CN108052113B - 一种多无人机与多智能车混合编队通信方法 - Google Patents

一种多无人机与多智能车混合编队通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及无线通信、嵌入式技术领域，公开了一种多无人机与多智能车混合编队通信方法，实现本地计算机一对多自主通信。本发明采用的技术方案是：首先，在室内搭建的定位系统下，对多个无人机与多个智能车的相关位置与姿态信息进行信息获取和提取；接着，本地计算机与多个无人机与多个智能车利用2.4GHz无线通信模块nRF24L01进行数据配对传输；最后，多个无人机与多个智能车可利用相应的控制算法对接收的数据进行利用，实现相应的控制策略。本发明主要应用于多混合机器人分布式编队的实物研究，以后可应用到军事侦查、物流仓储等领域。

Description

一种多无人机与多智能车混合编队通信方法
技术领域
本发明专利涉及无线通信、嵌入式技术领域，涉及无线SoC芯片在多个无人机与多个智能车混合编队中的通信方法，尤其涉及一种多无人机与多智能车混合编队通信方法。
背景技术
无人机编队作业相比于单个无人机作业，具有单个无人机无法比拟的优势，单个无人机的性能、载荷量、续航时间以及探测视野等方面会受到一定的限制，而多个无人机编队可以弥补这些缺点。而多个无人机与多个智能车混合编队作业，在实际运行中更是能发挥混合编队作业的优势，可以应用于军事侦查、物流仓储等一系列方面，提高任务执行效率。但如果多个无人机与多个智能车混合编队之间不能实现自主移动与通信，那么就会造成互相碰撞与信息干扰的问题，反而大大降低了任务执行效率，所以研究多个无人机与多个智能车混合编队的通信问题具有重要实际意义。
在多个无人机与多个智能车混合编队的定位问题中，室外的定位导航技术主要以GPS为主，而对于室内的定位技术的研究，大部分还是以光流传感器定位为主。大部分室内定位的要求仅限于无人机定点飞行，在对于位置的确定并没有那么高的要求，因此导致这方面的研究目前存在是偏少的。同时，目前在无线通信领域，比较常用的通信协议有IEEE802.11协议(Wi-Fi)、蓝牙和ZigBee。Wi-Fi功耗高，不利于在有限机载电池容量的无人机与智能车上使用；蓝牙一对一的特点大大增加了组网的难度，不适于混合编队的通信；ZigBee有着较低的传输速率和较短的传输距离，对于大量数据的传输和远程数据的传输表现得不够出色。
发明内容
本发明提出的多个无人机与多个智能车混合编队的通信方法，借助室内定位系统下多点定位数据，通过多个无人机与多个智能车同本地计算机之间的无线通信系统的搭建，实现多个无人机与多个智能车混合编队的协同移动与控制。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种多无人机与多智能车混合编队通信方法，包括以下步骤：
步骤1：在室内搭建定位系统，利用定位系统对多个无人机与多个智能车的位置信息与姿态信息进行信息获取和提取；
步骤2：本地计算机与定位系统进行通信，获取定位系统采集的信息后，利用本地计算机的串口转nRF24L01模块上插接的主机nRF24L01芯片分别对多个无人机的无人机搭载的nRF24L01芯片、多个智能车的智能车搭载的nRF24L01芯片进行数据传输，同时多个无人机与多个智能车分别利用它们搭载的nRF24L01芯片与本地计算机进行配对接收，进行混合编队的任务；
步骤3：无人机搭载的无人机微控制器STM32芯片与智能车搭载的智能车微控制器STM32芯片分别利用控制算法对接收的数据进行利用，实现相应的控制策略，同时，无人机和智能车也分别利用其搭载的nRF24L01芯片将自身搭载的传感器获取到的信息反馈给本地计算机，自主实现一对多的通信。
在室内搭建的定位系统下，对多个无人机与多个智能车的相关位置与姿态信息进行信息获取和提取，包括以下步骤：基于Client/Server模式，利用定位系统自身提供的标准光学跟踪软件搭建Server，实时提取视场中的多个无人机与多个智能车刚体的定位数据并存储，同时接收本地计算机Client发送的请求并处理请求；在本地计算机搭建好的编译环境下运行用于获取定位数据的win32程序，本地计算机通过交换机获取到多个无人机与多个智能车的定位数据；获取到数据后，本地计算机对数据进行解压和筛选，筛选其中有用的数据并利用。
在本地计算机端，使用串口转nRF24L01模块，并依据串口转nRF24L01模块基本通信协议分别对无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片的各参数通过软件的手段写入。
实现本地计算机与多个无人机与多个智能车的一对多通信，要保证发送模式与接收模式的无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片的4个条件设置相同：发射接受数据宽度相同；发射接收地址相同；发射接收频道相同以及发射接收速率相同。
无人机搭载的nRF24L01芯片与无人机微控制器STM32芯片、智能车搭载的nRF24L01芯片与智能车微控制器STM32芯片均通过SPI信号总线相连接，无人机搭载的nRF24L01芯片由无人机微控制器STM32芯片提供时钟信号和片选信号，智能车搭载的nRF24L01芯片由智能车微控制器STM32芯片提供时钟信号和片选信号，无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片接收到本地计算机发送过来的定位信息后，便可通过SPI信号总线分别传送给无人机微控制器STM32芯片和智能车微控制器STM32芯片，无人机微控制器STM32芯片和智能车微控制器STM32芯片，运行相应的控制算法实现多个无人机或多个智能车的位置姿态控制，从而进行混合编队的协同控制。
主机nRF24L01芯片、无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片均为2.4GHz射频的nRF24L01无线通信芯片。
无人机的数量与智能车的数量的总和小于等于6。
定位系统采用OptiTrack，包括：8台周围装有红外发光点阵的摄像机、标准光学跟踪软件、一台交换机、用于建立标定坐标的标准卡尺、标准棒、同步电缆以及分别贴在多个无人机与多个智能车上的标记点，采用被动式红外光学定位技术，通过摄像机周围的红外发光点阵发出红外光，然后照射到分别贴在多个无人机与多个智能车上的标记点上反射，最后摄像机通过采集反射回来的红外光进行标记点标记。
定位系统的使用步骤为：搭建硬件平台、安装注册软件平台、摄像机设定参数与标定、标记多个无人机与多个智能车和建立刚体模型，标记多个无人机与多个智能车时，在无人机或者智能车上至少放置3个标记点。
OptiTrack系统选择Motive:Body来提取视场中无人机与智能车刚体的六自由度数据和运动轨迹数据。
本发明的多无人机与多智能车混合编队通信方法，使用的2.4GHz射频的nRF24L01无线通信芯片相比于目前常用的三种2.4GHz主流通信技术Wi-Fi、蓝牙与ZigBee，具有结构简单、通信稳定、功耗比Wi-Fi低、传输速率比ZigBee快、能够实现蓝牙不能实现的一对多通信的优势，在多个无人机与多个智能车混合编队通信中发挥重要的作用。
附图说明
图1为多个无人机与多个智能车混合编队通信的结构示意图；
图2为定位信息提取程序流程图；
图3为nRF24L01芯片一对多通信示意图；
图4为本发明多个无人机与多个智能车混合编队示意图。
其中，1为串口转nRF24L01模块，2为主机nRF24L01芯片，3为1号从机，4为2号从机，5为3号从机，6为4号从机，7为5号从机，8为6号从机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
图中包括以下部件：串口转nRF24L01模块1、主机nRF24L01芯片2、1号从机3、2号从机4、3号从机5、4号从机6、5号从机7和6号从机8。
如图1所示，一种多无人机与多智能车混合编队通信方法，包括在室内搭建的定位系统下，对多个无人机与多个智能车的相关位置与姿态信息进行信息获取和提取；本地计算机获取到定位系统采集的信息后，利用本地计算机串口转nRF24L01模块上插接的2.4GHz射频nRF24L01无线通信芯片对多个无人机的无人机搭载的nRF24L01芯片、多个智能车的智能车搭载的nRF24L01芯片进行数据传输，同时多个无人机与多个智能车分别利用它们搭载的nRF24L01芯片与本地计算机进行配对接收，实现混合编队的任务；多个无人机与多个智能车可利用相应的控制算法对接收的数据进行利用，实现相应的控制策略。同时，其也通过该nRF24L01芯片将自身其他的传感器获取到的信息反馈给本地计算机，自主实现一对多的通信。
在本实施例中，室内定位系统采用的是OptiTrack。该定位系统由8台周围装有红外发光点阵的Prime13摄像机、Motive标准光学跟踪软件、一台NETGEARProSafeGSM728TPPPoE交换机、用于建立标定坐标的标准卡尺、标准棒、同步电缆以及一套运动捕捉标记点组成。该定位系统采用被动式红外光学定位技术，通过摄像头周围的红外发光点阵发出红外光，然后照射到贴在多个无人机与多个智能车上的标记点上反射，最后摄像机通过采集反射回来的红外光进行标记点标记。OptiTrack系统提供两套标准光学跟踪软件Motive:Tracker以及Motive:Body，由于本发明中涉及的是无人机与智能车这类型的刚体，所以选择Motive:Body来提取视场中无人机与智能车刚体的六自由度数据和运动轨迹数据。
定位系统的使用步骤为：搭建硬件平台，安装注册软件平台，摄像机设定参数与标定，标记多个无人机与多个智能车，建立刚体模型。其中，摄像机设定参数的主要目的是消除干扰点对标定点的影响。标记多个无人机与多个智能车时，要在无人机或者智能车上放置至少3个标记点，在视场中就会以刚体的形式存在，减少识别无人机和智能车特征的工作量，方便了信息提取。
如图2所示，进一步地，基于Client/Server模式，利用定位系统自身提供的标准光学跟踪软件搭建Server，实时提取视场中的多个无人机与多个智能车刚体的定位数据并存储，同时接收本地计算机Client发送的请求并处理请求；在本地计算机搭建好的编译环境下运行用于获取定位数据的win32程序，本地计算机通过交换机获取到多个移动机器人的定位数据；获取到数据后，本地计算机对数据进行解压和筛选，筛选其中有用的数据并利用。
在本实施例中，OptiTrack软件中提供了工具包中最重要的两个文件“NatNetType.h”与“NatNetClient.h”分别定义了数据类型和客户端必要的函数。“NatNetType.h”定义了传输的帧数据，包含了一帧图像数据传输过来的所有信息，有当前的帧数、视场中存在的标记点的数目及坐标信息、刚体数目及位姿信息等。“NatNetClient.h”定义了接收数据的客户端Client类，用以完成客户端的初始化工作，调用初始化函数，连接到Motive标准光学跟踪软件搭建的Server。定位信息的提取程序必须包含这两个头文件。
连接至服务器，是指需要接收到Motive标准光学跟踪软件的数据的同时也能够向它发送请求，由于Motive标准光学跟踪软件和win32程序都是在本地计算机上运行的，所以本发明的中的定位信息提取就是从本地计算机运行的Motive标准光学跟踪软件中获取定位信息，属于本地计算机进程间通信；通信测试，主要用于测试连接是否成功，通常采取的方法是向服务器发送请求，看服务器是否有返回，并且返回的内容是否符合规则。数据的处理与利用，每一次服务器向客户端发送一次数据，程序都会调用连接至服务器时安装的回调函数，进行数据的解压与筛选和数据的转换与编码。解压接收到的打包数据，筛选其中的RigidBody Data数据。对其中无人机的姿态数据需要进行从四元素表示方法到欧拉角表示方法的转换。
如图3所示，进一步地，在本地计算机端，使用串口转nRF24L01模块，并依据该模块基本通信协议对2.4GHz射频的nRF24L01无线通信芯片各参数通过软件的手段写入。多个无人机与多个智能车搭载的nRF24L01芯片与本地计算机进行配对通信，各个配对的从机需设为不同的频道或者不同的地址，以防止通信错误。
进一步地，实现本地计算机与多个无人机与多个智能车的一对多通信，要保证发送模式与接收模式的两个nRF24L01芯片4个条件设置相同：发射接受数据宽度相同；发射接收地址相同；发射接收频道相同以及发射接收速率相同。
在本实施例中，nRF24L01芯片具有1个发送通道和6个接收通道。因此，本发明中设置了4架无人机与2辆智能车进行混合编队。1个主机与6个从机进行配对传输数据时，6个从机分别设置不同的通道地址，以防止数据发送错乱。进行数据通信时，主机与从机的通信地址要保持一致。主机在发送模式下，主机的接收通道0用来接收从机接收端发送过来的响应消息，因此需要将接收通道0设置成与之进行数据传输的从机的通道地址。
对nRF24L01芯片各参数通过软件的手段写入，本实施例中，需要写入的参数有：配置单次传输的有效字节数、模块比特率设为115200、传输速率设为2Mbps、通信地址、通信频率、CRC校验设为16位以及模块信息查询指令。配置成功后，即可进行正常的通信。
如图4所示，进一步地，多个无人机与多个智能车所搭载的2.4GHz射频的nRF24L01无线通信芯片与微控制器STM32芯片通过SPI通信总线相连接，nRF24L01芯片由各自的微控制器STM32芯片提供时钟信号和片选信号。在nRF24L01芯片接收到本地计算机发送过来的定位信息后，便可通过SPI通信总线传送给微控制器STM32芯片，微控制器STM32芯片运行相应的控制算法实现各无人机或智能车的控制，从而实现混合编队的协同控制。
在本实施例中，SPI通信总线作为高速、全双工、同步的通信总线，采用主从（Master Slave）模式架构，微控制器STM32作为Master，nRF24L01芯片作为Slave。Master利用设备选择线（CS）控制设备片选信号，可以保证多从机模式。Master利用时钟线（SCLK）产生时钟信号，以保持时钟的同步，便于消息的采样提取和发送。Master与Slave之间的数据传输分别依赖串行数据输出线（MOSI）和串行数据输入线（MISO）来进行。在使用中，还需要配置时钟极性与时钟相位，在STM32里配置SPI接口的时钟时，一定要根据nRF24L01芯片的时钟要求配置，这样能保证主从设备的一致性，保证通信工作顺利进行。

Claims (7)

1.一种多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在室内搭建定位系统，利用定位系统对多个无人机与多个智能车的位置信息与姿态信息进行信息获取和提取；
步骤2：本地计算机与定位系统进行通信，获取定位系统采集的信息后，利用本地计算机的串口转nRF24L01模块上插接的主机nRF24L01芯片分别对多个无人机的无人机搭载的nRF24L01芯片、多个智能车的智能车搭载的nRF24L01芯片进行数据传输，同时多个无人机与多个智能车分别利用它们搭载的nRF24L01芯片与本地计算机进行配对接收，进行混合编队的任务；
步骤3：无人机搭载的无人机微控制器STM32芯片与智能车搭载的智能车微控制器STM32芯片分别利用控制算法对接收的数据进行利用，实现相应的控制策略，同时，无人机和智能车也分别利用其搭载的nRF24L01芯片将自身搭载的传感器获取到的信息反馈给本地计算机，自主实现一对多的通信；
在室内搭建的定位系统下，对多个无人机与多个智能车的相关位置与姿态信息进行信息获取和提取，包括以下步骤：基于Client/Server模式，利用定位系统自身提供的标准光学跟踪软件搭建Server，实时提取视场中的多个无人机与多个智能车刚体的定位数据并存储，同时接收本地计算机Client发送的请求并处理请求；在本地计算机搭建好的编译环境下运行用于获取定位数据的win32程序，本地计算机通过交换机获取到多个无人机与多个智能车的定位数据；获取到数据后，本地计算机对数据进行解压和筛选，筛选其中有用的数据并利用；
在本地计算机端，使用串口转nRF24L01模块，并依据串口转nRF24L01模块基本通信协议分别对无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片的各参数通过软件的手段写入；
定位系统采用OptiTrack，包括：8台周围装有红外发光点阵的摄像机、标准光学跟踪软件、一台交换机、用于建立标定坐标的标准卡尺、标准棒、同步电缆以及分别贴在多个无人机与多个智能车上的标记点，采用被动式红外光学定位技术，通过摄像机周围的红外发光点阵发出红外光，然后照射到分别贴在多个无人机与多个智能车上的标记点上反射，最后摄像机通过 采集反射回来的红外光进行标记点标记。
2.根据权利要求1所述的多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：实现本地计算机与多个无人机与多个智能车的一对多通信，要保证发送模式与接收模式的无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片的4个条件设置相同：发射接受数据宽度相同；发射接收地址相同；发射接收频道相同以及发射接收速率相同。
3.根据权利要求1所述的多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：无人机搭载的nRF24L01芯片与无人机微控制器STM32芯片、智能车搭载的nRF24L01芯片与智能车微控制器STM32芯片均通过SPI信号总线相连接，无人机搭载的nRF24L01芯片由无人机微控制器STM32芯片提供时钟信号和片选信号，智能车搭载的nRF24L01芯片由智能车微控制器STM32芯片提供时钟信号和片选信号，无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片接收到本地计算机发送过来的定位信息后，便可通过SPI信号总线分别传送给无人机微控制器STM32芯片和智能车微控制器STM32芯片，无人机微控制器STM32芯片和智能车微控制器STM32芯片，运行相应的控制算法实现多个无人机或多个智能车的位置姿态控制，从而进行混合编队的协同控制。
4.根据权利要求1所述的多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：主机nRF24L01芯片、无人机搭载的nRF24L01芯片和智能车搭载的nRF24L01芯片均为2.4GHz射频的nRF24L01无线通信芯片。
5.根据权利要求1所述的多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：无人机的数量与智能车的数量的总和小于等于6。
6.根据权利要求1所述的多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：定位系统的使用步骤为：搭建硬件平台、安装注册软件平台、摄像机设定参数与标定、标记多个无人机与多个智能车和建立刚体模型，标记多个无人机与多个智能车时，在无人机或者智能车上至少放置3个标记点。
7.根据权利要求1所述的多无人机与多智能车混合编队通信方法，其特征在于：OptiTrack系统选择Motive:Body来提取视场中无人机与智能车刚体的六自由度数据和运动轨迹数据。
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