CN110648518B - 用于无人机和遥控器的数据传输方法及其相应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机的数据传输方法、用于遥控器的数据传输方法、及其相应的无人机和遥控器。其中用于无人机的数据传输方法为：从遥控器接收控制命令；所述控制命令是由遥控器对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η、判断设置控制命令得到；其中设置控制命令的方法为：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”；然后根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制，并将调制后的数据发送给遥控器。本发明能保证数据信道的通信质量，进而保证遥控器接收到的视频图像质量的清晰度，环境适应性强。

Description

用于无人机和遥控器的数据传输方法及其相应的装置

技术领域

本发明涉及无人机通信领域，具体是指一种用于无人机的数据传输方法、用于遥控器的数据传输方法、及其相应的无人机和遥控器。

背景技术

无人机现已广泛应用于军用和民用领域，其通常采用无线通信方式与专门的遥控装置配对，以接收遥控装置的控制指令并回传摄像头拍摄到的图片、视频等数据至遥控装置。

但无人机与遥控装置之间的数据信道和飞控信道上，数据在传输过程中易受到噪声、多径干扰等不良因素的影响，其中多径干扰对信号传输存在信号相位延展、部分波形被拉长，而噪声则会意外拉低或增高信号波形，而现有技术缺乏针对噪声和多径干扰这些实时变化不良因素影响的即时响应，导致无人机与遥控装置之间的通信质量下降，造成解码过程中误码率上升，无人机回传的图片和视频图像质量不清晰。

发明内容

基于目前无人机传输数据得到的图像质量不清晰的技术问题，本发明提供了一种用于无人机的数据传输方法、用于遥控器的数据传输方法、及其相应的无人机和遥控器。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于无人机的数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1，从遥控器接收控制命令；

所述控制命令是由遥控器对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令得到；

其中，信道质量指标包括信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η，计算方法为：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量指标判断设置控制命令的方法为：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

步骤2，根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制，并将调制后的数据发送给遥控器。

进一步地，所述低维度的调制方式为8PSK，高维度的调制方式为QPSK。

进一步地，无人机接收到的控制命令是由遥控器采用国密算法SM4进行加密处理和调制处理得到的；无人机在接收到控制命令且解调之后，还包括采用国密算法SM4对解调后的控制命令进行解密处理，再执行步骤2；

无人机在对待发送的数据进行调制发送之前，还包括采用国密算法SM4对待发送的数据进行加密处理。

进一步地，无人机在采用国密算法SM4对待发送的数据进行加密处理时，对于不足128位的待加密字段进行补0处理。

本发明相应于上述应用于无人机的数据传输方法，还提供一种无人机，包括天线和处理器；

所述天线用于从遥控器接收控制命令；

所述控制命令是由遥控器对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令得到；

其中，信道质量指标包括信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η，计算方法为：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量指标判断设置控制命令的方法为：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

所述处理器，用于根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制；

所述天线还用于将调制后的数据发送给遥控器。

本发明另一方面还提供一种应用于遥控器的数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1，从无人机接收数据，再对接收到的数据进行采样统计，得到噪声值；

步骤2，按以下公式根据噪声值计算信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

步骤3，根据信道质量第一指标和信道质量第二指标判断设置控制命令：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

步骤4，将控制命令发送至无人机，所述控制命令用于控制无人机采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制。

进一步地，所述低维度的调制方式为8PSK，高维度的调制方式为QPSK。

进一步地，遥控器接收到数据，是由无人机采用国密算法SM4进行加密处理和调制处理得到的；遥控器在对接收到数据进行解调之后，还包括采用国密算法SM4对解调后的数据进行解密处理；

遥控器在发送控制命令之前，还包括采用国密算法SM4对待发送的控制命令进行加密处理和调制处理。

进一步地，遥控器接收到的数据，其加密字段末端是经过补0操作得到；遥控器在采用国密算法SM4进行解密处理之前，先对加密字段末端的0进行删除处理。

相应于上述应用于遥控器的数据传输方法，本发明还提供一种遥控器，包括天线和处理器；

所述天线用于从无人机接收数据；

所述处理器，被配置用于：

对接收到的数据进行采样统计，得到噪声值；

按以下公式根据噪声值计算信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的样本总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量第一指标和信道质量第二指标判断设置控制命令：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

所述天线还用于将控制命令发送至无人机，以使无人机采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制。

有益效果

本发明中，遥控器根据当前接收到的数据判断数据信道质量，然后反馈给无人机，使无人机能实时调整调制方式，从而保证无人机与遥控器之间的数据信道的通信质量，进而保证遥控器接收到的视频图像质量的清晰度，使无人机适用于环境复杂多变、即噪声和多径干扰复杂多变的通信环境下。

此外，无人机采用国密算法SM4，每次加密128bit，可以避免因分组太短而导致加密的数据段过多，从而避免因加密计算过大而导致系统延时增长，进而实现无人机可及时将视频数据传输给遥控器；每次加密128bit，可以避免因每次加密处理的位数过长而给FPGA算法所需要的电路实现造成困难。

另外，设置无人机发送数据的频率为每秒24帧，可保证遥控器端接收到的视频画质的同时，降低一半电池能量损耗，使无人机的续航时间更长。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无人机与遥控器所构成的系统整体设计架构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

如图1所示的无人机与遥控器构成的整体系统架构图，本发明的无人机通过摄像头采集视频数据，并对数据依次进行H265压缩、国密算法SM4的对称加密、基带编码、频带编码，然后通过天线射频发送给遥控器；遥控器先做一次信道估计，判断当前的数据信道质量，然后根据数据信道质量生成相应的控制命令给无人机，使无人机实时调整基带调制方式，即下文实施例中记载的高维度的调制方式QPSK和低维度的调制方式8PSK，从而提高无人机与遥控器之间的数据信道的通信质量，保证遥控器接收到的视频图像质量的清晰度。

实施例一：

本实施例提供一种应用于无人机的数据传输方法，包括从遥控器接收控制命令；和根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制，并将调制后的数据发送给遥控器。

其中，从遥控器接收到的控制命令，是由遥控器对之前接收到的数据进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令得到；

遥控器对接收到的数据进行采样统计噪声值具体为：对接收到的冲击串进行高密度采样，采样的过程中滤除掉噪声点(噪声点的特性主要体现在系统的噪声值变化的不单调性上)，然后根据一系列单调的点求出理想的冲击串函数：

实际测试的值因为系统低噪声和高斯白噪声等一些不可避免的噪声存在，因此采样到的实测值一定会与理想值有所偏差，故本发明对于相对误差在2％以内的均看作是正常底噪，仅对相对误差大于2％的噪声进行统计，得到以下计算信道质量指标所需的噪声值。由于信号在信道传输时其幅度会存在衰减，故本发明对采集到实测值均进行归一化处理。

信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η的计算方法为：

式中，y_k为第k个噪声值，且y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的样本总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量第一指标和信道质量第二指标判断设置控制命令的方法为：若满足e_n≥0.4或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；在本实施例中取δ₁＝0.4，δ₂＝0.5，以及高维度的调制方式为QPSK，低维度的调制方式为8PSK。

本发明使用两个指标来评定信道质量，其中第一指标可反映数据信道传输的噪声大小，第二指标可反映数据信道传输受多径干扰影响的大小，从而及时生成控制指令，使无人机及时调整待发送数据的调制方式：若当前数据信道质量差，则采用高维度的调制方式8PSK；若当前数据信道质量好，则采用低维度的调制方式QPSK。本发明方法尤其适用于无人机与遥控器之间环境复杂多变、进而噪声和多径干扰复杂多变的领域中。

另外，在本实施例中，无人机与遥控器之间传输的数据和控制命令，发送方均是采用国密算法SM4进行加密处理，并调制后再发送给接收方；而接收方均是在接收到命令或数据后，先进行解调，然后采用国密算法SM4进行解密处理，得到原始的数据或控制命令。

本实施例采用的国密算法SM4，每次加密128bit，可以避免因分组太短而导致加密的数据段过多，从而避免因加密计算过大而导致系统延时增长，进而实现无人机可及时将视频数据传输给遥控器；同时每次加密128bit，可以避免因每次加密处理的位数过长而给FPGA算法所需要的电路实现造成困难。

国密算法SM4采用32轮非线性迭代结构，以字(32位)为单位进行加密运算，每一次迭代运算均为一轮变换函数F，由于此算法的实现是基于FPGA的代码实现，每完成32轮计算的话对芯片的工作时间是固定的，所以分组太短，固定报文分出来需要加密的数据段就会多，每一段必须经过32轮计算，这样造成过多轮数的计算，系统延时也会增长，与此同时如果每个分组太长，加密的处理位数过长，也给FPGA的算法实现造成电路实现上的困难，所以采用128位的加密长度。

其中，无人机在采用国密算法SM4对待发送的数据进行加密处理时，对于不足128bit的待加密字段进行补0处理。比如，在按每次加密128bit切分视频的SPS有效数据时，若该SPS有效数据刚好为128K，则刚好加密1000次；若SPS有效数据不为128的整数倍时，最后一个分组将不足128bit，此时在最后一个分组的后面补0，凑成128bit，如[b₀,b₁,b₂,b₃...........b₆₂,b₆₃,0,0,........0]。

在上述实施例的基础上，进一步优选设置无人机发送数据的频率为每秒24帧，相比于每秒50帧的发送频率而言，基本不会影响遥控器端接收到的视频画质，同时可降低一半电池能量损耗。

实施例二：

本实施例提供一种采用实施例一所述数据传输方法的无人机，包括天线和处理器；其中天线用于从遥控器接收控制命令；所述处理器，用于根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制；另外天线还用于将调制后的数据发送给遥控器。其中，本实施例无人机的工作原理，即从遥控器接收控制命令、根据接收到的控制命令且采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制、将调制后的数据发送给遥控器、采用国密算法SM4对传输的数据和控制命令进行加密传输、以及人机发送数据的频率为每秒24帧，均与实施例一所述数据传输方法相同，且相应技术效果也相同，在此不再重复赘述。

实施例三：

本实施例提供一种应用于遥控器的数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1，从无人机接收数据，再对接收到的数据进行采样统计，得到噪声值；

遥控器对接收到的数据进行采样统计噪声值具体为：对接收到的冲击串进行高密度采样，采样的过程中滤除掉噪声点(噪声点的特性主要体现在系统的噪声值变化的不单调性上)，然后根据一系列单调的点求出理想的冲击串函数：

实际测试的值因为系统低噪声和高斯白噪声等一些不可避免的噪声存在，因此采样到的实测值一定会与理想值有所偏差，故本发明对于相对误差在2％以内的均看作是正常底噪，仅对相对误差大于2％的噪声进行统计，得到以下计算信道质量指标所需的噪声值。由于信号在信道传输时其幅度会存在衰减，故本发明对采集到实测值均进行归一化处理。

步骤2，按以下公式根据噪声值计算信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η：

式中，y_k为第k个噪声值，且y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

步骤3，根据信道质量第一指标和信道质量第二指标判断设置控制命令：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

在本实施例中取δ₁＝0.4，δ₂＝0.5，以及高维度的调制方式为QPSK，低维度的调制方式为8PSK。

步骤4，将控制命令发送至无人机，所述控制命令用于控制无人机采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制。

在本实施例中，无人机与遥控器之间传输的数据和控制命令，发送方均是采用国密算法SM4进行加密处理，并调制后再发送给接收方；而接收方均是在接收到命令或数据后，先进行解调，然后采用国密算法SM4进行解密处理，得到原始的数据或控制命令。

本实施例采用的国密算法SM4，每次加密128bit，可以避免因分组太短而导致加密的数据段过多，从而避免因加密计算过大而导致系统延时增长，进而实现无人机可及时将视频数据传输给遥控器；同时每次加密128bit，可以避免因每次加密处理的位数过长而给FPGA算法所需要的电路实现造成困难。

国密算法SM4采用32轮非线性迭代结构，以字(32位)为单位进行加密运算，每一次迭代运算均为一轮变换函数F，由于此算法的实现是基于FPGA的代码实现，每完成32轮计算的话对芯片的工作时间是固定的，所以分组太短，固定报文分出来需要加密的数据段就会多，每一段必须经过32轮计算，这样造成过多轮数的计算，系统延时也会增长，与此同时如果每个分组太长，加密的处理位数过长，也给FPGA的算法实现造成电路实现上的困难，所以采用128位的加密长度。

其中，由于无人机在采用国密算法SM4对待发送的数据进行加密处理时，对于不足128bit的待加密字段进行补0处理，即在本实施例的遥控器端所接收到的数据，其加密字段末端是经过补0操作得到，因此，本实施例的遥控器在采用国密算法SM4进行解密处理之前，先对加密字段末端的0进行删除处理。比如遥控器接收到的最后一组数据为[b₀,b₁,b₂,b₃...........b₆₂,b₆₃,0,0,........0]，其第64位至第127位均为0，其为补0处理得到的，因此遥控器需要将第64位至第127位的0删除才能得到有效数据。

实施例四：

本实施例提供一种采用实施例三所述数据传输方法的遥控器，包括包括天线和处理器；所述天线用于从无人机接收数据；所述处理器用于对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令；所述天线还用于将控制命令发送至无人机，以使无人机采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制。其中，本实施例遥控器的工作原理，即从无人机接收数据、对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令，以及将控制命令发送至无人机，均与实施例三所述数据传输方法相同，且相应技术效果也相同，在此不再重复赘述。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于无人机的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，从遥控器接收控制命令；

所述控制命令是由遥控器对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令得到；

其中，信道质量指标包括信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η，计算方法为：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量指标判断设置控制命令的方法为：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

步骤2，根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制，并将调制后的数据发送给遥控器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低维度的调制方式为8PSK，高维度的调制方式为QPSK。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无人机接收到的控制命令是由遥控器采用国密算法SM4进行加密处理和调制处理得到的；无人机在接收到控制命令且解调之后，还包括采用国密算法SM4对解调后的控制命令进行解密处理，再执行步骤2；

无人机在对待发送的数据进行调制发送之前，还包括采用国密算法SM4对待发送的数据进行加密处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，无人机在采用国密算法SM4对待发送的数据进行加密处理时，对于不足128位的待加密字段进行补0处理。

5.一种无人机，其特征在于，包括天线和处理器；

所述天线用于从遥控器接收控制命令；

所述控制命令是由遥控器对接收到的数据依次进行采样统计噪声值、计算信道质量指标和判断设置控制命令得到；

其中，信道质量指标包括信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η，计算方法为：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量指标判断设置控制命令的方法为：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

所述处理器，用于根据接收到的控制命令，采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制；

所述天线还用于将调制后的数据发送给遥控器。

6.一种应用于遥控器的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，从无人机接收数据，再对接收到的数据进行采样统计，得到噪声值；

步骤2，按以下公式根据噪声值计算信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

步骤3，根据信道质量第一指标和信道质量第二指标判断设置控制命令：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

步骤4，将控制命令发送至无人机，所述控制命令用于控制无人机采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述低维度的调制方式为8PSK，高维度的调制方式为QPSK。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，遥控器接收到数据，是由无人机采用国密算法SM4进行加密处理和调制处理得到的；遥控器在对接收到数据进行解调之后，还包括采用国密算法SM4对解调后的数据进行解密处理；

遥控器在发送控制命令之前，还包括采用国密算法SM4对待发送的控制命令进行加密处理和调制处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，遥控器接收到的数据，其加密字段末端是经过补0操作得到；遥控器在采用国密算法SM4进行解密处理之前，先对加密字段末端的0进行删除处理。

10.一种遥控器，其特征在于，包括天线和处理器；

所述天线用于从无人机接收数据；

所述处理器，被配置用于：

对接收到的数据进行采样统计，得到噪声值；

按以下公式根据噪声值计算信道质量第一指标e_n和信道质量第二指标η：

式中，y_k为第k个噪声值，y_k＝y_{噪声实测值}-y_{理想函数值}，n为噪声值的样本总个数，t为测量实际数据得到的单位码元时间，T为数据理想的单位码元时间；

根据信道质量第一指标和信道质量第二指标判断设置控制命令：若满足e_n≥δ₁或者η≥δ₂，则设置控制命令为“采用高维度的调制方式”，否则设置控制命令为“采用低维度的调制方式”，其中δ₁为第一指标阈值，δ₂为第二指标阈值；

所述天线还用于将控制命令发送至无人机，以使无人机采用相应的调制方式对待发送的数据进行调制。

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