CN112436879A - 一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法 - Google Patents
一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，包括地面端设置的多个节点；多个所述节点之间构成应用层系统；多个所述节点中与无人机进行双向通信交互的为Pilot；多个所述节点中与无人机进行单向通信交互的为Observer；无人机通过应用层系统判定最优节点并将Observer切换为Pilot，可实现无人机超远距离巡线。本发明提供一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法能有效的实现无人机超远距离通信的巡线作业的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力巡线作业、管道巡线作业和安防巡线作业领域。
背景技术
现今无人机得到了广泛的应用，但在使用的过程中也会有许多的局限性与缺点；比如采用大功率通信，功耗大幅上升，无法保证无人机续航，发热严重，可能存在pa烧坏或者系统不稳定的现象；采用跟踪天线系统，如果通信链路中断，则无人机只能返航，无法保证链路的稳定性；现有的大多无人机通信方案局限于两点之间，通信距离受限，无法满足远距离巡线要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法能有效的实现无人机超远距离通信的巡线作业的效果。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，包括地面端设置的多个节点；多个所述节点之间构成应用层系统；多个所述节点中与无人机进行双向通信交互的为Pilot；多个所述节点中与无人机进行单向通信交互的为Observer；无人机通过应用层判定最优节点并将Observer切换为Pilot，可实现无人机超远距离巡线。无人机采用点对多点通信方案与地面端节点通信，地面端节点可通过有线或LTE模块进行通信数据的回传，提供通信数据的稳定性。
进一步的，所述Pilot、Observer和无人机的系统通过应用层系统保持同步；所述Pilot的TX与RX功能保持开启，可实现Pilot与无人机的双向通信；所述Observer的TX功能打开RX功能关闭，可实现无人机与Observer单向下行通信；同一时刻，所述应用层系统中仅在一个Pilot。
进一步的，所述应用层系统根据切换判决条件通过MCU将Observer切换为Pilot，先将地面端Pilot调整为Observer，然后可以选择一个Observer调整为Pilot；实现了地面端多节点的智能切换，地面端节点数不限制，可满足超远距离的通信方案。
进一步的，所述切换判决条件包括条件一：无人机与各节点之间的距离，根据无人机与节点地理位置信息可计算无人机与节点之间的距离；条件二：链路状态信息RSSI(Received Signal Strength Indication)，接收的信号强度指示值；切换判决条件。
进一步的，所述应用层系统包括智能切换判决算法；所述智能切换判决算法分为紧急切换、最优节点切换及距离切换；
紧急切换：RSSI-p<RSSI-e，且邻节点满足RSSI-o-n>RSSI-e，且RSSI-o-n为所有Observer中RSSI最大的节点。则触发紧急切换。紧急切换不设置时间窗口；
最优节点切换：RSSI-p<RSSI-o-n，且Dis-p>Dis-o-n，且切换时间窗口5s，则触发最优节点切换；
距离切换：Dis-p>Dis-o-n，且RSSI-o-n>RSSI-h，且切换时间窗口5s，则触发距离切换。三种智能切换判决算法，实现了紧急切换及最优节点切换。
进一步的，切换流程如下：
S1：应用层通知Observer及Pilot满足切换条件，此时Observer不进行任何操作；
S2：Pilot收到应用层的切换请求消息后，回复ACK。应用层通知Pilot执行切换操作；
S3：Pilot通知无人机即将执行切换操作，无人机进入悬停操作并回复ACK消息；
S4：Pilot执行切换操作，Pilot切换为Observer，执行完成后通知应用层切换成功消息；
S5：收到该消息后应用层发起Observer切换请求，Observer回复ACK消息；
S6：应用层通知Observer开始执行切换操作，Observer切换为Pilot，切换完成后新的Pilot(原Observer)通知无人机已完成切换操作，无人机继续执行飞行任务；
S7：无人机回复ACK消息通知新Pilot，新Pilot下发ACK消息至应用层；
S8：通知应用层切换过程已全部执行完成，应用层更新Pilot及Observer信息列表。
进一步的，还包括切换保护机制；所述切换保护机制包括无人机保护机制、系统切换命令ACK机制和超时及重发机制。采用多种保护机制，保证切换过程中无人机系统的安全性及可靠性。
进一步的，还包括分布式节点规划；所述分布式节点规划为无人机与节点之间使用点对点通信，采用COFDM通信方案；根据采用的点对点通信设备，评估无人机与节点的在保持良好通信性能的前提下的最远通信距离；根据巡线的地理信息及点对点通信设备的最远通信距离，根据三维模型测算在巡线范围内需部署多少个节点；通过节点的分布式应用，加上通信节点的切换，可实现超远距离巡线通信。通过三维建模进行节点设计，克服地理环境对巡线作业的影响。
进一步的，分布式节点可每个节点均部署LTE模块进行数据的实时回传；也可以通过节点之间的有线或者无线通信，将数据汇总至一个节点通过LTE模块进行数据回传；也可通过有线网络进行数据回传。分布式节点采用LTE无线方案或者有线方案，进行数据的实时回传。
有益效果：本发明能通过实现分布式节点的切换，从而实现无人机的超远距离的巡线的目的；包括但不限于以下有益效果：
1)无人机采用点对多点通信方案与地面端节点通信，地面端节点可通过有线或LTE模块进行通信数据的回传，提供通信数据的稳定性；三种智能切换判决算法，实现了紧急切换、最优节点切换及距离切换；实现了地面端多节点的智能切换，地面端节点数不限制，可满足超远距离的通信方案；采用多种保护机制，保证切换过程中无人机系统的安全性及可靠性；
2)采用分布式节点的设计，通过三维建模进行节点设计，克服地理环境对巡线作业的影响分布式节点采用LTE无线方案或者有线方案，进行数据的实时回传，能有效实现超远距离巡线。
附图说明
附图1为通信原理图；
附图2为点对多点原理图；
附图3为应用层系统原理图；
附图4为节点切换原理图；
附图5为切换原理图；
附图6为切换算法判决原理图；
附图7为切换流程图；
附图8为巡线节点规划原理图；
附图9为通信数据回传部署原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1-9：一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，包括地面端设置的多个节点；多个所述节点之间构成应用层系统；多个所述节点中与无人机进行双向通信交互的为Pilot；多个所述节点中与无人机进行单向通信交互的为Observer；无人机通过应用层系统逐步向外将Observer切换为Pilot，无人机与主节点进行双向通信，无人机与邻节点单向下行通信，地面端各节点保持通信交互，实现了天地多点通信，可实现无人机超远距离巡线。
所述Pilot、Observer和无人机的系统通过应用层系统保持同步；所述Pilot的TX与RX功能保持开启，可实现Pilot与无人机的双向通信；所述Observer的TX功能打开RX功能关闭，可实现无人机与Observer单向下行通信；同一时刻，所述应用层系统内存在一个Pilot。系统内Pilot只有一个，但Observer的数量没有限制。
所述应用层系统根据切换判决条件通过MCU将Observer切换为Pilot，先将地面端Pilot调整为Observer，然后可以选择一个Observer调整为Pilot。地面端各节点之间建立有线通信，保证各节点的信息交互；并且地面端各节点均部署应用层系统内，应用层系统采集无人机系统的相关信息数据，并执行对应的切换判决及切换执行等操作；应用层系统将切换判决信令、判决算法及操作执行步骤存储在Flash中，通过MCU执行对应的操作。
切换原理：定义地面端主节点为Pilot，地面端从节点为Observer；
通信系统中，无人机设备仅为一个，地面端设备可以为N(不受限制)，无人机与地面端设备均处于绑定状态；其中地面端节点仅有一个Pilot，其他地面端节点均为Observer；其中Pilot可以与无人机进行双向通信，Observer仅有下行链路通信，无上行链路通信；地面端Pilot及Observer身份在系统中可以自由进行调整，同一时间内系统要求仅有一个Pilot。
Pilot及Observer的调整过程：先将地面端Pilot调整为Observer，然后可以选择一个Observer调整为Pilot。
通信系统与应用层系统进行接口开放及互通，应用层系统可调整地面端节点的Pilot及Observer属性。通过此方案，加入切换判决算法后系统实现自主切换。
切换信令流程：主节点(Pilot)与邻节点(Observer)根据无人机与节点的相关信息：链路状态信息、无人机与节点位置信息、距离信息等数据，进行切换判定。一旦达到切换门限，且满足时间窗口，可触发切换操作。现有的主节点(Pilot)关闭TX，切换成邻节点(Observer)；操作完成后，最优邻节点(Observer)打开TX，切换成主节点；操作完成后通知2个节点；该切换控制和执行可使用MCU及应用层系统进行判定和执行命令发起，节点模块进行切换操作执行；切换过程中无人机进入保护状态，执行悬停操作，不进行飞行和其他操作。
地面端各节点都存储所有节点的地理位置信息；切换过程由应用层系统发起，相邻节点之间通过其它链路设备保持双向通信；地面端设备提供命令及调用接口供应用层系统调用，应用层系统进行切换控制，包括切换判决、切换发起、执行控制、切换保护及状态信息列表更新等操作等。
所述切换判决条件包括条件一：无人机与各节点之间的距离，根据无人机与节点地理位置信息可计算无人机与节点之间的距离；条件二：链路状态信息RSSI(ReceivedSignal Strength Indication)，接收的信号强度指示值。
所述应用层系统包括智能切换判决算法；所述智能切换判决算法分为紧急切换、最优节点切换及距离切换；RSSI-p：Pilot的RSSI信息；RSSI-o-n：序号为N的Observer的RSSI信息；RSSI-e：RSSI紧急切换门限；RSSI-h：RSSI高门限；Dis-p：Pilot节点与无人机的距离；Dis-o-n：序号为N的Observer与无人机的距离。
紧急切换：RSSI-p<RSSI-e，且邻节点满足RSSI-o-n>RSSI-e，且RSSI-o-n为所有Observer中RSSI最大的节点。则触发紧急切换。紧急切换不设置时间窗口；
最优节点切换：RSSI-p<RSSI-o-n，且Dis-p>Dis-o-n，且切换时间窗口5s，则触发最优节点切换；
距离切换：Dis-p>Dis-o-n，且RSSI-o-n>RSSI-h，且切换时间窗口5s，则触发距离切换。
切换优先级：紧急切换>最优节点切换>距离切换。
切换判定及指令发起均由应用层系统负责，地面端Pilot与Observer间需保证链路的双向通信；根据无人机、Observer及Pilot的信息(GPS、链路状态RSSI)，应用层进行切换判定，满足切换条件后触发切换执行操作；切换流程如下：
S1：应用层通知Observer及Pilot满足切换条件，此时Observer不进行任何操作；
S2：Pilot收到应用层的切换请求消息后，回复ACK。应用层通知Pilot执行切换操作；
S3：Pilot通知无人机即将执行切换操作，无人机进入悬停操作并回复ACK消息；
S4：Pilot执行切换操作，Pilot切换为Observer，执行完成后通知应用层切换成功消息；
S5：收到该消息后应用层发起Observer切换请求，Observer回复ACK消息；
S6：应用层通知Observer开始执行切换操作，Observer切换为Pilot，切换完成后新的Pilot(原Observer)通知无人机已完成切换操作，无人机继续执行飞行任务；
S7：无人机回复ACK消息通知新Pilot，新Pilot下发ACK消息至应用层；
S8：通知应用层切换过程已全部执行完成，应用层更新Pilot及Observer信息列表。
还包括切换保护机制；所述切换保护机制包括无人机保护机制、系统切换命令ACK机制和超时及重发机制。无人机保护机制：切换过程中，Pilot上发切换后信息后，无人机进行悬停状态，新Pilot通知无人机切换操作已执行完成，无人机继续执行飞行计划；系统切换命令ACK机制：应用层与Pilot、Observer之间的切换请求、执行操作执行与执行完成指令均加入ACK，原Pilot上发无人机的切换请求消息，无人机收到消息后需回复ACK，原Observer切换为Pilot后，上发切换完成消息至无人机，无人机收到后需回复ACK；超时及重发机制：系统切换的指令流程间需加入超时计时器，如超时后仍未收到ACK消息，则视为切换失败，切换失败后，系统在经过短暂的等待时间后，重新发起切换命令，应用层需根据切换流程的失败信令点进行指令重发，避免进行冗余操作。
还包括分布式节点规划；所述分布式节点规划为无人机与节点之间使用点对点通信，采用COFDM通信方案；根据采用的点对点通信设备，评估无人机与节点的在保持良好通信性能的前提下的最远通信距离；根据巡线的地理信息及点对点通信设备的最远通信距离，根据三维模型测算在巡线范围内需部署多少个节点；通过节点的分布式应用，加上通信节点的切换，可实现超远距离巡线通信。
分布式节点可每个节点均部署LTE模块进行数据的实时回传；也可以通过节点之间的有线或者无线通信，将数据汇总至一个节点通过LTE模块进行数据回传；也可通过有线网络进行数据回传。分布式节点单独内置LTE模块，或者采用多个分布式节点数据汇聚后通过LTE模块回传；也可通过有线网络进行通信数据的实时回传，实现远程监控中心的通信交互。
无人机采用点对多点通信方案与地面端节点通信，地面端节点可通过有线或LTE模块进行通信数据的回传，提供通信数据的稳定性；根据切换判决算法实现了地面端多节点的智能切换，地面端节点数不限制，可满足超远距离的通信方案；三种智能切换判决算法，实现了紧急切换及最优节点切换；并且采用多种保护机制，保证切换过程中无人机系统的安全性及可靠性；采用分布式节点的设计，通过三维建模进行节点设计，克服地理环境对巡线作业的影响；分布式节点采用LTE无线方案或者有线方案，进行数据的实时回传；这样就能完成无人机超远距离的巡线作业。
以上是本发明的优选实施方案，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提的情况下，还可以做出若干改进和润色，这些改进和润色同样视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：包括地面端设置的多个节点；多个所述节点之间构成应用层系统；多个所述节点中与无人机进行双向通信交互的为Pilot；多个所述节点中与无人机进行单向通信交互的为Observer；无人机通过应用层系统判定最优节点并将Observer切换为Pilot，可实现无人机超远距离巡线。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：所述Pilot、Observer和无人机的系统通过应用层系统保持同步；所述Pilot的TX与RX功能保持开启，可实现Pilot与无人机的双向通信；所述Observer的TX功能打开RX功能关闭，可实现无人机与Observer单向下行通信；同一时刻，所述应用层系统中仅存在一个Pilot。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：所述应用层系统根据切换判决条件通过MCU将Observer切换为Pilot，先将地面端Pilot调整为Observer，然后可以选择一个Observer调整为Pilot。
4.根据权利要求3所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：所述切换判决条件包括条件一：无人机与各节点之间的距离，根据无人机与节点地理位置信息可计算无人机与节点之间的距离；条件二：链路状态信息RSSI(Received SignalStrength Indication)，接收的信号强度指示值。
5.根据权利要求3所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：所述应用层系统包括智能切换判决算法；所述智能切换判决算法分为紧急切换、最优节点切换及距离切换；
紧急切换：RSSI-p<RSSI-e，且邻节点满足RSSI-o-n>RSSI-e，且RSSI-o-n为所有Observer中RSSI最大的节点。则触发紧急切换。紧急切换不设置时间窗口；
最优节点切换：RSSI-p<RSSI-o-n，且Dis-p>Dis-o-n，且切换时间窗口5s，则触发最优节点切换；
距离切换：Dis-p>Dis-o-n，且RSSI-o-n>RSSI-h，且切换时间窗口5s，则触发距离切换。
6.根据权利要求3所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：切换流程如下：
S1：应用层通知Observer及Pilot满足切换条件，此时Observer不进行任何操作；
S2：Pilot收到应用层的切换请求消息后，回复ACK。应用层通知Pilot执行切换操作；
S3：Pilot通知无人机即将执行切换操作，无人机进入悬停操作并回复ACK消息；
S4：Pilot执行切换操作，Pilot切换为Observer，执行完成后通知应用层切换成功消息；
S5：收到该消息后应用层发起Observer切换请求，Observer回复ACK消息；
S6：应用层通知Observer开始执行切换操作，Observer切换为Pilot，切换完成后新的Pilot(原Observer)通知无人机已完成切换操作，无人机继续执行飞行任务；
S7：无人机回复ACK消息通知新Pilot，新Pilot下发ACK消息至应用层；
S8：通知应用层切换过程已全部执行完成，应用层更新Pilot及Observer信息列表。
7.根据权利要求1所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：还包括切换保护机制；所述切换保护机制包括无人机保护机制、系统切换命令ACK机制和超时及重发机制。
8.根据权利要求1所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：还包括分布式节点规划；所述分布式节点规划为无人机与节点之间使用点对点通信，采用COFDM通信方案；根据采用的点对点通信设备，评估无人机与节点的在保持良好通信性能的前提下的最远通信距离；根据巡线的地理信息及点对点通信设备的最远通信距离，根据三维模型测算在巡线范围内需部署多少个节点；通过节点的分布式应用，加上通信节点的切换，可实现超远距离巡线通信。
9.根据权利要求8所述的一种应用于无人机超远距离通信的多点切换方法，其特征在于：分布式节点可每个节点均部署LTE模块进行数据的实时回传；也可以通过节点之间的有线或者无线通信，将数据汇总至一个节点通过LTE模块进行数据回传；也可通过有线网络进行数据回传。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20230804 Address after: 214000 204-01, second floor, conference center, 78 Jinghui East Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Wuxi Yuanchuan rongchuang Technology Co.,Ltd. Address before: 310000 Jiuhua Road, Jianggan District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee before: Yuanchuan rongchuang (Hangzhou) Technology Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |