CN107809277B - 一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络及组网方法，属于灾难救援、应急通信技术领域。本发明在硬件上主要涉及无人机、无线设备、GPS定位装置、远程基站，由无人机组成空中无线网络，无线设备组成地面无线网络，通过在地面无线网络和无人机网络之间建立通讯，为发生灾难的区域提供临时通信网络或者连接两个因非人为的原因而被隔离的网络。本发明首先根据受灾面积、受灾地区的地形、受灾地区的人口数量、密度等情况合理设计地面无线网络的分布以及选择无线设备、无人机的数量。相对现有技术，本发明可以扩大网络覆盖面积，增强网络的稳定性，提高系统的安全性，延长无人机工作时间，减缓能量消耗的速度。
Description
技术领域
本发明涉及灾难救援、应急通信技术领域，更具体地说，涉及一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络及组网方法，本发明具体涉及到无人机和无线设备的数量选取和部署以及组网，通过多个无人机挂载无线设备，组成空中网络，与地面部署的无线路由器组网，可建立一个灾区救援应急网络，实现人力和物力资源的合理调配。
背景技术
在我们日常生活中，自然灾害如泥石流、山体滑坡、地震、海啸以及重大事故具有突发性和不确定性，这些事件通常影响范围广、破坏力大，导致灾害过后基础设施被损坏，道路阻塞，影响灾后恢复和救援。在以往我们通过卫星查看灾区受灾情况，成本大，不方便，现有的通信车在道路相对通畅的地区还可以提供服务，但是对于像发生泥石流、地震的区域，交通瘫痪，通信车也无法驶入提供临时通信服务，无人机作为科技发展的产物，我们可以充分利用这一科技产品为我们的救援工作提供一臂之力。
近年来，微型无人机发展迅速，已经能够进入大众市场，并且应用广泛。民用领域如电力巡检、农业保险、城市环保、影视拍摄、活动录像、森林防火等，军用领域如战场侦察和监视、边境巡逻等。微型无人机之所以能够快速发展，因为其机动性强、成本低，能够实现自动巡航，减少了大量人力工作，降低风险，生存能力强。
目前已有大量研究把无人机应用于灾难救援工作，可见其能够发挥的重要性，但目前的微型无人机多以锂电池为动力来源，无法在空中实现长续航，无人机在工作过程中，其最大的能耗来自螺旋桨，小型无人机的螺旋桨在空转时转速为1000转/分钟左右，正常工作时每分钟能够达到12000-20000转/分钟，因此目前以锂电池提供电力支撑的小型无人机的空中续航时间一般为30-60分钟。为了解决无人机空中续航时间短的问题，国内研究学者向系留式无人机发力，所谓系留无人机如图2所示，是将无人机和系留综合缆绳结合起来实现的无人机系统，系留无人机通过光电综合缆绳传输电能，使无人机可以不受电能限制而长时间停留在空中，虽然系留式无人机实现了长滞空，但是因为缆绳的存在，无人机的机动性大大降低，车载式系留无人机可以适应道路通畅的场景，像发生灾害的地区道路桥梁损毁，车辆无法驶入，不能提供服务。
经检索，将无人机应用于应急通讯的方案也已有较多公开，如专利申请号201710452082.7，申请日为2017年6月15日，发明创造名称为：一种应急通讯无人机及系统；该申请案即将应急通讯基站装设在无人机上，用于对指定区域进行通讯覆盖，以实现指定区域内终端的相互通信以及指定区域内终端与指定区域外的网络的相互通信；应急通讯基站通过系留线缆接口连接系留线缆，并与调度台通信连接，用于根据调度台的调度管理提供通讯业务；该申请案解决了现有的应急通讯基站网络覆盖面积小的问题。但并没有解决因为缆绳的存在，无人机的机动性大大降低的问题
专利申请号201611073568.1，则公开了一种集群无人机分布式快速通信系统及通信方法，该申请案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。该申请案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。但该申请案并没有解决无人机因到处飞行而产生大量能耗，而无人机电池容量有限的问题，并不能为灾区提供一个稳定的、可扩展的、持续的网络服务。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明针对上述问题，提供了一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络及组网方法，本发明结合地面无线网络，既能避免无人机因到处飞行而产生大量能耗，又能按需要调整无人机位置提供更好的网络服务。在当下，无人机电池容量暂时无法获得突破的情况，减小无人机能耗，结合地面无线设备，不失为一个好的平衡方法，而且无人机具有非常好的平衡功能。另外，本发明中无人机搭载的是无线路由器，相比采用携带移动基站信号的设备来说，其功耗和设备重量大大降低，能够提供更长时间的续航服务。本发明充分利用了无人机的优势，结合当前已有技术，既能避免无人机因频繁变换位置导致的消耗过多的能量，又能为灾区提供一个稳定的、可扩展的、持续的网络服务。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络，包括无人机、空中无线设备、地面无线设备、定位设备和远程基站，所述的无人机挂载空中无线设备，组成空中无线网络；所述的地面无线设备上设置定位设备，组成地面无线网络；通过在地面无线网络、空中无线网络以及远程基站之间建立通讯，为发生灾难的区域提供临时通信网络。
作为本发明跟进一步的改进，所述的空中无线设备和地面无线设备采用无线路由器，所述的定位设备采用GPS定位装置。
本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其步骤为：
步骤一、为每个无人机分配唯一的UID，每个无线路由器分配唯一的RID，所有的无线设备具有相同的SSID、信道和兼容协议，无需密码即可连接，工作中的路由器都处于桥接模式；
步骤二、灾害发生后，由投递无人机负责把所有的地面无线设备部署到预定地点，部署完成后，地面无线设备即处于工作状态，同时投递无人机生成一组(RID,x,y)数据发送到远程基站，x，y分别表示所投递地面无线设备所处的经纬度；
步骤三、在部署地面无线设备的过程中，空中的无人机同时飞往目标位置，飞抵后，无人机处于悬停状态，等待与地面无线设备建立连接，在地面无线设备与空中无人机网络部署的过程中，即开始逐步建立网络连接；
步骤四、在无线网络为灾区提供网络服务的过程中，无人机根据地面用户移动导致的流量变化而动态调整位置，以便提供更好的网络服务。
作为本发明跟进一步的改进，地面无线设备作为提供地面无线网络通讯的基础设施，在灾害发生后，应当首先确定灾区的受灾面积、需求投放的无线设备的数量、位置，然后进行地面无线网络部署，具体步骤为：
(1)派遣一个或多个携带高清摄像头的巡查无人机对灾区进行连续高清图像拍摄，拍摄完成后再对图像进行拼接，根据无人机的高度和摄像头的视角计算受灾面积；
(2)根据拼接后的整个灾区地图，划出所有需要紧急救援的居民区，并计算所有居民区的面积；
(3)测定地面无线设备的覆盖范围SR，按如下公式计算需要部署的无线设备的数量N1：
式中，Si表示灾区第i个灾民集中点的面积；i表示灾区第i个灾民集中点；n表示灾区灾民集中点的数量；
(4)根据步骤(2)扫描的结果，确定地面无线设备的部署位置，选点完成后，由投递无人机完成所有地面无线设备的投放。
作为本发明跟进一步的改进，步骤(1)中利用巡查无人机对灾区进行扫描，扫描的方式是无人机沿固定的方向、速度和高度对受灾地区进行连续拍摄高清图像，每两次拍摄的照片必须保持一定的重合区域以保证图像能够完整拼接；步骤(4)中地面无线设备的部署位置选择遵循空旷平坦、地势较高、不容易受二次影响且尽量覆盖居民区的原则。
作为本发明跟进一步的改进，当地面无线设备开始部署的时候，即准备无人机的部署，具体步骤为：
(1)确定需要部署的无人机数量，设地面无线设备的最大数据速率是T1，挂载到无人机上的空中无线设备最大数据速率是T2，覆盖半径为r，灾区到远程基站的最短距离为D，那么需要的无人机的数量按如下公式计算：
其中，k为根据实际需要额外增配的无人机数量；
(2)确定无人机数量以后，把空中无线设备挂载到无人机，设定无人机目的地，由无人机自动飞行到设定地点。
作为本发明跟进一步的改进，步骤三中当地面无线设备进入工作状态后，开始搜索周围无线设备，该过程是通过广播请求建立连接的MAC帧实现的，当两个无线设备建立关联后，互相报告各自的RID、IP地址、地理位置信息，并在本地存储对方的RID、IP地址、MAC地址、地理位置信息，空中无线网络采用相同的方式形成无线网络以及建立与地面无线设备之间的连接，在本地保存到邻居节点的路由信息，当有数据需要发送的时候，节点再根据路由协议确定下一跳地址，同时保存该条路由信息，每个节点只定期更新到邻居节点的连接性；当再次发送到同一目标节点失败后即在该节点删除到达目标节点的路由，当灾区无线设备能够建立一条到达远程基站的连接，即形成一个能够对灾区提供网络服务的无线网络。
作为本发明跟进一步的改进，步骤四中无人机根据地面用户移动导致的流量变化而动态调整位置的过程如下：
(1)每个地面无线设备每隔一个周期T向远程基站发送自己当前的吞吐率；
(2)远程基站在收集到所有地面无线设备的吞吐率后计算每个设备干扰范围内的设备吞吐率之和，按照大小进行排序；
(3)选出吞吐率最大的前K个节点作为网关，如果新的网关还是原来的节点，则无人机位置不变，如果网关的位置发生变化，则由原网关对应的无人机飞行至新的网关上方重新建立路由。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络，针对无人机在灾难救援、应急通信领域前景广阔，但续航短的问题提出了结合地面无线路由器，固定无人机的位置节省飞行过程的能量消耗，提供更长时间的网络服务，但是又不像系留式无人机那样受限于固定的点，可以根据需要对无人机进行微调，本发明结合传统的无线路由器对灾区提供更好的网络服务，易扩展、易管理、易维护、适应性强，能够为灾区快速提供一个稳定可靠的临时应急网络；
(2)本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络，无人机搭载的是无线路由器，相比采用携带移动基站信号的设备来说，其功耗和设备重量大大降低，能够提供更长时间的续航服务；
(3)本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，根据受灾面积、受灾地区的地形、受灾地区的人口数量、密度等情况合理设计地面无线网络的分布以及选择无线设备、无人机的数量，相对现有技术，本发明可以扩大网络覆盖面积，增强网络的稳定性，提高系统的安全性，延长无人机工作时间，减缓能量消耗的速度；
(4)本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，为每个无人机分配唯一的UID，每个无线路由器分配唯一的RID，所有的无线设备具有相同的SSID、信道和兼容协议，无需密码即可连接，工作中的路由器都处于桥接模式，便于管理所有运行中的设备；
(5)本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，当地面无线设备开始部署的时候，即准备无人机的部署，可以避免地面无线设备长期处于等待连接或者无网络状态而空耗电，降低能源的损耗；
(6)本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，通过设计一个无人机动态调整规则，在无线网络为灾区提供网络服务的过程中，无人机能够根据地面用户移动导致的流量变化而动态调整位置，进而能够提供更好的网络服务。
附图说明
图1为本发明的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络的结构示意图；
图2为系留式无人机的示意图；
图3为无人机与地面无线路由器通信示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1和图3，本实施例的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络及组网方法，针对无人机在灾难救援、应急通信领域前景广阔，但续航短的问题提出了结合地面无线路由器，固定无人机的位置节省飞行过程的能量消耗，提供更长时间的网络服务，但是又不像系留式无人机那样受限于固定的点，可以根据需要对无人机进行微调，能够为灾区快速提供一个稳定可靠的临时应急网络。根据受灾面积、受灾地区的地形、受灾地区的人口数量、密度等情况合理设计地面无线网络的分布以及选择无线设备、无人机的数量。相对现有技术，可以扩大网络覆盖面积，增强网络的稳定性，提高系统的安全性，延长无人机工作时间，减缓能量消耗的速度。
参看图1，本实施例的通信网络在硬件上主要包括多轴无人机、空中无线设备、地面无线设备、定位设备和远程基站，旨在充分利用无人机的优势，结合传统无线网络，快速搭建一个稳定、可靠的临时网络应用于灾难救援。所述的无人机组成空中无线网络，无人机下方具有能够挂载一定重量的悬挂部件，悬挂部件挂载空中无线设备，无线设备挂载于无人机整体结构下方，使接收和发射的信号最优。飞控板能够提供无线设备供电接口、控制接口，可以单独设置无线设备的参数、控制其是否工作等。所述的地面无线设备上携带定位设备，即GPS定位装置，组成地面无线网络；地面无线设备设有为GPS定位装置供电的接口、数据传输及控制接口，组网后GPS定位装置通过网络把每个地面无线设备的位置信息周期性的发送给远程基站。通过在地面无线网络、空中无线网络以及远程基站之间建立通讯。
本实施例的一种应用无人机挂载无线设备在空中组成无人机通信网络，并联合由无线路由器组成的地面网络形成的地空联合灾难应急通讯网络的组网方法，主要分为两个部分，地面无线网络与空中无线网络的部署及组网，具体过程如下：
步骤1：在灾难发生之前，为便于管理所有运行中的设备，灾难救援指挥中心对所有无人机、无线路由器进行编号，每个无人机分配唯一的UID，每个路由器分配唯一的RID，所有的无线设备具有相同的SSID、信道、兼容802.11b/g/n/ac协议，无需密码即可连接，工作中的路由器都处于桥接模式。
步骤2：灾害发生后，救灾指挥中心派遣一个或多个携带高清摄像头的巡查无人机对灾区进行扫描，扫描的方式是无人机沿固定的方向、速度和高度对受灾地区进行连续拍摄高清图像，拍摄完成后再对图像进行拼接，并且每两次拍摄的照片必须保持一定的重合区域保证图像能够完整拼接，最后根据无人机的高度和摄像头的视角最后计算受灾面积。
步骤3：根据拼接后的整个灾区地图，划出所有需要紧急救援的居民区，并计算所有居民区的面积，为了计算方便、快捷，在划出居民区的时候可以采用正方形、圆形等规则图形进行计算。
步骤4：测定地面无线设备的覆盖范围SR，按如下公式计算需要部署的无线设备的数量N1：
式中，Si表示灾区第i个灾民集中点的面积；i表示灾区第i个灾民集中点；n表示灾区总的灾民集中点的数量。
步骤5：根据步骤2扫描的结果，确定无线设备的部署位置，部署点的选择应该遵循空旷平坦、地势较高、不容易受二次影响且尽量覆盖居民区的原则。
步骤6：选点完成后，由投递无人机负责把所有的地面无线设备部署到预定地点，部署完成后，无线设备即处于工作状态，开始搜索周围的无线设备，同时投递无人机生成(RID,x,y)这样一组数据发送到远程基站，x，y分别为该路由器的经纬度用于记录无线节点的初始位置。
步骤7：当地面无线设备开始部署的时候，即准备无人机的部署，这样做的好处是可以避免地面无线设备长期处于等待连接或者无网络状态而空耗电，首先确定需要部署的无人机数量，假设地面无线设备的最大数据速率是T1，挂载到无人机上无线设备的最大数据速率是T2，覆盖半径为r，灾区到远程基站的最短距离为D，那么需要的无人机的数量可按如下公式计算：
其中k为根据实际需要额外增配的无人机数量。
步骤8：确定无人机数量以后，把无线设备安装到无人机，并确认连接牢固，供电正常，处于待机状态，设定无人机目的地，由无人机自动飞行到设定地点。飞抵后，无人机处于悬停状态，等待与地面无线设备建立连接，无人机在飞行过程中，最大飞行高度不超过100米。
步骤9：在地面设备与空中无人机网络部署的过程中，即开始逐步建立网络连接，当地面无线设备进入工作状态后，开始搜索周围无线设备，该过程是通过广播请求建立连接的802.11MAC帧实现的，如果有其它任意无线设备在该无线广播范围内接收到该帧，即向该设备发送一个响应帧，请求帧的目的地址为广播地址，响应帧的目标地址为发送方的MAC地址，当两个设备建立关联后，互相报告各自的RID、IP地址、地理位置信息，并在本地存储对方的RID、IP地址、MAC地址、地理位置信息，空中无线网络采用相同的方式形成无线网络以及建立与地面无线设备之间的连接，在本地保存到邻居节点的路由信息，当有数据需要发送的时候，节点再根据路由协议确定下一跳地址，同时保存该条路由信息，每个节点只定期更新到邻居节点的连接性；当再次发送到同一目标节点失败后即在该节点删除到达目标节点的路由，当灾区无线设备能够建立一条到达远程基站的连接，即形成一个能够对灾区提供网络服务的无线网络。
步骤10：在该无线网络为灾区提供网络服务的过程中，无人机能够根据由于地面用户移动导致的流量变化而动态调整位置以便能够提供更好的网络服务，其动态调整过程如下：每个地面无线节点(即地面无线设备)每隔一个周期T向远程基站发送自己当前的吞吐率，远程基站在收集到所有地面无线节点的吞吐率后计算每个节点干扰范围内的节点吞吐率之和，按照大小对它们进行排序，选出吞吐率最大的前K个节点作为网关，如果新的网关还是原来的节点，则无人机位置不变，如果网关的位置发生变化，则由原网关对应的无人机飞行至新的网关上方重新建立路由。
本实施例充分利用了无人机的优势，结合当前已有技术，既能避免无人机因频繁变换位置导致的消耗过多的能量，又能为灾区提供一个稳定的、可扩展的、持续的网络服务。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其特征在于：通信网络包括无人机、空中无线设备、地面无线设备、定位设备和远程基站，所述的无人机挂载空中无线设备，组成空中无线网络；所述的地面无线设备上设置定位设备，组成地面无线网络；通过在地面无线网络、空中无线网络以及远程基站之间建立通讯，为发生灾难的区域提供临时通信网络；所述的空中无线设备和地面无线设备采用无线路由器，所述的定位设备采用GPS定位装置；
组网步骤为：
步骤一、为每个无人机分配唯一的UID，每个无线路由器分配唯一的RID，所有的无线设备具有相同的SSID、信道和兼容协议，无需密码即可连接，工作中的路由器都处于桥接模式；
步骤二、灾害发生后，投递无人机把所有的地面无线设备部署到预定地点，部署完成后投递无人机返回，地面无线设备即处于工作状态，同时投递无人机生成一组RID、(x,y)数据发送到远程基站，x，y分别表示所投递地面无线设备所处的经纬度，(x,y)为预定地点经纬度坐标；
步骤三、在部署地面无线设备的过程中，空中的无人机同时飞往目标位置，飞抵后，无人机处于悬停状态，等待与地面无线设备建立连接，在地面无线设备与空中无人机网络部署的过程中，即开始建立网络连接；
步骤四、在无线网络为灾区提供网络服务的过程中，无人机根据地面用户移动导致的流量变化动态调整位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其特征在于：地面无线设备作为提供地面无线网络通讯的基础设施，在灾害发生后，应当首先确定灾区的受灾面积、需求投放的无线设备的数量、位置，然后进行地面无线网络部署，具体步骤为：
(1)派遣一个或多个携带高清摄像头的巡查无人机对灾区进行连续高清图像拍摄，拍摄完成后再对图像进行拼接，根据无人机的高度和摄像头的视角计算受灾面积；
(2)根据拼接后的整个灾区地图，划出所有需要紧急救援的居民区，并计算所有居民区的面积；
(3)测定地面无线设备的覆盖范围SR，按如下公式计算需要部署的无线设备的数量N1：
式中，Si表示灾区第i个灾民集中点的面积；i表示灾区第i个灾民集中点；n表示灾区总的灾民集中点的数量；
(4)根据步骤(2)扫描的结果，确定地面无线设备的部署位置，选点完成后，由投递无人机完成所有地面无线设备的投放。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其特征在于：步骤(1)中利用巡查无人机对灾区进行扫描，扫描的方式是无人机沿固定的方向、速度和高度对受灾地区进行连续拍摄高清图像，每两次拍摄的照片必须保持一定的重合区域以保证图像能够完整拼接；步骤(4)中地面无线设备的部署位置选择遵循空旷平坦、地势较高、不容易受二次影响且尽量覆盖居民区的原则。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其特征在于：当地面无线设备开始部署的时候，即准备无人机的部署，具体步骤为：
(1)确定需要部署的无人机数量，设地面无线设备的最大数据速率是T1，挂载到无人机上的空中无线设备最大数据速率是T2，覆盖半径为R2，灾区到远程基站的最短距离为D，那么需要的无人机的数量按如下公式计算：
其中，k为根据实际需要额外增配的无人机数量；
(2)确定无人机数量以后，把空中无线设备挂载到无人机，设定无人机目的地，由无人机自动飞行到设定地点。
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其特征在于：步骤三中当地面无线设备进入工作状态后，开始搜索周围无线设备，该过程是通过广播请求建立连接的MAC帧实现的，当两个无线设备建立关联后，互相报告各自的RID、IP地址、地理位置信息，并在本地存储对方的RID、IP地址、MAC地址、地理位置信息，空中无线网络采用相同的方式形成无线网络以及建立与地面无线设备之间的连接，在本地保存到邻居无线设备的路由信息，当有数据需要发送的时候，无线设备再根据路由协议确定下一跳地址，同时保存该条路由信息，每个无线设备只定期更新到邻居无线设备的连接性；当再次发送到同一目标无线设备失败后即在该无线设备删除到达目标无线设备的路由，当灾区无线设备能够建立一条到达远程基站的连接，即形成一个能够对灾区提供网络服务的无线网络。
6.根据权利要求5所述的一种基于无人机和无线设备的应急救援通信网络组网方法，其特征在于：步骤四中无人机根据地面用户移动导致的流量变化而动态调整位置的过程如下：
(1)每个地面无线设备每隔一个周期T向远程基站发送自己当前的吞吐率；
(2)远程基站在收集到所有地面无线设备的吞吐率后计算每个设备干扰范围内的设备吞吐率之和，按照大小进行排序；
(3)选出吞吐率最大的前K个无线设备作为网关，如果新的网关还是原来的无线设备，则无人机位置不变，如果网关的位置发生变化，则由原网关对应的无人机飞行至新的网关上方重新建立路由。
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