CN108037769A - 一种具有多控制模块的无人机飞行系统及其通信控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多控制模块的无人机飞行系统及其通信控制方法，其中，主控制模块将每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数封装到数据包中，并通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送；每个数据包封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低；从控制模块收到数据包后，先剥离最外层器件ID，若发现剥离后的数据包不再有器件ID，则利用数据包中的舵机动力输出参数控制舵机运行；如果从控制模块剥离出最外层器件ID后还有器件ID，则向剥离后的数据包的最外层器件ID对应的从控制模块发剥离后的数据包。本发明适用于不同规模的模块化无人机，使无人机更广泛应用于不同环境中。

Description

一种具有多控制模块的无人机飞行系统及其通信控制方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其是涉及一种具有多控制模块的无人机飞行系统及其通信控制方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV)，是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。随着无人机技术的快速发展，无人机已经被广泛应用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。

由于模块化无人机飞行器具有快速组装和更换、便于运输和储存的优点，越来越被更多的商家以及用户所喜爱，因此也越来越多的被应用于无人机上。

现有的模块化无人机飞行器如图1所示，其由一个布置在无人机中心位置的控制模块1和多个动力模块2组装而成。动力模块2通过通信端口与控制模块之间设置有唯一的通信接口，且通过该通信接口进行数据以及信令的传输，且控制模块1中设置有电源，为各个动力模块2提供动力。

可以看出，现有的模块化无人机飞行器只有一个控制模块1，而由于工作环境的需要，往往需要更大规模的无人机，这就需要针对无人机的规模要求来配置更多的控制模块和动力模块。

但是目前还没有针对配置有多个控制模块的无人机飞行器的通信以及控制方法。因此迫切需要研究和开发这样的技术，以便控制各种规模的模块化无人机的飞行。

发明内容

本发明的目的是针对目前存在的问题，提供具有多控制模块的无人机飞行系统及其通信控制方法，其为具有多个控制模块的不同规模的模块化无人机的舵机动力输出控制提供了具体实施方案。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明的目的是提供一种无人机飞行系统的多控制模块间通信及控制方法，其包括：

步骤S30，在无人机飞行过程中，主控制模块根据原始测量数据、遥控数据以及主控模块与各个从控制模块之间的最短通信路径上各个从控制模块的位置级别进行计算，得到每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数；

步骤S40，主控制模块将得到的每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数封装到数据包中，并通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送；每个数据包封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低；

步骤S50，从控制模块接收到数据包后，首先剥离出最外层的器件ID，若发现剥离后的数据包不再有其它器件ID，则利用数据包中的舵机动力输出参数控制舵机的运行；如果从控制模块剥离出最外层的器件ID后，发现还有其它器件ID，则向剥离后的数据包的最外层的器件ID对应的从控制模块发送剥离后的数据包。

更优选地，所述通信控制方法还包括：

步骤S60，主控制模块监测每个从控制模块针对自身数据包接收确认的反馈信息，并当获得反馈信息后，确认完成针对此数据包的发送；否则，在设定时间间隔后再次发送该数据包。

更优选地，所述通信控制方法还包括：

步骤S10，每个控制模块一上电后，自动进入从控制模块模式，控制模块主动向各连接通路发送请求连接信息，上电时间达到设定时间后未收到主控制模块的应答信息时，则该控制模块转入主控制模块模式，静默等待其它控制模块与之连接通讯；若控制模块收到主控制模块的应答信息，则以从控制模块的模式工作到断电；

步骤S20，主控制模块监测并接收到其它后续上电的控制模块在自身处于从控制模块模式时发送的器件识别消息，并从中识别出各个从控制模块的器件ID及其在通信路径上的位置级别，并依据从控制模块的器件ID及其在各条通信路径上的位置级别确定出主控制模块到每个从控制模块的最短通信路径，并通过该最短通信路径进行应答完成与每个从控制模块握手通信。

更优选地，所述步骤S20包括：

步骤S201，主控制模块监测是否收到其余从控制模块发来的器件识别请求消息；

步骤S202，每个从控制模块发送器件识别请求消息，该器件识别请求消息的最外层封装有该从控制模块的器件ID；同时，每个从控制模块接收其它从控制模块发来的器件识别请求消息，并将自己的器件ID封装到该器件识别请求消息的最外层，然后发送出去；

步骤S203，在设定时间到达之前，主控制模块收到各个从控制模块发送的器件识别请求消息，对其进行解析，获得每个从控制模块的器件ID、每个从控制模块在不同通信路径上的位置级别；

步骤S204，主控制模块根据每个从控制模块的器件ID及其在不同通信路径上的位置级别，确定出主控模块到每个从控制模块的最短通信路径；并标识出该最短通信路径上每个从控制模块的器件ID及其在该条通信路径上对应的位置级别；

步骤S205，主控制模块通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送应答消息给各个从控制模块。该应答消息封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低；

步骤S206，从控制模块接收到应答消息后，首先剥离出最外层的器件ID，若发现剥离后的应答消息不再有其它器件ID，则认为该应答消息是发给自己的，并将该条通信路径标识为后续通信的最佳通信路径；如果从控制模块剥离出最外层的器件ID后，发现还有其它器件ID，则向剥离后的应答消息的最外层的器件ID对应的从控制模块发送剥离后的应答消息。

更优选地，所述步骤S204中确定从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径的过程，具体包括：

针对每个从控制模块，主控制模块比较该从控制模块在不同通信路径上的位置级别，选择位置级别高的通信路径作为该从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径；

如果发现同一个从控制模块在不同通信路径上的位置级别相同，则从这些不同通信路径上选择其中任意一条通信路径作为该从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径。

更优选地，所述控制模块处于从控制模块模式时，显示灯呈现出一种颜色；所述控制模块处于主控制模式时，显示灯呈现出另一种颜色。

更优选地，根据上述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法所应用的一种具有多控制模块的无人机飞行系统，其包括：

多个控制模块和多个动力模块；控制模块上设置有电源为整个无人机飞行系统提供动力来源；

每个控制模块和每个动力模块均具有多个相同的侧面；控制模块的每个侧面以及动力模块的每个侧面均具有相匹配的插头；动力模块与动力模块之间通过插头拼装在一起；动力模块与控制模块之间通过插头拼接，且拼接后动力模块与控制模块之间的正极连通、负极连通、信号线连通，且控制模块与其最邻近的动力模块之间的每条通信路径上只经过一个动力模块。

更优选地，所述控制模块中配置有用于显示控制模块工作模式的显示灯及用于计时的时间计数器。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

通过本发明能够实现主控制模块与其余从控制模块之间的通信，使得主控制模块与每个从控制模块能够对其分管的舵机动力输出进行控制。

本发明的通信与控制方法适用于不同规模的模块化无人机，以便无人机更广泛的应用于不同的环境中。

附图说明

图1为现有技术中的模块化无人机飞行器的结构示意图；

图2为本发明的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法的实施流程图；

图3为本发明提供的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的实例结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

本发明实施例一提供一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，该方法中的控制模块均具有主从两种模式，并配有显示灯(如RGB三色LED灯)进行工作模式提示。处于从控制模块模式，LED灯显示为绿色；处于主控制模式时，RGB三色LED灯变化为红色。当然本发明并不局限于此，也可以采用其它显示方式或者其它颜色来提示控制模块处于哪一种工作模式。本发明实施例一的实施流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤S10，控制模块一上电后，自动进入从控制模块模式，控制模块主动向各连接通路发送请求连接信息，上电时间达到设定时间(如10秒)后未收到主控制模块的应答信息时，则该控制模块自动进入主控制模块模式，静默等待其它控制模块与之连接通讯；若控制模块收到主控制模块的应答信息，则不再切换模式，一直以从控制模块的模式工作到断电。

步骤S20，此主控制模块监测并接收到其它后续上电的控制模块在自身处于从控制模块模式时发送的器件识别消息，从中识别出各个从控制模块的器件ID及其在通信路径上的位置级别，并依据从控制模块的器件ID及其在各条通信路径上的位置级别最终确定出主控制模块到每个从控制模块的最短通信路径，并通过该最短通信路径进行应答完成与每个从控制模块握手通信。

该步骤S20的具体实施过程通过如下步骤S201～步骤S206所示的流程实现：

步骤S201，主控制模块监测是否收到其余从控制模块发来的器件识别请求消息。

步骤S202，每个从控制模块通过自身和另一个控制模块同时相连的动力模块的通信接口发送器件识别请求消息，该器件识别请求消息的最外层封装有该从控制模块的器件ID(器件ID可以由生产商设定)；同时，每个上电的从控制模块接收其它从控制模块发来的器件识别请求消息，并将自己的器件ID封装到该器件识别请求消息的最外层，然后通过自身和另一个控制模块同时相连的动力模块的通信接口发送出去。以此类推，直至器件识别请求消息到达主控制模块。

这里以无人机飞行控制系统有从控制模块Ⅰ和从控制模块Ⅱ两个从控制模块为例对该步骤S202进行说明：

从控制模块Ⅱ：

从控制模块Ⅱ发送器件识别请求消息，该消息中携带有该从控制模块Ⅱ的器件ID；此时如果处于该从控制模块Ⅱ的上一级的从控制模块Ⅰ未上电，则该从控制模块Ⅱ的器件识别请求消息不会发出去，从控制模块Ⅱ则需要按照设定的时间间隔再次发送该器件识别请求消息。

从控制模块Ⅰ：

从控制模块Ⅰ发送器件识别请求消息，该消息中携带有该从控制模块Ⅰ的器件ID；

同时，该从控制模块Ⅰ也会接收到从控制模块Ⅱ发来的器件识别请求消息，其将该从控制模块Ⅱ发来的器件识别请求消息的最外层封装上自身的器件ID，至此该器件识别请求消息的最外层是从控制模块Ⅰ的器件ID，次外层是从控制模块Ⅱ的器件ID，然后该从控制模块Ⅰ将该器件识别请求消息发出去。

步骤S203，在设定时间到达之前，主控制模块收到各个从控制模块发送的器件识别请求消息，对其进行解析，获得每个从控制模块的器件ID、每个从控制模块在不同通信路径上的位置级别。

假设主控制模块从通信接口A收到从控制模块Ⅰ传过来的两条器件识别请求消息：其中一条消息是从控制模块Ⅰ自身发起的器件识别请求消息，本文将其称作第一条消息；另一条消息是通过从控制模块Ⅰ转发的从控制模块Ⅱ发起的器件识别请求消息，本文将其称作第二条消息。

针对第一条消息，主控制模块解析该条消息后，发现消息的最外层是从控制模块Ⅰ的器件ID，且该消息中仅有这一个器件ID，则该主控制模块就会确认该从控制模块Ⅰ距离自身最近，并标识该从控制模块Ⅰ为第一级从控制模块。

针对第二条消息，主控制模块解析该条消息后，发现消息的最外层是从控制模块Ⅰ的器件ID，而且消息的次外层是从控制模块Ⅱ的器件ID，并且该第二条消息中仅仅有这两个器件ID，于是主控制模块确定在该条通信路径A中从控制模块Ⅰ距离自己最近，从控制模块Ⅱ位于第一级从控制模块的外侧，并标识该从控制模块Ⅰ为第一级从控制模块，标识从控制模块Ⅱ为第二级从控制模块。

假设无人机飞行控制系统还有一个从控制模块Ⅲ，从控制模块Ⅱ自身发起的器件识别请求消息，依次通过从控制模块Ⅲ、从控制模块Ⅰ，最后从通信接口B也到达了主控制模块，则表明从控制模块Ⅱ与主控制模块的通信路径不止一条，此时主控制模块依然按照消息封装的层次关系确定出该从控制模块Ⅱ在该条通信路径B中的位置级别为第三级从控制模块。

步骤S204，主控制模块根据每个从控制模块的器件ID及其在不同通信路径上的位置级别，确定出主控模块到每个从控制模块的最短通信路径；并标识出该最短通信路径上每个从控制模块的器件ID及其在该条通信路径上对应的位置级别。

针对每个从控制模块，主控制模块比较该从控制模块在不同通信路径上的位置级别，选择位置级别高的通信路径作为该从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径，并标识出该最短通信路径上各个从控制模块的器件ID及其在该条通信路径上对应的位置级别。如果从控制模块在不同通信路径上的位置级别相同，则从这不同通信路径上选择其中任意一条通信路径作为该从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径，并标识出该最短通信路径上各个从控制模块的器件ID及其在该条通信路径上对应的位置级别。

假设从控制模块Ⅱ在通信路径A中的位置级别为第二级，从控制模块Ⅱ在该条通信路径B中的位置级别为第三级，则主控制模块最后选择从控制模块Ⅱ为第二级的通信路径A作为从控制模块Ⅱ与主控制模块之间的最短通信路径。

步骤S205，主控制模块通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送应答消息给各个从控制模块。该应答消息封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低。

步骤S206，从控制模块接收到应答消息后，首先剥离出最外层的器件ID，若发现剥离后的应答消息不再有其它器件ID，则认为该应答消息是发给自己的，并将该条通信路径标识为后续通信的最佳通信路径；如果从控制模块剥离出最外层的器件ID后，发现还有其它器件ID，则认为该应答消息是发给其它从控制模块的，于是向剥离后的应答消息的最外层的器件ID对应的从控制模块发送剥离后的应答消息。

经过上述步骤后，主控制模块完成了与各个从控制模块之间的握手通信工作，至此主控制模块会反馈OK信息呈现给用户，表示无人机飞行器可以正常工作。

步骤S30，在无人机飞行过程中，主控制模块根据原始测量数据、遥控数据以及主控制模块与各个从控制模块之间的最短通信路径上各个从控制模块的位置级别进行计算，得到每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数。

在无人机飞行过程中，主控制模块实时获取无人机IMU惯导单元、气压高度计等采集的原始测量数据，并通过电台等方式接收地面控制台传输的遥控数据等；

主控制模块根据原始测量数据、遥控数据以及步骤S10中得到主控制模块与各个从控制模块之间的最短通信路径上各个从控制模块的位置级别进行计算，得到每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数。

步骤S40，主控制模块将步骤S30中得到的每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数封装到数据包中，并通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送。每个数据包封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低。

步骤S50，从控制模块接收到数据包后，首先剥离出最外层的器件ID，若发现剥离后的数据包不再有其它器件ID，则认为该数据包是发给自己的，并利用数据包中的舵机动力输出参数控制舵机的运行；如果从控制模块剥离出最外层的器件ID后，发现还有其它器件ID，则认为该数据包是发给其它从控制模块的，于是向剥离后的数据包的最外层的器件ID对应的从控制模块发送剥离后的数据包。

经过上述步骤后，每个从控制模块则完成了数据包处理以及自身部分舵机的动力输出控制。为了保证系统运行的更加稳定，本发明实施例一还可以包括如下步骤S60：

步骤S60，主控制模块监测每个从控制模块针对自身数据包接收确认的反馈信息，并当获得反馈信息后，才确认完成针对此数据包的发送；否则，在设定时间间隔后再次发送该数据包。

上述实施例一中，当控制模块已经全部处于开启状态后，也可以不经过上述步骤S10～步骤S20的过程。

实施例二：

本发明实施例二还提供一种具有多控制模块的无人机飞行系统，其包括多个控制模块和多个动力模块；控制模块上设置有电源为整个无人机飞行系统提供动力来源。每个控制模块和每个动力模块均具有多个相同的侧面；控制模块的每个侧面以及动力模块的每个侧面均具有相匹配的插头；动力模块与动力模块之间通过插头拼装在一起；动力模块与控制模块之间通过插头拼接，且拼接后动力模块与控制模块之间的正极连通、负极连通、信号线连通，且控制模块与其最邻近的动力模块之间的每条通信路径上只经过一个动力模块。

每个控制模块中配有显示灯(如RGB三色LED灯)以及时间计数器。控制模块上电，则处于从控制模块模式，显示灯显示为绿色；同时时间计数器开始计时。时间计数器计时达到设定时间时，控制模块转入主控制模式，显示灯变化为红色。

如图3所示给出了实施例二的一个具体实例，第一控制模块11与第二控制模块12之间只有一条通信路径，且该条通信路径上仅经过有第一动力模块21；第二控制模块12与第三控制模块13之间有两条通信路径，且其中一条通信路径上经过第二控制模块22，另一条通信路径上经过第三控制模块23。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (8)

1.一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，其特征在于，所述通信控制方法包括：

步骤S30，在无人机飞行过程中，主控制模块根据原始测量数据、遥控数据以及主控模块与各个从控制模块之间的最短通信路径上各个从控制模块的位置级别进行计算，得到每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数；

步骤S40，主控制模块将得到的每个从控制模块应控制的舵机动力输出参数封装到数据包中，并通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送；每个数据包封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低；

步骤S50，从控制模块接收到数据包后，首先剥离出最外层的器件ID，若发现剥离后的数据包不再有其它器件ID，则利用数据包中的舵机动力输出参数控制舵机的运行；如果从控制模块剥离出最外层的器件ID后，发现还有其它器件ID，则向剥离后的数据包的最外层的器件ID对应的从控制模块发送剥离后的数据包。

2.根据权利要求1所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，其特征在于，所述通信控制方法还包括：

步骤S60，主控制模块监测每个从控制模块针对自身数据包接收确认的反馈信息，并当获得反馈信息后，确认完成针对此数据包的发送；否则，在设定时间间隔后再次发送该数据包。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，其特征在于，所述通信控制方法还包括：

步骤S10，每个控制模块一上电后，自动进入从控制模块模式，控制模块主动向各连接通路发送请求连接信息，上电时间达到设定时间后未收到主控制模块的应答信息时，则该控制模块转入主控制模块模式，静默等待其它控制模块与之连接通讯；若控制模块收到主控制模块的应答信息，则以从控制模块的模式工作到断电；

步骤S20，主控制模块监测并接收到其它后续上电的控制模块在自身处于从控制模块模式时发送的器件识别消息，并从中识别出各个从控制模块的器件ID及其在通信路径上的位置级别，并依据从控制模块的器件ID及其在各条通信路径上的位置级别确定出主控制模块到每个从控制模块的最短通信路径，并通过该最短通信路径进行应答完成与每个从控制模块握手通信。

4.根据权利要求3所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，其特征在于，所述步骤S20包括：

步骤S201，主控制模块监测是否收到其余从控制模块发来的器件识别请求消息；

步骤S202，每个从控制模块发送器件识别请求消息，该器件识别请求消息的最外层封装有该从控制模块的器件ID；同时，每个从控制模块接收其它从控制模块发来的器件识别请求消息，并将自己的器件ID封装到该器件识别请求消息的最外层，然后发送出去；

步骤S203，在设定时间到达之前，主控制模块收到各个从控制模块发送的器件识别请求消息，对其进行解析，获得每个从控制模块的器件ID、每个从控制模块在不同通信路径上的位置级别；

步骤S204，主控制模块根据每个从控制模块的器件ID及其在不同通信路径上的位置级别，确定出主控模块到每个从控制模块的最短通信路径；并标识出该最短通信路径上每个从控制模块的器件ID及其在该条通信路径上对应的位置级别；

步骤S205，主控制模块通过到达每个从控制模块的最短通信路径发送应答消息给各个从控制模块。该应答消息封装有该条最短通信路径上所有从控制模块的器件ID，且从外到内器件ID对应的位置级别依次降低；

步骤S206，从控制模块接收到应答消息后，首先剥离出最外层的器件ID，若发现剥离后的应答消息不再有其它器件ID，则认为该应答消息是发给自己的，并将该条通信路径标识为后续通信的最佳通信路径；如果从控制模块剥离出最外层的器件ID后，发现还有其它器件ID，则向剥离后的应答消息的最外层的器件ID对应的从控制模块发送剥离后的应答消息。

5.根据权利要求4所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，其特征在于，所述步骤S204中确定从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径的过程，具体包括：

针对每个从控制模块，主控制模块比较该从控制模块在不同通信路径上的位置级别，选择位置级别高的通信路径作为该从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径；

如果发现同一个从控制模块在不同通信路径上的位置级别相同，则从这些不同通信路径上选择其中任意一条通信路径作为该从控制模块与主控制模块之间的最短通信路径。

6.根据权利要求1所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法，其特征在于，所述控制模块处于从控制模块模式时，显示灯呈现出一种颜色；所述控制模块处于主控制模式时，显示灯呈现出另一种颜色。

7.根据权利要求1至6任意一项的一种具有多控制模块的无人机飞行系统的通信控制方法所应用的一种具有多控制模块的无人机飞行系统，其特征在于，所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统包括：

多个控制模块和多个动力模块；控制模块上设置有电源为整个无人机飞行系统提供动力来源；

每个控制模块和每个动力模块均具有多个相同的侧面；控制模块的每个侧面以及动力模块的每个侧面均具有相匹配的插头；动力模块与动力模块之间通过插头拼装在一起；动力模块与控制模块之间通过插头拼接，且拼接后动力模块与控制模块之间的正极连通、负极连通、信号线连通，且控制模块与其最邻近的动力模块之间的每条通信路径上只经过一个动力模块。

8.根据权利要求7所述的一种具有多控制模块的无人机飞行系统，其特征在于，所述控制模块中配置有用于显示控制模块工作模式的显示灯及用于计时的时间计数器。