分布间隔根据每个地面端收发装置的有效信号覆盖区确定，相邻的地面端收发装置在各自的有效信号覆盖区的边缘区有部分重合区间；地面端收发装置的信号覆盖区只作用于天空端收发装置；

2)使N个地面端收发装置处于长开状态；

3)距离所述地面端飞控及显示装置最近的一个地面端收发装置Ni向其余N-1个地面端收发装置发出组网请求；所述i为自然数；

4)其余N-1个地面端收发装置收到所述组网请求后对地面端收发装置Ni进行身份认证鉴别：若身份认证通过，则所述其余N-1个地面端收发装置均与所述地面端收发装置Ni通过通信协议建立连接形成连通的网络，组网完成，进入步骤5)；若身份认证未通过，则所述其余N-1个地面端收发装置向所述地面端收发装置Ni发送身份认证失败响应包，组网失败，结束；

5)地面端飞控及显示装置通过无线数据链路就近与地面端收发装置Ni建立连接；

4)天空端收发装置Mj通过“侦听发现”与所述地面端收发装置Ni进行身份认证，认证通过后所述地面端收发装置Ni向天空端收发装置5发送唯一控制标识符；

7)所述地面端收发装置Ni将步骤4)中所述的唯一控制标识符发送给所述其余N-1个地面端收发装置；

8)所述地面端收发装置Ni收到所述其余N-1个地面端收发装置发送的各自GPS范围信息；

9)所述地面端收发装置Ni将所收到的GPS范围信息转发给天空端收发装置Mj，至此无人机平台及载荷装置完成起飞前准备；

10)无人机平台及载荷装置在飞行过程中通过所述M个天空端收发装置动态切换其与所述N个地面端收发装置之间的无线数据链路，切换模式包括GPS模式、跳跃模式、信号强度模式和混杂模式；地面端飞控及显示装置通过所述地面端收发装置Ni实现对无人机平台及载荷装置的远距离控制以及获得其图像和/数据。

4.根据权利要求3所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，其特征在于，步骤2)中的长开状态是指地面端收发装置1～N始终处于加电开机状态，并周期性进行广播信息发送。

5.根据权利要求3所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，其特征在于，步骤4)中的“侦听发现”是指天空端收发装置主动接受来自天空端收发装置和无人机平台及载荷装置之间的无线数据链路的广播信息。

6.根据权利要求3所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，其特征在于，步骤4)中的身份认证是指天空端收发装置通过事先协商好的机制与所述地面端收发装置Ni进行身份信息认证，避免接入非法地面端收发装置。

7.根据权利要求3所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，其特征在于，步骤4)中的唯一控制标识符是指：当多个天空端收发装置在同一网络内同时工作时，每一个天空端收发装置一旦通过与地面端飞控及显示装置距离最近的地面端收发装置Ni身份认证后，每一个天空端收发装置均从所述地面端收发装置Ni处获得的一个唯一标识，多个唯一标识被发放给与地面端收发装置Ni在同一网络内其他的地面端收发装置，作为每一个天空端收发装置Mj的唯一识别符。

8.根据权利要求3所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，其特征在于，步骤8)中的GPS范围信息是指：每个地面端收发装置的有效GPS覆盖范围，相邻的地面端收发装置的GPS覆盖范围有一定的重合区间。

9.根据权利要求3所述的实现无人机超视距控制、图像和/或数据接收的方法，其特征在于，步骤10)中：

GPS模式是指根据不同地面端收发装置发送的GPS范围信息进行跃区切换的模式；

跳跃模式是指通过指定地面端收发装置的序号实现跃区切换的模式；

信号强度模式是指根据天空端接收装置所接收到的来自不同地面端收发装置所发出的信号强度进行跃区切换的模式；

混杂模式是指同时开启GPS模式和信号强度模式，天空端收发装置进行判断处理后自动进入最先符合切换条件的跃区切换的模式。