CN108206715B - 一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，属于无人飞行器编队控制技术领域，包括地面站计算机、无线数传地面终端和无线数传机载终端，无线数传机载终端安装在无人飞行器上，并与无人飞行器的机载计算机的串口相连，无线数传地面终端与无线数传机载终端之间构成一对一的通信链路，无线数传地面终端通过串口电平转换模块与以太网串口服务器相连，以太网串口服务器和地面站计算机分别通过网线与以太网交换机相连，组成以太网局域网络。本发明选用无线数传、串口服务器、以太网交换机等成熟的硬件搭建，为无人飞行器编队作业控制系统提供了一个工作可靠、性能强大、成本可控的数据链解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人飞行器编队飞行控制数据链，特别是涉及一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，属于无人飞行器编队控制技术领域。
背景技术
近年来，伴随着一股小型民用航空器的热潮，小型无人飞行器被广泛用于航拍、测绘、农业作业、武警消防、医疗救助等领域。这些无人飞行器的应用广泛使用地面站系统，通过无线数传与无人飞行器机载控制计算机进行通信，实现对无人飞行器的控制和监控。与单机作业相比，无人机编队作业的应用还处于探索阶段，多见于表演性质的技术展示，原因在于没有成熟可靠的数据链解决方案。现有的无线数传多采用串口与地面计算机进行通信，限于无线通信的带宽、串口的通讯速率以及计算机有限的串口资源，即便是用一对多的无线数传实现地面计算机与多架无人飞行器通讯，其带宽也无法满足要求。
在单机作业中，通讯链路的延时不会对无人飞行器的作业造成严重影响，而在编队作业中，过大的网络延时会直接造成编队混乱，甚至发生相互碰撞事故，因此，通讯延时短、带宽充足的数据链解决方案是开展无人机飞行器编队作业的核心技术之一。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，利用现有技术，基于以太网设计了一个成本可控、硬件可靠、带宽充足的编队飞行控制系统的数据链解决方案。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，包括地面站计算机、无线数传地面终端和无线数传机载终端，所述无线数传机载终端安装在无人飞行器上，并与无人飞行器的机载计算机的串口相连，进行数据的收发，所述无线数传地面终端与所述无线数传机载终端之间构成一对一的通信链路，用于保证所述无线数传地面终端与所述无线数传机载终端之间通信的实时性，所述无线数传地面终端通过串口电平转换模块与以太网串口服务器相连，将带宽较小的无线数传通信，转化为带宽较大的以太网通信，所述以太网串口服务器和所述地面站计算机分别通过网线与以太网交换机相连，组成以太网局域网络，所述地面站计算机通过以太网向无人飞行器发送控制指令和接收飞行数据。
进一步的，所述地面站计算机与所述以太网交换机之间具有1000M的带宽，用于保证数据链路的实时性。
进一步的，所述以太网串口服务器、所述地面站计算机和所述以太网交换机之间组成以太网局域网络，用于保证编队飞行地面站控制的扩展性。
进一步的，所述地面站计算机具有包括USB 2.0、USB 3.0和PCIe插槽在内的多种I/O和扩展接口，同时工作温度范围达到0～60℃。
进一步的，所述以太网交换机包括配置单元和检测单元；所述的配置单元，用于预先设置配置修改条件，所述的配置修改条件为以太网交换机的端口PHY状态、配置功能项、配置选项的对应关系；所述的检测单元，用于检测以太网交换机的端口PHY状态，并判断检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件，如果是，则修改所述配置修改条件中配置功能项的配置为所述配置修改条件中的配置选项。
进一步的，所述检测单元包括检测子单元、判断单元和执行单元；所述的检测子单元，用于每隔检测一次自身端口PHY状态，并将检测结果通知判断单元；所述的判断单元，用于判断检测子单元检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件，如果是，则通知执行单元修改所述配置修改条件中的配置功能项的配置；所述的执行单元，用于接收到判断单元的通知后，将所述配置修改条件中配置功能项的配置修改为所述配置修改条件中的配置选项。
进一步的，所述以太网串口服务器包括DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的信号输入输出端分别与多个所述以太网串口服务器和多个所述串口电平转换模块相连，DSP数字信号处理器采用I 2C总线协议与用于存储网络参数信息、串口通信参数信息的参数存储器通信。
进一步的，所述的DSP数字信号处理器采用TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片的A0～A15引脚分别接多个所述以太网串口服务器和多个所述串口电平转换模块，TMS320F2812芯片采用SPI总线协议与FLASH存储器通信，TMS320F2812芯片采用I 2C总线协议与参数存储器通信。
进一步的，所述串口电平转换模块把标准RS-232电平从正负15V转换成所述以太网串口服务器和所述无线数传地面终端可以接收的0-10V。
进一步的，所述无线数传地面终端和所述无线数传机载终端均为DTU(T10)数传终端，均采用工业级32位通信处理器和工业级无线模块，支持TCP server功能，同时支持至少4个TCP连接，支持多种协议TCP、UTP、DDNS、PPP、DHCP。
本发明的有益技术效果：按照本发明的基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，本发明提供的基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，使用无线数传实现地面站与无人飞行器机载控制计算机进行通信，其中，无线数传机载终端安装在无人飞行器上，与机载计算机的串口相连进行数据的收发，无线数传地面终端通过串口电平转换模块后与以太网串口服务器相连，将带宽较小的无线数传通信，转化为带宽较大的以太网通信，无线数传的地面终端与机载终端之间构成一对一的通信链路，保证了通信的实时性，串口服务器及地面站计算机通过网线与以太网交换机相连，组成以太网局域网络，地面站计算机通过以太网向无人飞行器发送控制指令和接收飞行数据，高达1000M的带宽保证了数据链路的实时性，以太网的组网能力，保证了编队飞行地面站控制系统的扩展性，支持从几架到上千架的无人飞行器同时编队作业，本系统选用无线数传、串口服务器、以太网交换机等成熟的硬件搭建，为无人飞行器编队作业控制系统提供了一个工作可靠、性能强大、成本可控的数据链解决方案。
附图说明
图1为按照本发明的基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统的一优选实施例的整体结构示意图。
图中：1-地面站计算机，2-以太网交换机，3-以太网串口服务器，4-串口电平转换模块，5-无线数传地面终端，6-无线数传机载终端。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，包括地面站计算机1、无线数传地面终端5和无线数传机载终端6，其特征在于，所述无线数传机载终端6安装在无人飞行器上，并与无人飞行器的机载计算机的串口相连，进行数据的收发，所述无线数传地面终端5与所述无线数传机载终端6之间构成一对一的通信链路，用于保证所述无线数传地面终端5与所述无线数传机载终端6之间通信的实时性，所述无线数传地面终端5通过串口电平转换模块4与以太网串口服务器3相连，将带宽较小的无线数传通信，转化为带宽较大的以太网通信，所述以太网串口服务器3和所述地面站计算机1分别通过网线与以太网交换机2相连，组成以太网局域网络，所述地面站计算机1通过以太网向无人飞行器发送控制指令和接收飞行数据。
进一步的，在本实施例中，所述地面站计算机1与所述以太网交换机2之间具有1000M的带宽，用于保证数据链路的实时性，所述以太网串口服务器3、所述地面站计算机1和所述以太网交换机2之间组成以太网局域网络，用于保证编队飞行地面站控制的扩展性，所述地面站计算机1具有包括USB 2.0、USB 3.0和PCIe插槽在内的多种I/O和扩展接口，同时工作温度范围达到0～60℃。
进一步的，在本实施例中，所述地面站计算机1采用COM-SKHB6搭载英特尔酷睿处理器和英特尔100系列芯片组，支持最高32GB内存，配备了包括USB 3.0和PCIe(x16)插槽在内的多种I/O和扩展接口，同时工作温度范围达到0～60℃，能够为任何类型的工业或嵌入式计算机应用提供全面的支持。
COM-SKHB6(I7-6822EQ)功能特点：
英特尔酷睿i3/i5/i7处理器搭载PCH QM170/CM236；
DDR4SODIMM x 2,最大支持32GB,SKU支持ECC；
千兆以太网x 1；
18/24位双通道LVDS LCD/eDP,DDI x 2(最大支持3),VGA,High SATA x 4；
高清晰音频接口；
USB2.0x 8,USB3.0x 4,GPIO 8位,PCI-Express〔x1〕x 8,PCIe〔x16〕x 1；
COM Express Type 6Basic Size 125mm x 95mm。
进一步的，在本实施例中，所述以太网交换机2包括配置单元和检测单元；所述的配置单元，用于预先设置配置修改条件，所述的配置修改条件为以太网交换机的端口PHY状态、配置功能项、配置选项的对应关系；所述的检测单元，用于检测以太网交换机的端口PHY状态，并判断检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件，如果是，则修改所述配置修改条件中配置功能项的配置为所述配置修改条件中的配置选项。
进一步的，在本实施例中，所述检测单元包括检测子单元、判断单元和执行单元；所述的检测子单元，用于每隔检测一次自身端口PHY状态，并将检测结果通知判断单元；所述的判断单元，用于判断检测子单元检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件，如果是，则通知执行单元修改所述配置修改条件中的配置功能项的配置；所述的执行单元，用于接收到判断单元的通知后，将所述配置修改条件中配置功能项的配置修改为所述配置修改条件中的配置选项。
进一步的，在本实施例中，所述的判断单元判断检测子单元检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件时，用于：根据检测到的端口PHY状态查找所述预设的配置修改条件，如果查找到其中一个配置修改条件对应的端口PHY状态与检测到的端口PHY状态相同，则检测到的端口PHY状态满足配置修改条件。
进一步的，在本实施例中，所述的配置单元还预先配置了配置开关、配置开关开启与端口PHY状态的对应关系、配置开关关闭与端口PHY状态的对应关系；所述的判断单元，进一步用于判断检测子单元检测到的端口PHY状态是否与配置开关开启或配置开关关闭对应的端口PHY状态相同，如果与配置开关开启对应的端口PHY状态相同，则通知执行单元开启配置开关；如果与配置开关关闭对应的端口PHY状态相同，则通知执行单元关闭配置开关；所述的执行单元，进一步用于接收到判断单元的开启配置开关的通知时，将配置开关设置为开启状态，接收到判断单元的关闭配置开关的通知时，将配置开关设置为关闭状态。
进一步的，在本实施例中，所述的判断单元通知执行单元修改所述配置修改条件中的配置功能项的配置之前进一步用于：判断配置开关是否开启，如果否，则不通知执行单元。
进一步的，在本实施例中，所述的配置单元还预先设置了配置生效方式，所述的配置生效方式包括立即生效方式和重启后生效方式；预先设置以太网交换机的端口PHY状态与立即生效方式的对应关系、以太网交换机的端口PHY状态与重启后生效方式的对应关系；所述的判断单元，进一步用于判断检测子单元检测到的端口PHY状态是否与立即生效方式或重启后生效方式对应的端口PHY状态相同，如果与立即生效方式对应的端口PHY状态相同，则通知执行单元将配置生效方式修改为立即生效；如果与重启后生效方式对应的端口PHY状态相同，则通知执行单元将配置生效方式设置为重启后生效；所述的执行单元，用于接收到判断单元的将配置生效方式修改为立即生效方式的通知后，将配置生效方式修改为立即生效；接收到判断单元的将配置生效方式修改为重启后生效方式的通知后，将配置生效方式修改为下电重启后效。
进一步的，在本实施例中，所述的配置单元预先设置配置生效方式为立即生效；所述的以太网交换机为无网管型交换机；所述的执行单元将所述配置修改条件中配置功能项的配置修改为所述配置修改条件中的配置选项时，用于：修改所述配置修改条件中配置功能项对应的MAC寄存器的值为所述配置修改条件中配置选项对应的值；或者，所述的以太网交换机为网管型交换机；所述的执行单元将所述修改所述配置修改条件中配置功能项的配置修改为所述配置修改条件中的配置选项时，用于：修改所述配置修改条件中配置功能项对应的网管系统中配置参数的值为所述配置修改条件中配置选项对应的值。
进一步的，在本实施例中，所述的配置单元预先设置配置生效方式为重启后生效；所述执行单元将所述配置修改条件中配置功能项的配置修改为所述配置修改条件中的配置选项时，用于：将所述配置修改条件的配置功能项对应的以太网交换机的存储器空间内保存的配置文件中MAC寄存器的值修改为所述配置修改条件中配置选项对应的值；所述执行单元将配置开关设置为开启状态时，用于：将以太网交换机的存储器空间内保存的配置文件中所述配置开关对应的值修改为所述配置开关开启对应的值；所述执行单元将配置开关设置为关闭状态时，用于：将以太网交换机的存储器空间内保存的配置文件中所述配置开关对应的值修改为所述配置开关关闭对应的值。
进一步的，在本实施例中，所述以太网串口服务器3包括DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的信号输入输出端分别与多个所述以太网串口服务器3和多个所述串口电平转换模块4相连，DSP数字信号处理器采用I 2C总线协议与用于存储网络参数信息、串口通信参数信息的参数存储器通信，所述的DSP数字信号处理器采用TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片的A0～A15引脚分别接多个所述以太网串口服务器3和多个所述串口电平转换模块4，TMS320F2812芯片采用SPI总线协议与FLASH存储器通信，TMS320F2812芯片采用I 2C总线协议与参数存储器通信。
进一步的，在本实施例中，所述以太网串口服务器3包括DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的信号输入输出端还分别与多个以太网控制模块和多个异步串行通信接口模块相连，DSP数字信号处理器通过以太网控制模块与多个远程主站通讯，DSP数字信号处理器通过异步串行通信接口模块与外部数据采集终端通讯，DSP数字信号处理器采用I2C总线协议与用于存储网络参数信息、串口通信参数信息的参数存储器通信。
进一步的，在本实施例中，所述的DSP数字信号处理器采用TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片的A0～A15引脚分别接多个以太网控制模块和多个异步串行通信接口模块，所述的以太网控制模块采用W5100芯片，所述的异步串行通信接口模块采用TL16C752B芯片，TMS320F2812芯片的GPIO引脚分别接LCD液晶显示屏、收发数据指示模块和用于实时显示所有串口的配置信息及网络IP、端口号的参数信息的参数信息显示模块，TMS320F2812芯片外接电源管理模块、有源晶振模块和看门狗模块，TMS320F2812芯片采用SPI总线协议与FLASH存储器通信，TMS320F2812芯片采用I 2C总线协议与参数存储器通信。
进一步的，在本实施例中，所述的收发数据指示模块由一组红色发光二极管和一组绿色发光二极管组成；所述的以太网控制模块通过网卡接口RJ45接入以太网，并与多个远程主站通信，所述的异步串行通信接口模块通过RS232接口或RS485接口与外部数据采集终端相连，所述的以太网控制模块、异步串行通信接口模块的个数均为5～10个。
进一步的，在本实施例中，所述串口电平转换模块4把标准RS-232电平从正负15V转换成所述以太网串口服务器3和所述无线数传地面终端5可以接收的0-10V。
进一步的，在本实施例中，所述无线数传地面终端5和所述无线数传机载终端6均为DTU(T10)数传终端，均采用工业级32位通信处理器和工业级无线模块，支持TCP server功能，同时支持至少4个TCP连接，支持多种协议TCP、UTP、DDNS、PPP、DHCP。
进一步的，在本实施例中，DTU(T10)数传终端覆盖全网通、4G、3G、2.5G等全线网络，采用多级休眠和唤醒模式，工作功耗、待机功耗、休眠功耗(休眠功耗<5mA)远低业界同类产品。
进一步的，在本实施例中，DTU(T10)数传终端的物理参数：
标准电源：DC 12V/1A；
工作温度：-25℃～+65℃(-13～+149°F)；
供电范围：DC+5V～36V；
扩展工作温度：-30～+75℃(-22～+167°F)；
通信电流：<150mA(12V)；
储存温度：-40～+85℃(-40～+185°F)；
外形尺寸：(长*宽*高)95x58.5x22mm(不包括天线和安装件)；
外壳：金属外壳，保护等级IP30.外壳和系统安全隔离。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，本实施例提供的基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，使用无线数传实现地面站与无人飞行器机载控制计算机进行通信，其中，无线数传机载终端安装在无人飞行器上，与机载计算机的串口相连进行数据的收发，无线数传地面终端通过串口电平转换模块后与以太网串口服务器相连，将带宽较小的无线数传通信，转化为带宽较大的以太网通信，无线数传的地面终端与机载终端之间构成一对一的通信链路，保证了通信的实时性，串口服务器及地面站计算机通过网线与以太网交换机相连，组成以太网局域网络，地面站计算机通过以太网向无人飞行器发送控制指令和接收飞行数据，高达1000M的带宽保证了数据链路的实时性，以太网的组网能力，保证了编队飞行地面站控制系统的扩展性，支持从几架到上千架的无人飞行器同时编队作业，本系统选用无线数传、串口服务器、以太网交换机等成熟的硬件搭建，为无人飞行器编队作业控制系统提供了一个工作可靠、性能强大、成本可控的数据链解决方案。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，包括地面站计算机(1)、无线数传地面终端(5)和无线数传机载终端(6)，其特征在于，所述无线数传机载终端(6)安装在无人飞行器上，并与无人飞行器的机载计算机的串口相连，进行数据的收发，所述无线数传地面终端(5)与所述无线数传机载终端(6)之间构成一对一的通信链路，用于保证所述无线数传地面终端(5)与所述无线数传机载终端(6)之间通信的实时性，所述无线数传地面终端(5)通过串口电平转换模块(4)与以太网串口服务器(3)相连，将带宽较小的无线数传通信，转化为带宽较大的以太网通信，所述以太网串口服务器(3)和所述地面站计算机(1)分别通过网线与以太网交换机(2)相连，组成以太网局域网络，所述地面站计算机(1)通过以太网向无人飞行器发送控制指令和接收飞行数据，所述以太网交换机(2)包括配置单元和检测单元；所述的配置单元，用于预先设置配置修改条件，所述的配置修改条件为以太网交换机的端口PHY状态、配置功能项、配置选项的对应关系；所述的检测单元，用于检测以太网交换机的端口PHY状态，并判断检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件，如果是，则修改所述配置修改条件中配置功能项的配置为所述配置修改条件中的配置选项，所述检测单元包括检测子单元、判断单元和执行单元；所述的检测子单元，用于每隔检测一次自身端口PHY状态，并将检测结果通知判断单元；所述的判断单元，用于判断检测子单元检测到的端口PHY状态是否满足配置单元预先设置的配置修改条件，如果是，则通知执行单元修改所述配置修改条件中的配置功能项的配置；所述的执行单元，用于接收到判断单元的通知后，将所述配置修改条件中配置功能项的配置修改为所述配置修改条件中的配置选项，所述以太网串口服务器(3)包括DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的信号输入输出端分别与多个所述以太网串口服务器(3)和多个所述串口电平转换模块(4)相连，DSP数字信号处理器采用I2C总线协议与用于存储网络参数信息、串口通信参数信息的参数存储器通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，其特征在于，所述地面站计算机(1)与所述以太网交换机(2)之间具有1000M的带宽，用于保证数据链路的实时性。
3.根据权利要求1所述的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，其特征在于，所述以太网串口服务器(3)、所述地面站计算机(1)和所述以太网交换机(2)之间组成以太网局域网络，用于保证编队飞行地面站控制的扩展性。
4.根据权利要求1所述的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，其特征在于，所述地面站计算机(1)具有包括USB2.0、USB3.0和PCIe插槽在内的多种I/O和扩展接口，同时工作温度范围达到0～60℃。
5.根据权利要求1所述的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，其特征在于，所述的DSP数字信号处理器采用TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片的A0～A15引脚分别接多个所述以太网串口服务器(3)和多个所述串口电平转换模块(4)，TMS320F2812芯片采用SPI总线协议与FLASH存储器通信，TMS320F2812芯片采用I2C总线协议与参数存储器通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，其特征在于，所述串口电平转换模块(4)把标准RS-232电平从正负15V转换成所述以太网串口服务器(3)和所述无线数传地面终端(5)可以接收的0-10V。
7.根据权利要求1所述的一种基于以太网的无人飞行器编队飞行控制数据链系统，其特征在于，所述无线数传地面终端(5)和所述无线数传机载终端(6)均为T10系列的DTU数传终端，均采用工业级32位通信处理器和工业级无线模块，支持TCP server功能，同时支持至少4个TCP连接，支持多种协议TCP、UTP、DDNS、PPP、DHCP。
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