CN110601745B - 一种通信/测距双系统的无人机通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信/测距双系统的无人机通信方法，属于物联网无线通信技术领域。该方法使用双通信系统，同时进行数据通信和距离测量，测距方时刻监听通信质量，在通信方出现失控迹象时及时顶替。结合距离测量值、RSSI值、误帧率自适应选择LoRa、FLRC和GFSK三种调制方式，在保证误帧率低于目标值的情况下最大化传输速率。使用随机的信道选择算法进行跳频，跳频图案均匀分布于2.4G ISM频段内，有效提高抗干扰性能。本发明在通信的基础上增加距离测量功能，为地面站提供了可靠的距离参考信息，也为失控情况提供备用通信方案，为无人机的安全飞行增添可靠保障，同时运用自适应多制式选择算法和随机信道选择算法显著提高系统的有效性和可靠性。

Description

一种通信/测距双系统的无人机通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信/测距双系统的无人机通信方法，辅以自适应多制式选择算法和随机信道选择算法，提高系统的传输速率和抗干扰性能，属于物联网无线通信技术领域。

背景技术

近几年，小型无人机依靠其体量小、机动性强、部署快捷等特点在众多领域得到应用。灵活可靠的通信系统作为无人机系统的重要组成部分，得到越来越多研究学者的关注。在无人机独特的空对地传播信道模型下，实现无人机驾驶员或地面站与空中无人机平台的实时通信并且完成稳定的数据交互与安全控制是一大挑战。

面对物流配送、农林作业、巡检安防、地理勘探等多样化民用场景，现阶段ISM2.4GHz频段的WiFi、ZigBee和蓝牙等无线传输技术无法满足300米到2000米的覆盖范围要求，无法有效抵抗移动速度高达160km/h的无人机引起的多普勒效应，且极易受同频段信号的干扰。LoRa作为一种扩频通信技术，具有远距离、低功耗、高鲁棒性等特点，是扩大传输距离的有效手段，也是有利于延长无人机空中续航能力的选择，并且非常适合应用于快速变化的无人机通信场景。

无人机安全飞行是任何使用场景下都要遵循的原则，安全二字除了对操控人员的专业素养提出较高要求，也是要求遥控技术精益求精，快速且稳健的数据传输性能是关键。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种通信/测距双系统的无人机通信方法，辅以自适应多制式选择算法和随机信道选择算法，为无人机通信链路双保障的同时最大化系统的传输速率和提高抗干扰性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种通信/测距双系统的无人机通信方法，该方法中地面站和无人机所搭载的通信模块均包含两个微控制器和两个射频芯片，一个微控制器和一个射频芯片组成数传节点，另一个微控制器和另一个射频芯片组成测距节点；所述方法包括以下步骤：

(1)两个节点上电初始化后，读取EEPROM存储值，若存储模式为数传模式则该节点为数传节点，负责数据传输，若存储模式为测距模式则该节点为测距节点，负责测量地面站与无人机之间的距离；所述测距节点在数传节点的通信质量出现问题时自动切换成数传模式顶替数传节点；

(2)数传节点首先生成配对设备遵循的相同的由所有可用的信道组成的跳频图案，跳频图案均匀分布在整个频段内，然后主从设备开始定时跳频，从而在跳频时保持同步；依照跳频图案选择频点后，结合距离、RSSI、误帧率三者对调制方式做出选择，当信道条件较差时选择LoRa调制，当信道条件有所改善时选择FLRC调制，当信道条件较好时选择GFSK调制的目标；频点、调制方式选择好之后，进行数据的发送和接收；

(3)测距节点执行测距协议并监听通信质量，在测距协议中，通过采用每隔设定时间发送接收一次数据包来测量频偏的方法纠正时钟偏移量，用来对结果进行校正；当积累一定数量的原始测量数据后进行过滤和校正，最终得到一个测距结果；然后测距节点会通过串口将结果传输给数传节点；在执行测距协议的同时测距节点通过串口获取数传节点通信情况，监听通信质量，当数传节点通信异常时，测距节点的地面站端通过数据包通知测距节点的无人机端接下来进入数传模式。

作为优选，步骤(2)中，LoRa、FLRC、GFSK三种调制方式的最大数据传输速率递增，最远传输距离递减，通过实验采集接受信号强度数据，分别设定从LoRa调制切换到FLRC调制的接收信号强度阈值，记为L2F；从FLRC调制切换到GFSK调制的接收信号强度阈值F2G；从GFSK调制切换到FLRC调制的接收信号强度阈值G2F；从FLRC调制切换到LoRa调制的接收信号强度阈值F2L。

作为优选，步骤(2)中，三种调制方式切换的规则为：

LoRa模式下，若接收信号强度上升，达到阈值L2F，并且距离测量结果小于五百米，每秒统计的误帧率小于千分之八，则地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至FLRC模式；

FLRC模式下，若接收信号强度上升，达到阈值F2G，并且距离小于五十米，每秒统计的误帧率小于千分之八，则地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至GFSK调制；若接收信号强度下降，达到阈值F2L，或者距离大于五十米且小于五百米，或者每秒统计的误帧率大于千分之八，地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至LoRa调制；

GFSK模式下，若接收信号强度下降，达到阈值G2F，或者距离大于五十米，或者每秒统计的误帧率大于千分之八，地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至LoRa调制。

作为优选，数据传输和距离测量均采用随机信道选择算法进行跳频，上下行传输的帧结构中含有唯一ID标识，配对主机从机不会处理其他ID信号，并且使用均匀性、随机性的随机跳频序列降低同频概率从而减少同频干扰；跳频过程如下：将ID的高八位、ID的低八位进行异或作为产生伪随机序列的种子；使用梅森旋转算法生成37个以160为模的伪随机数组成跳频序列；主从双方均维护一个跳频计数器，使得每次在同一个频点收发数据。

作为优选，步骤(3)中，距离测量基于飞行时差TOF技术，采用每隔200ms测量一次频偏的方法校正TOF技术受时钟偏移量的影响。

作为优选，步骤(3)中，对原始测距数据进行过滤和校正获得最终测距结果的方法为：

缓存若干测距结果；收集当前测距的原始测量数据，包括从射频芯片获取接收信号强度和距离测量值；

根据设定的数据过滤窗口大小，确定窗口内测距数据包的接收信号强度最大值，并剔除接收信号强度与最大值相差大于设定偏移值的测距数据包；

对余下的数据包对应的距离测量值进行频偏校正，减去频偏带来的误差，并计算校正后的测量值的平均值；当平均值小于20米时，使用接收信号强度与距离之间的衰减模型计算出最终距离，否则直接以平均值作为最终距离；

由缓存的测距结果以及测量时间间隔计算得到平均速度并估计当前测量时刻的距离，当计算出的最终距离与估计值相差大于设定阈值时，判定为测距失败，否则输出测距结果。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：使用本发明所描述的通信/测距双系统，辅以自适应多制式选择算法和随机信道选择算法，能够为地面站和无人机之间的数据通信链路提供双重保障，根据通信环境切换调制方式，在保障可靠性的同时最大化数据传输速率，随机信道选择算法的应用使系统在拥挤的2.4G ISM频段中具有较强的抗干扰能力并充分利用频谱资源。

附图说明

图1为本发明实施例的系统模型框图；

图2为本发明实施例的流程示意总图；

图3为本发明实施例中自适应多制式选择算法流程示意图；

图4为本发明实施例中测距协议流程图；其中(a)为地面站端流程，(b)为无人机端流程。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例公开的一种通信/测距双系统的无人机通信方法中，通信/测距双系统模型中地面站和无人机所搭载的通信模块均包含两个微控制器和两个射频芯片组成的数传节点和测距节点，具体要求如下：地面站端通信模块设有两个微控制器和两个射频芯片，射频芯片可采用semtch公司的SX1280芯片，一个微控制器和一个射频芯片组成数传节点，另一个微控制器和另一个射频芯片组成测距节点，两个微控制器分别通过SPI同步串行接口控制两个射频芯片，无人机端通信模块配有相同的硬件框架，与地面端通信模块一一对应。数传节点负责主要数据传输，测距节点负责测量地面站与无人机之间的距离，当监测到数传节点的通信质量出现问题时，测距节点自动切换成通信模式，建立稳健的通信链路后顶替数传节点。

如图2所示，本发明实施例的无人机通信方法，具体包括：

两个微控制器在上电初始化时读取EEPROM的内容，根据EEPROM的存储值初始化射频芯片的工作模式。若存储模式为数传模式则该节点为数传节点，负责数据传输，若存储模式为测距模式则该节点为测距节点，负责测量地面站与无人机之间的距离。测距节点通过UART串口信息实时监控听通信节点的通信质量。通信节点通过UART串口信息获取距离结果。测距节点监听通信质量时，出现串口信号接收超时或连续40次丢帧标志位被置位的情况会引发测距节点优先级最高的中断，相应的中断服务函数中将射频芯片切换成通信模式，建立稳健的通信链路后负责数据透传。具体地，数据传输模式下，首先生成配对设备遵循的相同的由所有可用的信道组成的跳频图案，跳频图案均匀分布在整个频段内，然后主从设备开始定时跳频，从而在跳频时保持同步。这样做可以避免碰撞，使更多的设备能够在近距离运行，并且，充分利用频谱资源。依照跳频图案选择频点后，结合距离、RSSI、误帧率三者对调制方式做出选择，达到当信道条件较差时选择LoRa调制，当信道条件有所改善时选择FLRC调制，当信道条件较好时选择GFSK调制的目标。频点、调制方式选择好之后，进行数据的发送和接收。地面站端的微控制器通过串口传输通信情况，当出现连续40帧传输失败的情况，串口传输的failsafe比特位会置1，告知测距节点通信异常。

距离测量模式下，执行测距协议。协议中，通过采用每隔200ms发送接收一次普通数据包来测量频偏的方法纠正时钟偏移量，用来对结果进行校正。积累一定数量的原始测量数据后进行过滤和校正，最终得到一个测距结果。然后，测距节点会通过串口将结果传输给数传节点。在执行测距协议的同时分析数传节点串口传输的信息，监听通信质量。当数传节点通信异常时，测距节点的地面站端通过下一次的普通数据包通知测距节点的无人机端接下来进入数传模式。

LoRa、FLRC、GFSK三种调制方式的最大数据传输速率递增，最远传输距离递减，所以设定合理的切换阈值可以在保证误帧率低于目标水平的同时最大化传输速率。结合接收信号强度的实际测量值，同一环境下，每个调制方式的接受信号强度不同，所以接收信号强度上升和下降时需要设定不同的阈值。通过大量实验采集接受信号强度数据，分别设定从LoRa调制切换到FLRC调制的接收信号强度阈值，记为L2F；从FLRC调制切换到GFSK调制的接收信号强度阈值F2G；从GFSK调制切换到FLRC调制的接收信号强度阈值G2F；从FLRC调制切换到LoRa调制的接收信号强度阈值F2L。

如图3所示是地面端通信模块自适应多制式选择流程示意图，具体为：LoRa模式下，若接收信号强度上升，达到设定的阈值L2F，并且距离测量结果小于五百米，每秒统计的误帧率小于千分之八，则地面站端(主机)向无人机端(从机)发送至少三次切换命令(如五次切换命令)，以保证命令的送达。地面站端每次以LoRaInterval为周期，周期内由发送(主机命令从机)和接收(从机回复主机)组成。无人机端每次以LoRaInterval为周期，周期内由接收(从机接收主机)和发送(从机回复主机)组成。发送五次切换命令完毕后，主从同时切换至FLRC模式。FLRC模式下，若接收信号强度上升，达到阈值F2G，并且距离小于五十米，并且每秒统计的误帧率小于千分之八，进行类似前述的切换机制，切换至GFSK调制；若接收信号强度下降，达到阈值F2L，或者距离大于五十米且小于五百米，或者每秒统计的误帧率大于千分之八，进行类似前述的切换机制，切换至LoRa调制。GFSK模式下，若接收信号强度下降，达到阈值G2F，或者距离大于五十米，或者每秒统计的误帧率大于千分之八，进行类似前述的切换机制，切换至LoRa调制。

本发明实施例中，数据传输和距离测量均采用随机信道选择算法进行跳频，上下行传输的帧结构中含有唯一ID标识，配对主机从机不会处理其他ID信号，并且使用具有良好均匀性、随机性的随机跳频序列降低同频概率从而减少同频干扰。跳频过程如下：将ID的高八位、ID的低八位进行异或作为产生伪随机序列的种子；使用梅森旋转算法生成37个以160为模的伪随机数组成跳频序列；主从双方均维护一个跳频计数器，使得每次在同一个频点收发数据。

距离测量基于飞行时差(Time of Flight，TOF)技术。测量误差的主要来源有晶振计时误差、信号处理延迟、多径效应。传统的抵消时钟偏移量的方法是对称双边双向测距(Symmetric Double Sided Two Way Ranging，SDS-TWR)，但是SDS-TWR意味着双倍的电量开销，考虑到无人机十分有限的电量资源来说，这个方法无疑是不可取的。由于信号载频和测距使用的时钟使用的是用一个外部晶振，所以测距协议中，采用每隔200ms量一次频偏的方法校正TOF技术受时钟偏移量的影响。与SDS-TWR方法相比，这种方法只在可能发生显著晶振频率变化时重复进行，开销低很多。

如图4所示是测距协议流程图，具体为：地面站端每隔200ms通过普通数据包测量一次获得频偏后再发送测距请求包，收集测距回应包，设定过滤的窗口大小为M，收集M个测距回复包之后，对原始测距数据进行过滤和校正，最终得到一个测距结果。测距结果的计算方式具体为：收集当前测距的原始测量数据，该数据包括接收信号强度和距离测量值，可从射频芯片接口获取；确定窗口内测距回复包的接收信号强度最大值，设定信号强度允许偏移值，剔除窗口内接收信号强度与最大值相差大于偏移值的测距回复包；对余下的测距回复包对应的距离测量值进行频偏校正，减去频偏带来的误差；计算校正后的测量值的平均值；当平均值小于20米时，由于信号飞行时间变短，时间测量误差带来的影响变大，测量结果误差较远距离测量时更大，此时使用接收信号强度距离之间的衰减模型计算出最终距离，否则直接以计算的余下数据包对应的距离测量值的平均值作为最终距离；由缓存的N个距离测量结果得到以前的平均速度，从而得到当前距离估计值；由于无人机的飞行轨迹多变，计算得到的速度并不是实际速度，但所得的估计值可以作为滤除误差过大的测量值的参考值，所以当前述所得的最终距离结果与估计值相差大于设定阈值时，判定为测距失败，否则输出测距结果。

Claims (6)

1.一种通信/测距双系统的无人机通信方法，特征在于：所述方法中地面站和无人机所搭载的通信模块均包含两个微控制器和两个射频芯片，地面站的通信模块的一个微控制器和一个射频芯片组成地面站端数传节点，另一个微控制器和另一个射频芯片组成地面站端测距节点；无人机的通信模块的一个微控制器和一个射频芯片组成无人机端数传节点，另一个微控制器和另一个射频芯片组成无人机端测距节点；所述方法包括以下步骤：

(1)地面站端的两个节点以及无人机端的两个节点上电初始化后，读取EEPROM存储值，若存储模式为数传模式则该节点为数传节点，负责数据传输，若存储模式为测距模式则该节点为测距节点，负责测量地面站与无人机之间的距离；所述测距节点在数传节点的通信质量出现问题时自动切换成数传模式顶替数传节点；

(2)地面站端数传节点和无人机端数传节点首先生成配对设备遵循的相同的由所有可用的信道组成的跳频图案，跳频图案均匀分布在整个频段内，然后主从设备开始定时跳频，从而在跳频时保持同步，其中地面站端数传节点为主设备，无人机端数传节点为从设备；依照跳频图案选择频点后，结合距离、RSSI、误帧率三者对调制方式做出选择，当信道条件较差时选择LoRa调制，当信道条件有所改善时选择FLRC调制，当信道条件较好时选择GFSK调制的目标；频点、调制方式选择好之后，进行数据的发送和接收；

(3)地面站端测距节点执行测距协议并监听通信质量，在测距协议中，通过采用每隔设定时间发送接收一次数据包来测量频偏的方法纠正时钟偏移量，用来对结果进行校正；当积累一定数量的原始测量数据后进行过滤和校正，最终得到一个测距结果；然后地面站端测距节点会通过串口将结果传输给地面站端数传节点；在执行测距协议的同时地面站端测距节点通过串口获取地面站端数传节点通信情况，监听通信质量，当地面站端数传节点通信异常时，地面站端测距节点通过数据包通知无人机端测距节点接下来进入数传模式。

2.根据权利要求1所述的通信/测距双系统的无人机通信方法，其特征在于：步骤(2)中，LoRa、FLRC、GFSK三种调制方式的最大数据传输速率递增，最远传输距离递减，通过实验采集接受信号强度数据，分别设定从LoRa调制切换到FLRC调制的接收信号强度阈值，记为L2F；从FLRC调制切换到GFSK调制的接收信号强度阈值F2G；从GFSK调制切换到FLRC调制的接收信号强度阈值G2F；从FLRC调制切换到LoRa调制的接收信号强度阈值F2L。

3.根据权利要求2所述的通信/测距双系统的无人机通信方法，其特征在于：步骤(2)中，三种调制方式切换的规则为：

LoRa模式下，若接收信号强度上升，达到阈值L2F，并且距离测量结果小于五百米，每秒统计的误帧率小于千分之八，则地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至FLRC模式；

FLRC模式下，若接收信号强度上升，达到阈值F2G，并且距离小于五十米，每秒统计的误帧率小于千分之八，则地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至GFSK调制；若接收信号强度下降，达到阈值F2L，或者距离大于五十米且小于五百米，或者每秒统计的误帧率大于千分之八，地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至LoRa调制；

GFSK模式下，若接收信号强度下降，达到阈值G2F，或者距离大于五十米，或者每秒统计的误帧率大于千分之八，地面站端向无人机端发送至少三次切换命令，以保证命令的送达，地面站端和无人机端同时切换至LoRa调制。

4.根据权利要求1所述的通信/测距双系统的无人机通信方法，其特征在于：数据传输和距离测量均采用随机信道选择算法进行跳频，上下行传输的帧结构中含有唯一ID标识，配对主机从机不会处理其他ID信号，并且使用均匀性、随机性的随机跳频序列降低同频概率从而减少同频干扰；跳频过程如下：将ID的高八位、ID的低八位进行异或作为产生伪随机序列的种子；使用梅森旋转算法生成37个以160为模的伪随机数组成跳频序列；主从双方均维护一个跳频计数器，使得每次在同一个频点收发数据。

5.根据权利要求1所述的通信/测距双系统的无人机通信方法，其特征在于：步骤(3)中，距离测量基于飞行时差TOF技术，采用每隔200ms测量一次频偏的方法校正TOF技术受时钟偏移量的影响。

6.根据权利要求1所述的通信/测距双系统的无人机通信方法，其特征在于：步骤(3)中，对原始测距数据进行过滤和校正获得最终测距结果的方法为：

缓存若干测距结果；收集当前测距的原始测量数据，包括从射频芯片获取接收信号强度和距离测量值；

根据设定的数据过滤窗口大小，确定窗口内测距数据包的接收信号强度最大值，并剔除接收信号强度与最大值相差大于设定偏移值的测距数据包；

对余下的数据包对应的距离测量值进行频偏校正，减去频偏带来的误差，并计算校正后的测量值的平均值；当平均值小于20米时，使用接收信号强度与距离之间的衰减模型计算出最终距离，否则直接以平均值作为最终距离；

由缓存的测距结果以及测量时间间隔计算得到平均速度并估计当前测量时刻的距离，当计算出的最终距离与估计值相差大于设定阈值时，判定为测距失败，否则输出测距结果。

Images