CN107544528A - 用于无人机与多个用户终端之间的同时数据交换的局域网 - Google Patents
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Abstract
主用户终端(16‑1)与无人机(10)对接以构成基础设施类型的局域网，其中无人机被配置成接入点(AP)且主用户终端被配置成移动站(STA)。主用户终端包括应用软件程序，所述应用软件程序能够i)生成要传送给无人机的操纵和控制指令，以及ii)建立到局域网的连接并将主用户终端注册到无人机的注册表。该网络进一步包括具有应用软件程序的至少一个次用户终端(16‑2；16‑n)，该应用软件程序被适配成建立到局域网的连接并将次用户终端注册到无人机的注册表，其中相关于主终端具有对权限的分层管理。
Description
技术领域
本发明涉及从诸如无人机等机动飞行设备操作的视频拍摄。
背景技术
飞行无人机的典型示例是法国巴黎Parrot SA的Bebop，它是四螺旋桨类型的旋翼无人机。
这样的无人机配备有一系列传感器(加速度计、三轴陀螺仪、高度计，等等)以及捕捉无人机所朝向的场景的图像的前置相机。它们可有利地通过具有集成加速度计的触摸屏多媒体电话或平板(例如iPhone型智能电话或iPad型(注册商标)平板)，具有远程传送由无人机的前置相机所捕捉的图像以在由用户拿持的这一遥控装置屏幕上实时地可视化它们的可能性。这是未修改的标准装置，除了诸如Parrot SA的用于控制无人机的操纵以及由前置相机拍摄的图像的可视化的移动应用Freeflight(注册商标)等应用软件程序的加载之外。
WO 2010/061099A2、EP 2364757A1、EP 2613213A1、EP 2450862A1或EP 2613214A1(Parrot)描述了这些无人机的各方面以及远程地操纵它们的方式的各方面。
遥控器包括用于经由与无人机直接建立的WiFi(IEEE 802.11)或蓝牙无线局域网类型的无线电链路来检测无人机操纵和控制命令以及双向数据交换所需要的各种元件。其触摸屏显示无人机的前相机所捕捉的图像，叠加有允许通过操作者的手指在这一触摸屏上的简单接触来控制飞行以及激活命令的某一数目的符号。
更确切而言，双向无线无线电链路包括用于传送包含以下各项的数据帧的上行链路(从平板到无人机)以及下行链路(从无人机到平板)：
(从平板到无人机)操纵和控制命令，以规则间隔且在系统基础上发送，以及旨在送给无人机的各种信息片段或参数；
(从无人机到平板)来自相机的视频流；以及
(从无人机到平板)在需要时，由无人机确立的飞行数据或状态指示符，诸如：电池电量、飞行阶段(起飞、自动稳定化、着陆在地面上，等等)、高度、检测到的故障，等等。
前置相机(或即“水平相机”)可不仅被用于“沉浸模式”操纵，即用户以与如同他自己在无人机上那样相同的方式来使用来自相机的图像，而且它还用于捕捉从无人机看到的场景的图像序列。用户随后可按与相机或摄像机将由无人机承载(代替被拿在手中)相同的方式来使用无人机。所收集的图像可以被记录，随后被广播、在网站上上线以主存视频序列、发送给其他因特网用户、在社交网络上共享，等等。
这一相机可以是可操控相机，以便按受控方式将视轴定向在预定方向上，并且因此定向与视频流一起传送的图像的视野。
具体地实现在上述Bebop装置中且在EP 2933775A1中描述的第一技术包括提供高清广角相机作为前置相机，该相机配备有覆盖约180°视野的鱼眼型半球形视野镜头。通过由无人机的处理器操作的软件处理将由这一传感器递送的原始图像实时地进行开窗，从而确保因变于特定数目的参数在所确定的捕捉区域中选择原始图像的有用像素。这些参数包括由惯性单元递送的数据(以确保补偿无人机的震荡和振动的图像的稳定化)以及朝向用户所选择的或无人机所自动追随的特定目标的各种指向命令。
作为通过开窗软件程序控制相机视轴的变型或甚至作为补充，还可能将相机安装在具有万向悬挂的万向节类型的三轴枢接支撑件上，配备有因变于陀螺仪数据和指向命令来操纵的伺服电机。
具体而言，这些技术允许根据所谓的“追随”模式来使用，其中用户移动(滑行、骑自行车，……)并对无人机进行编程，使得无人机在用户位移时自动伴随他，从而保持相机指向他。由相机递送的视频流因此示出用户处于图像的中心，在他位移时移动，用户是他自己的移动的观众。这一追随图像随后可被存储、在社交网络上广播，等等。
实际上，为确保相机追随用户(跟踪目标)，组合了各种技术，包括处理由相机收集的视频流(移动检测和目标跟踪)以及处理目标的地理位置数据(通常通过GPS信标或由用户携带的跟踪器，并且它们的数据经由双向数据链路被传送给无人机)。的确，旨在确保目标的取景(framing)的视频流处理易于出错且使真实目标(用户)与环境的元素(诸如例如另一人或具有类似颜色的对象)混淆。为克服这一不合需要的效果，跟踪系统另外使用目标位置数据，以将在屏幕中看到的元素与由该目标携带的GPS跟踪器的指示相链接，其中在视频跟踪信息与位置数据之间存在差异的情况下可能存在对优先级的管理。
这一操作模式对应于该功能性的一般自我使用，其中主用户是拿持GPS跟踪器的目标人。
本发明的目标是提出这一操作模式的扩展，开放给社交功能性。
问题是在诸如全家散步或与朋友登山等场景中在追随模式中涉及若干人，在这些场景期间需要通过无人机捕捉纪念图像，考虑主用户以外存在不同人的在场以管理所存在的这些其他用户的在场，例如通过将开窗软件程序的取景进行移位以使得开窗软件程序不仅示出主用户还示出与用户一起移动的其他人。
A Sathiaseelan等人的论文：Cloudrone:Micro Clouds in The Sky(Cloudrone：空中的微云)，美国康奈尔大学实验室，康奈尔大学201Olin实验室，Ithaca，纽约州14853，2016年4月27日，描述了从飞行无人机操作的低成本WiFi网络的实现，从而允许在不利区域中供应因特网接入基础设施。无人机是经由这一相同的WiFi网络来操纵的，在WiFi规范的意义上，从网络的视角它充当接入点、AP，用户全部从这一接入点独立地被服务。
在本发明的情形中，技术问题在于管理若干终端(主用户的终端和与他在一起的其他用户的那些终端)的连接，具有在对与无人机交换的数据的合适解释，以避免无人机从同时与它连接的若干终端接收到相反命令。
发明内容
本发明的基本概念包括从与无人机相对应的公共接入点建立分层局域网，形成集中端点(例如，在网络意义内的接入点AP)，并且若干用户终端将能够从中连接(每一终端例如被配置成网络意义内的移动站STA)。在它们连接到网络时，不同终端将向无人机的主程序注册，该主程序构成强制通过点并且将管理分配给不同用户的优先级和权限等级，以避免任何矛盾，尤其是在无人机接收到的操纵指令中的矛盾。
更确切而言，本发明提供了一种具体地在上文引用的文献以及在Sathiaseelan等人的上述论文中公开的一般类型的局域网，即允许无人机与多个相似用户终端之间的数据交换的网络，该多个相似用户终端易于按无差别的方式相继地建立到该局域网的连接并注册到无人机的注册表，上述数据包括无人机操纵和控制指令和/或视频流。
在这一已知网络中，无人机包括：因变于所述操纵和控制指令来操作的操纵电路；递送所述视频流的机载摄像机；以及无线发射机/接收机；以及包括用于远程终端的注册的所述表的网络管理软件程序。
本发明的特征在于，这一局域网是以下之间的分层网络：
具有允许它向所述无人机发送操纵和控制指令的权限的主用户终端，并且包括：
与所述无人机的发射机/接收机对接的无线发射机/接收机；
网络管理软件程序；以及
应用软件程序，所述软件应用程序能够i)生成要传送给所述无人机的所述操纵和控制指令以及ii)控制所述网络管理软件程序来建立到所述局域网的连接以及将所述主用户终端注册到所述无人机的注册表，以及
至少一个被动次用户终端，包括：
与所述无人机的发射机/接收机对接的无线发射机/接收机；
网络管理软件程序；以及
应用软件程序，所述应用软件程序能够控制所述网络管理软件程序来建立到所述局域网的连接并将所述次用户终端注册到所述无人机的注册表。
此外，所述网络包括指定装置，所述指定装置能够将所述相似用户终端之一指定为所述主用户终端以及将所有其他相似用户终端指定为次用户终端。
根据各种有利的辅助特征：
所述网络是基础设施类型的局域网，其中所述无人机被配置成接入点且所述主用户终端和所述至少一个次用户终端被配置成移动站，所述无人机的网络管理软件程序是网络接入点软件程序，并且所述主用户终端和所述至少一个次用户终端的相应管理软件程序是网络移动站管理软件程序；
所述局域网是根据IEEE 802.11的基础设施类型的未经修改的WiFi网络；
所述次用户终端的应用软件程序是不能生成要传送给无人机的操纵和控制指令的应用软件程序；
所述主用户终端和/或所述次用户终端能够生成要传送给无人机的终端传感器信息，具体地是该终端在陆地参考系中的地理位置的信息。
上述指定装置可以是：
由无人机的网络接入点管理软件程序实现的装置；
能够将按时间顺序首先连接到所述局域网并注册到无人机的注册表中的用户终端指定为主用户终端的装置；
能够识别其应用软件程序是不同于其他用户终端的应用软件程序的特定应用软件程序的用户终端并将这一用户终端指定为主用户终端的装置；
能够识别与预定因用户而异的标识符或与预定因终端而异的标识符相关联的用户终端并将所识别出的用户终端指定为所述主用户终端的装置。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的实现的示例，附图中同一附图标记表示所有附图中相同或功能上相似的元件。
图1是示出通过遥控装置来操纵的无人机的总体视图。
图2是示出各自具有他们的连接到无人机的终端的多个用户的示意图。
图3是示出各终端到无人机网络的连接以及它们向无人机网络的主程序的注册的连续步骤序列的流程图。
具体实施方式
现在将描述本发明的一示例性实施例。
在图1中，附图标记10概括地指代无人机，它例如是诸如Parrot SA的Bebop等四旋翼直升机。这一无人机包括四个共面旋翼12，这些旋翼的电机由集成的导航与姿态控制系统独立地操纵。它配备有允许获得无人机所朝向的场景的图像的前置相机14，例如配备有覆盖约180°视野的鱼眼型半球形视野镜头的高清广角相机，从而在传感器上形成14百万像素(4608x 3288像素)分辨率的原始图像，并随后在HD图像(1920x 1080像素，即2百万像素)上实时地开窗，其中视频流刷新率为30fps(帧每秒)。
无人机10是通过遥控装置16(此后称为“终端”)来操纵的，诸如具有集成加速度计的触摸屏多媒体电话或平板，例如iPhone型(注册商标)智能电话等等或iPad型(注册商标)平板等等。
这是未修改的标准装置，除了诸如用于控制无人机10的操纵以及由机载前置相机14拍摄的图像的可视化的移动应用Freeflight(注册商标)等应用软件程序的加载之外。
终端16包括主体18和显示前置相机14所捕捉的场景的图像的触摸屏20，该图像叠加有某一数目的符号，从而允许通过用户的手指22简单接触在屏幕上显示的符号来激活操纵指令(上升/下降，等等)。终端16还配备有倾斜传感器，从而允许通过向该装置告知绕滚转和俯仰轴的对应倾斜以使它向前或向后移动来控制无人机姿态。用户的动作被应用软件程序解释，该应用软件程序将它们转换成无人机的操纵指令。电话或平板可能由特定遥控设备(诸如Parrot SA的Skycontroller)来中继，这是与电话或平板对接的箱形式的控制台，它提供有带操纵杆的两个把手以及用于由用户以与专用遥控控制台相同的方式进行人体工学操纵的各种按钮。
非常有利地，无人机10与终端16之间的数据通信链路是双频带(2.4GHz/5GHz)类型的标准WiFi类型(IEEE 802.11n)的链路，配置成在无人机10与终端16之间形成分层的基础设施类型的局域网，其中无人机在接入点(AP)模式中操作，即在网络的主控设备模式中操作，并且终端16在移动站(STA)模式中操作，即在无人机的控制之下的从动设备模式中。
该局域网是从无人机生成的，无人机包括具体地包含用于易于连接到无人机的移动站的注册的表的网络管理软件程序。
所实现的WiFi网络有利地是未经修改的标准网络，这允许从WiFi规范的多个功能性中获益：保护免于冲突、数据的封装、对网络的接入的管理、加密和认证、对频面的管理，等等。
在常规追随操作模式中，无人机被自动地操纵以确保对单个用户的跟踪，这一用户是在他移动时由无人机跟踪以及相机所指向的目标，无论它是通过开窗处理的软件指向还是安装在万向节类型的可操纵机舱上的相机，它的机械移动是由伺服电机控制的。
在本发明的上下文中，问题是允许除连接到无人机、并具有允许他向无人机发送操纵和控制指令的权限的该用户(“主用户”)以外的其他用户(“次用户”)也连接到无人机的WiFi网络。另一方面，为避免任何冲突，次用户将不能向无人机发送操纵指令以避免无人机接收到来自同时连接到它的若干终端的相反命令。
在图2中，主用户(他具有终端16-1，例如装在口袋中的智能电话)被表示为UT1。
以相同的方式，次用户UT2,…UTn各自具有终端16-2,…16-n，从而允许其在由无人机管理的局部WiFi网络上的标识。
不同用户UT1,UT2,…UTn的终端是配置成由无线电链路连接到无人机10的移动站STA1,STA2…STAn的所有终端，无人机10被配置成充当网络用户的不同终端的集线器的接入点AP。
图3解说了在多用户网络的构成期间实现的连续步骤。
局部WiFi网络是在基础设施模式中从无人机建立的(框100)，无人机充当该网络的不同移动站的集线器。
后续步骤(框102)包括通过第一终端(在此是主用户终端16-1)建立连接，它根据到WiFi基础设施的连接的标准协议来检测并选择由无人机生成的WiFi网络。一旦建立了连接，该终端就向无人机的主网络管理程序注册，这随后将允许以追随模式操纵无人机并合适地操控相机。
除应用软件程序Appli-1之外，该终端有利地包括用于生成由传送到无人机以允许作为目标的终端的地理位置的GPS传感器信息的GPS地理定位模块。由用户拿持的终端因此充当跟踪器，其信息将在无人机中被用作目标移动检测视频处理的补充以确保追随功能所独有的对目标的取景和追随。
在稍后步骤中(框104)，由另一用户拿持的第二终端(表示为16-2)建立到该WiFi网络的连接并也向无人机的主程序进行注册。一旦执行了这些操作，这一第二终端就将能够与第一终端一样生成传送给无人机的GPS传感器信息，例如以允许无人机锁定到此，以将图像移位以使得这两个用户一起都在图像上是可见的，等等。
可按相同方式针对其他用户重复连接到WiFi网络以及向无人机注册的操作(框106)。
如果若干终端因此连接到无人机，有必要确立发送的无人机的数据之间的优先级，以避免无人机操纵和控制指令的冲突。
为此，定义了两个权限等级：
主等级，保留给主用户；它具有向无人机发送操纵和控制指令的能力，例如以触发自动追随模式或相反地取回对无人机的受控操纵的控制权。只有一个用户(主用户)将能够以此权限等级来连接；以及
次等级，针对所有其他用户。这些用户将是被动用户，即虽然他们不具有向无人机发送操纵命令的特权，但他们仍然将保持连接到网络，具有接收来自无人机的相机的视频流的可能性，和/或向无人机发送传感器信息以允许无人机锁定到此，例如GPS传感器信息，从而允许控制无人机的操纵和/或拍摄时的取景，以使得所有用户(主用户和次用户)都被包括在相机的视野中。
这两个权限等级的管理可按各种方式来操作。
第一实现包括分别针对主等级和次等级来在终端中加载不同应用软件程序。
另一可能的实现包括与应用软件程序无关地，在“先到/先服务”的基础上分配权限，连接到无人机的网络的第一终端被认为是具有主等级的终端，此后终端只具有次等级。
另一可能的实施例包括将主等级分配给特定终端，由网络根据被识别为“专有”的特定标识符来进行识别(例如，用户向其注册的远程云服务器中的标识符，或者因用户终端而异的标识符)，因此默认地具有主等级。
这些不同策略可按互补的方式来应用，例如，i)作为通常用于无人机的操纵的应用软件程序的附加，通过提供专用于追随功能的第二应用软件程序作为辅助追随，具有有限的操纵功能，只给予对次权限等级的访问，并且并发地ii)在先到/先服务的基础上只允许一个应用软件程序连接在主等级。
另一组合应用包括i)对所有终端提供相同的单个应用软件程序，但ii)只通过对如下的偏好次序来分配主等级的权限：分配给通过特定标识符(例如，用户向其注册的远程云服务器中的标识符)来识别的预定用户终端；或者在未能标识的情况下分配给连接到网络的第一终端。
Claims (10)
1.一种用于在无人机(10)与多个相似用户终端之间交换数据的局域网，所述多个相似用户终端易于以无差别的方式相继地建立到所述局域网的连接并注册到所述无人机的注册表中，所述数据包括无人机操纵和控制指令和/或视频流，网络其中：
所述无人机(10)，包括：
因变于所述操纵和控制指令来操作的操纵电路；
递送所述视频流的机载摄像机(14)；
无线发射机/接收机；以及
包括用于远程终端的注册的所述表的网络管理软件程序，
其特征在于，所述局域网是以下之间的分层网络：
具有允许它向所述无人机发送操纵和控制指令的权限的主用户终端(16-1)，并且包括：
与所述无人机的发射机/接收机对接的无线发射机/接收机；
网络管理软件程序；以及
应用软件程序(Appli-1)，所述软件应用程序能够i)生成要传送给所述无人机的所述操纵和控制指令以及ii)控制所述网络管理软件程序来建立到所述局域网的连接以及将所述主用户终端注册到所述无人机的注册表，以及
至少一个被动次用户终端(16-2；16-n)，包括：
与所述无人机的发射机/接收机对接的无线发射机/接收机；
网络管理软件程序；以及
应用软件程序(Appli-2；Appli-n)，所述应用软件程序能够控制所述网络管理软件程序来建立到所述局域网的连接并将所述次用户终端注册到所述无人机的注册表，
并且其特征在于，所述网络包括指定装置，所述指定装置能够将所述相似用户终端之一指定为所述主用户终端以及将所有其他相似用户终端指定为次用户终端。
2.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述网络是基础设施类型的局域网，其中所述无人机被配置成接入点(AP)且所述主用户终端和所述至少一个次用户终端被配置成移动站(STA1,STA2…STAn)，所述无人机的网络管理软件程序是网络接入点软件程序，并且所述主用户终端和所述至少一个次用户终端的相应管理软件程序是网络移动站管理软件程序。
3.如权利要求2所述的网络，其特征在于，所述局域网是根据IEEE 802.11的基础设施类型的未经修改的WiFi网络。
4.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述次用户终端的所述应用软件程序(APPli-2；Appli-n)是不能生成要传送给所述无人机的操纵和控制指令的应用软件程序。
5.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述主用户终端(Appli-1)和/或所述次用户终端(Appli-2；Appli-n)能够生成要传送给所述无人机的终端传感器(GPS)信息。
6.如权利要求5所述的局域网，其特征在于，所述终端传感器(GPS)信息包括所述终端在陆地参考系中的地理位置。
7.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述指定装置是由所述无人机的网络接入点管理软件程序所实现的装置。
8.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述指定装置是能够将按时间顺序首先连接到所述局域网并注册到所述无人机的注册表中的用户终端指定为所述主用户终端的装置。
9.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述指定装置是能够识别其应用软件程序是不同于其他用户终端的应用软件程序的特定应用软件程序的用户终端并将这一用户终端指定为主用户终端的装置。
10.如权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述指定装置是能够识别与预定因用户而异的标识符或与预定因终端而异的标识符相关联的用户终端并将如此识别出的用户终端指定为所述主用户终端的装置。
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