CN107943095A - 一种多无人机地面控制节点网的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种多无人机地面控制节点网的实现方法，包括：控制节点网中不同角色节点的定义和它们之间的拓扑关系；控制节点网中不同节点之间链路的初始建立方法；控制节点网中节点之间链路发生错误时的检测和处理方法；无人机与地面控制节点之间的关联与去关联方法；无人机与控制节点之间双向通信的数据压缩方法。本发明的有益效果在于:本发明可以解决单一无人机地面控制节点控制距离的局限，通过多重中继达到对无人机的远距离控制；将控制节点组成网络，有效地增加可控制无人机的数量，并高效地利用多个无线信道的带宽；无人机与控制节点之间的关联与去关联由网络自动完成，而无需人工干预等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人与无线通信技术领域，尤其涉及一种多无人机地面控制节点网的实现方法。
背景技术
目前，随着无人机技术的进展和成本的降低，其应用越来越广。无人机在空中飞行时，由地面的控制节点进行控制，并向控制节点回传飞行状态数据，以及机上传感器所采集的环境感知数据。但是，一对一的无人机的控制节点对存在诸多局限。包括单一控制节点传输距离有限，从而影响无人机飞行空间大小；对多无人机的飞行场景，实现控制复杂等。使用组网技术将多个控制节点组织成控制节点网，并实现该网络的一些自我管理和修复功能，可以很好地扩充无人机控制的范围、数量和质量。本发明即针对这些方面进行了创新。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种多无人机地面控制节点网的实现方法，本发明可以解决单一无人机地面控制节点控制距离的局限，通过多重中继达到对无人机的远距离控制；将控制节点组成网络，有效地增加可控制无人机的数量，并高效地利用多个无线信道的带宽；无人机与控制节点之间的关联与去关联由网络自动完成，而无需人工干预等优点。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种多无人机地面控制节点网的实现方法，其特征在于：控制节点网中的节点具有两种不同角色之一,并按一定的拓扑结构关系相连接，控制节点网中包含中心控制节点和中继控制节点，中心控制节点负责产生飞行控制命令，并发送给各无人机，同时，接收从无人机传回的飞行状态数据，以及机上传感器的环境感知数据进行处理，中继控制节点负责双向转发无人机与中心飞控节点之间的通信，中心控制节点和每一个无人机之间的链路上至少包含一个中继控制节点，可以包含多个中继控制节点。
进一步，包括所述控制节点网中不同类型节点之间数据链路的建立方法，中心控制节点使用以下的方法来自动找到到达特定中继节点的路径：
(1)中心控制节点维护一个路径表，表里的每一个条目是到作为链路终点的某一个中继控制节点的中继路径，假设中心控制节点的节点号为0，连接其与节点号为7的中继控制节点路径要经过3，4,9号节点，则对应的路径表条目为(0->7,3,4,9)；
(2)在网络初始化的时候，中心控制节点所维护的路径表为空，没有任何条目，中心节点随即使用以下的循环来找到去每一个中继控制节点的路径，首先，它发送一个无线广播消息，内容为要求收到此广播消息的中继控制节点回应它们的节点号；然后，中心控制节点把收到回复的节点的节点号填入路径表；中心控制节点随即向路径表里有对应终点条目的每一个中继节点发送命令，要求它们各自发送广播消息,找到它们无线传输范围内的新中继控制节点,然后将这些中继控制节点的节点号传回到中心控制节点，并在中心控制节点的路径表中为这些节点号添加条目；此循环过程一直到所有路径表中的终点中继控制节点都在其无线传输范围内找不到新中继控制节点为止。
进一步，包括所述控制节点网中节点之间链路出现错误后的检测和处理方法；
其检测方法如下：每一个中继控制节点都知道其无线传输范围内的其他中继控制节点是哪些，各中继节点定时发送无线信号(称为“心跳信号”)，告知其无线传输范围内的其他中继控制节点，此节点仍在正常工作，如果某一个中继控制节点在三个定时周期内，其相邻中继控制节点都没有收到其心跳信号，则可以认为该中继控制节点出现了故障，开始启动故障处理；
故障处理方法如下：首先，检测到某中继控制节点出现故障的节点向中心控制节点发送该故障节点的节点号，中心控制节点在收到该故障节点的节点号后，将所维护的路径表中所有包含该中继节点的路径标记为无效，随后，中心控制节点启动新路径建立流程，向所有已标记为无效的路径中，故障中继控制节点的前一个中继控制节点发送命令，要求其找到并报告其无线传输范围内的每一个中继控制节点，并循环执行这个过程，一直到所有路径表中的终点中继控制节点都在其无线传输范围内找不到新中继控制节点为止。
进一步，包括无人机与地面控制节点之间的关联与去关联方法，每一架无人机都与一个中继控制节点，且仅与一个中继控制节点建立关联关系，中心控制节点到该无人机的控制指令通过与之关联的中继控制节点发送给无人机，而无人机的飞行状态数据与机上传感器的环境感知数据则通过与之关联的中继控制节点回传给中心控制节点；
无人机与某一个中继控制节点建立关联的方法如下：各中继控制节点定时发送无线信号，当无人机接收到超过三次的来自同一中继控制节点的无线信号时，无人机将此中继控制节点列入候选关联中继控制节点列表，然后在多个候选关联中继控制节点中选择一个与之关联，被关联的中继控制节点随即将与之关联的无人机编号回传到中心控制节点，一旦无人机与某中继控制节点建立了关联关系，两者之间定时发送无线信号(称为“心跳信号”)，保证链路一直处于有效状态，一旦无人机检测到三个定时周期以内没有接收到心跳信号，其开始重新接收地面中继控制节点的无线信号，并选择新的地面中继节点与之关联，新的被关联中继控制节点将与之关联的无人机编号回传到中心控制节点，以此更新中心控制节点到该无人机的数据链路路径。
进一步，所述无人机和中心控制节点之间的通信采用数据压缩，压缩与解压缩都发生在链路的终点，即无人机端，或中心控制节点端，数据在各中继控制节点间中继传输时不进行压缩解压缩操作。
本发明的优点在于：本发明提供了一种多无人机地面控制节点网的实现方法，本发明可以解决单一无人机地面控制节点控制距离的局限，通过多重中继达到对无人机的远距离控制；将控制节点组成网络，有效地增加可控制无人机的数量，并高效地利用多个无线信道的带宽；无人机与控制节点之间的关联与去关联由网络自动完成，而无需人工干预等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明节点间的拓扑结构关系示意图。
图2为不同类型控制节点之间数据链路的建立方法的流程示意图。
图3为检测到中继控制节点故障后的处理方法流程示意图。
图4为无人机与地面控制节点间关联状态的转换流程示意图。
其中：
1-中心控制节点； 2-中继控制节点； 3-数据链路；
4-无人机
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本发明节点间的拓扑结构关系示意图，图2为不同类型控制节点之间数据链路的建立方法的流程示意图，图3为检测到中继控制节点故障后的处理方法流程示意图，图4为无人机与地面控制节点间关联状态的转换流程示意图，如图1，图2，图3与图4所示的一种多无人机地面控制节点网的实现方法，控制节点网中的节点具有两种不同角色之一,并按一定的拓扑结构关系相连接，控制节点网中包含中心控制节点和中继控制节点，中心控制节点负责产生飞行控制命令，并发送给各无人机，同时，接收从无人机传回的飞行状态数据，以及机上传感器的环境感知数据进行处理，中继控制节点负责双向转发无人机与中心飞控节点之间的通信，中心控制节点和每一个无人机之间的链路上至少包含一个中继控制节点，可以包含多个中继控制节点。
进一步，包括所述控制节点网中不同类型节点之间数据链路的建立方法，控制节点网中,从中心控制节点到任意一个中继控制节点建立数据链路，而各中继控制节点之间可能也存在数据链路,但这些数据链路只能作为中心控制节点到某个中继控制节点数据链路的一部分，任何一条完整数据链路的两端一定分别是中心控制节点和中继控制节点，由于每一条完整数据链路都可能包括多个中继控制节点，中心控制节点使用不同类型控制节点之间数据链路的方法来自动找到到达特定中继节点的路径，中心控制节点使用以下的方法来自动找到到达特定中继节点的路径：
(1)中心控制节点维护一个路径表，表里的每一个条目是到作为链路终点的某一个中继控制节点的中继路径，假设中心控制节点的节点号为0，连接其与节点号为7的中继控制节点路径要经过3，4,9号节点，则对应的路径表条目为(0->7,3,4,9)；
(2)在网络初始化的时候，中心控制节点所维护的路径表为空，没有任何条目，中心节点随即使用以下的循环来找到去每一个中继控制节点的路径，首先，它发送一个无线广播消息，内容为要求收到此广播消息的中继控制节点回应它们的节点号；然后，中心控制节点把收到回复的节点的节点号填入路径表；中心控制节点随即向路径表里有对应终点条目的每一个中继节点发送命令，要求它们各自发送广播消息,找到它们无线传输范围内的新中继控制节点,然后将这些中继控制节点的节点号传回到中心控制节点，并在中心控制节点的路径表中为这些节点号添加条目；此循环过程一直到所有路径表中的终点中继控制节点都在其无线传输范围内找不到新中继控制节点为止
进一步，包括所述控制节点网中节点之间链路出现错误后的检测和处理方法，由于任何一个中继节点都可能出现故障，这些故障就会影响到控制节点网中依靠该中继节点中继的链路，控制节点网需要有一种机制来检测到中继节点故障，然后在故障发生时使用合适的处理方法来自我恢复；
检测方法如下：每一个中继控制节点都知道其无线传输范围内的其他中继控制节点是哪些，各中继节点定时发送无线信号(称为“心跳信号”)，告知其无线传输范围内的其他中继控制节点，此节点仍在正常工作，如果某一个中继控制节点在三个定时周期内，其相邻中继控制节点都没有收到其心跳信号，则可以认为该中继控制节点出现了故障，开始启动故障处理；
故障处理方法如下：首先，检测到某中继控制节点出现故障的节点向中心控制节点发送该故障节点的节点号，中心控制节点在收到该故障节点的节点号后，将所维护的路径表中所有包含该中继节点的路径标记为无效，随后，中心控制节点启动新路径建立流程，向所有已标记为无效的路径中，故障中继控制节点的前一个中继控制节点发送命令，要求其找到并报告其无线传输范围内的每一个中继控制节点，并循环执行这个过程，一直到所有路径表中的终点中继控制节点都在其无线传输范围内找不到新中继控制节点为止。
进一步，包括无人机与地面控制节点之间的关联与去关联方法，每一架无人机都与一个中继控制节点，且仅与一个中继控制节点建立关联关系，中心控制节点到该无人机的控制指令通过与之关联的中继控制节点发送给无人机，而无人机的飞行状态数据与机上传感器的环境感知数据则通过与之关联的中继控制节点回传给中心控制节点；
无人机与某一个中继控制节点建立关联的方法如下：各中继控制节点定时发送无线信号，当无人机接收到超过三次的来自同一中继控制节点的无线信号时，无人机将此中继控制节点列入候选关联中继控制节点列表，然后在多个候选关联中继控制节点中选择一个与之关联，被关联的中继控制节点随即将与之关联的无人机编号回传到中心控制节点，一旦无人机与某中继控制节点建立了关联关系，两者之间定时发送无线信号(称为“心跳信号”)，保证链路一直处于有效状态，一旦无人机检测到三个定时周期以内没有接收到心跳信号，其开始重新接收地面中继控制节点的无线信号，并选择新的地面中继节点与之关联，新的被关联中继控制节点将与之关联的无人机编号回传到中心控制节点，以此更新中心控制节点到该无人机的数据链路路径。
进一步，所述无人机和中心控制节点之间的通信采用数据压缩，压缩与解压缩都发生在链路的终点，即无人机端，或中心控制节点端，数据在各中继控制节点间中继传输时不进行压缩解压缩操作。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种多无人机地面控制节点网的实现方法，其特征在于：控制节点网中的节点具有两种不同角色之一,并按一定的拓扑结构关系相连接，控制节点网中包含中心控制节点和中继控制节点，中心控制节点负责产生飞行控制命令，并发送给各无人机，同时，接收从无人机传回的飞行状态数据，以及机上传感器的环境感知数据进行处理，中继控制节点负责双向转发无人机与中心飞控节点之间的通信，中心控制节点和每一个无人机之间的链路上至少包含一个中继控制节点，可以包含多个中继控制节点。
2.根据权利要求1所述的一种多无人机地面控制节点网的实现方法，其特征在于：包括所述控制节点网中不同类型节点之间数据链路的建立方法，中心控制节点使用以下的方法来自动找到到达特定中继节点的路径：
(1)中心控制节点维护一个路径表，表里的每一个条目是到作为链路终点的某一个中继控制节点的中继路径，假设中心控制节点的节点号为0，连接其与节点号为7的中继控制节点路径要经过3，4,9号节点，则对应的路径表条目为(0->7,3,4,9)；
(2)在网络初始化的时候，中心控制节点所维护的路径表为空，没有任何条目，中心节点随即使用以下的循环来找到去每一个中继控制节点的路径，首先，它发送一个无线广播消息，内容为要求收到此广播消息的中继控制节点回应它们的节点号；然后，中心控制节点把收到回复的节点的节点号填入路径表；中心控制节点随即向路径表里有对应终点条目的每一个中继节点发送命令，要求它们各自发送广播消息,找到它们无线传输范围内的新中继控制节点,然后将这些中继控制节点的节点号传回到中心控制节点，并在中心控制节点的路径表中为这些节点号添加条目；此循环过程一直到所有路径表中的终点中继控制节点都在其无线传输范围内找不到新中继控制节点为止。
3.根据权利要求1所述的一种多无人机地面控制节点网的实现方法，其特征在于：包括所述控制节点网中节点之间链路出现错误后的检测和处理方法；
其检测方法如下：每一个中继控制节点都知道其无线传输范围内的其他中继控制节点是哪些，各中继节点定时发送无线信号(称为“心跳信号”)，告知其无线传输范围内的其他中继控制节点，此节点仍在正常工作，如果某一个中继控制节点在三个定时周期内，其相邻中继控制节点都没有收到其心跳信号，则可以认为该中继控制节点出现了故障，开始启动故障处理；
故障处理方法如下：首先，检测到某中继控制节点出现故障的节点向中心控制节点发送该故障节点的节点号，中心控制节点在收到该故障节点的节点号后，将所维护的路径表中所有包含该中继节点的路径标记为无效，随后，中心控制节点启动新路径建立流程，向所有已标记为无效的路径中，故障中继控制节点的前一个中继控制节点发送命令，要求其找到并报告其无线传输范围内的每一个中继控制节点，并循环执行这个过程，一直到所有路径表中的终点中继控制节点都在其无线传输范围内找不到新中继控制节点为止。
4.根据权利要求1所述的一种多无人机地面控制节点网的实现方法，其特征在于：包括无人机与地面控制节点之间的关联与去关联方法，每一架无人机都与一个中继控制节点，且仅与一个中继控制节点建立关联关系，中心控制节点到该无人机的控制指令通过与之关联的中继控制节点发送给无人机，而无人机的飞行状态数据与机上传感器的环境感知数据则通过与之关联的中继控制节点回传给中心控制节点；
无人机与某一个中继控制节点建立关联的方法如下：各中继控制节点定时发送无线信号，当无人机接收到超过三次的来自同一中继控制节点的无线信号时，无人机将此中继控制节点列入候选关联中继控制节点列表，然后在多个候选关联中继控制节点中选择一个与之关联，被关联的中继控制节点随即将与之关联的无人机编号回传到中心控制节点，一旦无人机与某中继控制节点建立了关联关系，两者之间定时发送无线信号(称为“心跳信号”)，保证链路一直处于有效状态，一旦无人机检测到三个定时周期以内没有接收到心跳信号，其开始重新接收地面中继控制节点的无线信号，并选择新的地面中继节点与之关联，新的被关联中继控制节点将与之关联的无人机编号回传到中心控制节点，以此更新中心控制节点到该无人机的数据链路路径。
5.根据权利要求1所述的一种多无人机地面控制节点网的实现方法，其特征在于：所述无人机和中心控制节点之间的通信采用数据压缩，压缩与解压缩都发生在链路的终点，即无人机端，或中心控制节点端，数据在各中继控制节点间中继传输时不进行压缩解压缩操作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180420 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |