CN113703473B - 一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法，系统包括无人机、云平台服务器和地面控制基站；所述无人机包括用于输电线路灾情勘测的差异化勘灾作业平台、机载端5G/4G通信终端、任务控制器和飞行控制器；所述差异化勘灾作业平台包括勘灾图像数据采集模块、勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库；所述地面控制基站包括地面端5G/4G通信终端和地面站。本发明能够实现高吞吐量的实时图传、低延时的远程操控与业务应用，实现时空数据与视频流实时高精度融合。
Description
技术领域
本发明涉及输电技术领域，更具体地，涉及一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法。
背景技术
无人机作为信息时代高新技术的产物，在世界范围内得到广泛认可，其工业化正在呈现指数化发展。当前，无人机系统在警用领域应用越来越广泛，对无人机通信技术的深入研究有助于其在警务工作中发挥更多作用。中国的无人机系统在全球市场占有率正逐年上升，技术和制造能力趋于完善，位列世界前茅，如大疆精灵系列推出后，凭借其出色的外观、低廉的价格、简便的操作，很快在普通消费者人群中占据了一席之地。
在无人机进行输电线路自然灾害实时勘测，要求通信链路实现高吞吐量的实时图传、低延时的远程操控与业务应用，而目前的无人机由于线路原因，在飞行时遇到信号较差的位置进行输电线路自然灾害实时勘测无法实现这种图传通信。当前的地理信息时空编码技术，须先将无人机或者吊舱采集的时空数据和视频流数据通过图传设备传输至地面，然后通过地面计算机终端进行时空数据与视频流数据同步控制以及编码融合。在数据传输过程中，由于时空数据和视频流数据独立传输，传输过程中易受传输链路的影响，时间同步性差，难以实现时空数据与视频流实时高精度融合，无法保障定位的精度。因而如何在机载端进行数据融合和编码处理是难题。
发明内容
本发明提供一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法，能够实现高吞吐量的实时图传、低延时的远程操控与业务应用，实现时空数据与视频流实时高精度融合。
为解决上述问题，提供一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信的系统，包括无人机、云平台服务器和地面控制基站；
所述无人机包括用于输电线路灾情勘测的差异化勘灾作业平台、机载端5G/4G通信终端、任务控制器和飞行控制器；
所述差异化勘灾作业平台包括勘灾图像数据采集模块、勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库；所述勘灾图像数据采集模块用于采集勘灾输电线路走廊附近的视频信息和无人机位姿信息，并生成全动态视频；所述勘灾模式数据库用于存储若干种勘灾模式；所述飞行航线数据库用于存储无人机的飞行航线；所述勘灾模式飞行航线关联数据库用于存储勘灾模式对应飞行航线的关联；所述控制指令库用于存储无人机的控制指令；
所述地面控制基站包括地面端5G/4G通信终端和地面站；
所述机载端5G/4G通信终端与差异化勘灾作业平台之间、机载端5G/4G通信终端和飞行控制器之间、机载端5G/4G通信终端和任务控制器之间、机载端5G/4G通信终端与地面端5G/4G通信终端之间能够建立5G/4G网络主链路和无线图传备份链路；所述云平台服务器与机载端5G/4G通信终端之间、云平台服务器与地面端5G/4G通信终端之间能够建立以太网备份链路。
特别的，所述勘灾模式包括山火勘灾模式、台风勘灾模式、冰雪勘灾模式、地质勘灾模式和洪涝勘灾模式。
特别的，所述机载端5G/4G通信终端和地面端5G/4G通信终端通过物理接口与无人机设备相连，能够接入5G蜂窝网络；所属5G/4G通信终端终端按照R15 5G NSA/SA 协议标准，支持5G和4G两种网络模式，并能向下兼容LTE网络，能通过5G NR/LTE‐FDD/LTE‐TDD多个频段内置调制解调器进行大数据量的实时传输。
特别的，所述勘灾图像数据采集模块包括摄像机和位姿传感器。
特别的，所述生成全动态视频包括以下步骤：
依据预设无人机位姿频率获取无人机位姿信息后生成基本元数据；
依据预设视频帧频率获取视频信息的视频帧；无人机位姿频率等于视频帧频率；
将基本元数据编码至视频流中所对应的视频帧中，同时，采用MISB（MotionImagery Standards Board）标准视频编码格式进行视频编码。
特别的，所述无人机位姿信息包括位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
特别的，所述全动态视频包括基本元数据字段，所述基本元数据字段包括Unix时间戳、传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域；所述传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域分别对应位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
根据上述系统的一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法，包括以下步骤：
（1）差异化勘灾作业平台智能划定灾害区域内的输电线廊，并通过搜索勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库获得任务航线；所述任务航线包括飞行航线和控制指令；
（2）所述机载端5G/4G通信终端与差异化勘灾作业平台之间、机载端5G/4G通信终端和飞行控制器之间、机载端5G/4G通信终端和任务控制器之间、机载端5G/4G通信终端与地面端5G/4G通信终端之间能够建立5G/4G网络主链路和无线图传备份链路；所述云平台服务器与机载端5G/4G通信终端之间、云平台服务器与地面端5G/4G通信终端之间能够建立以太网备份链路；
（3）所述任务航线通过5G/4G网络主链路或无线图传备份链路上传至地面站或无人机；
（4）所述无人机将任务航线分解为飞行航线和控制指令，飞行航线内包括飞行指令；所述无人机按照飞行航线执行飞行指令飞行；
（5）所述无人机依据采集勘灾输电线路的视频信息和无人机位姿信息，并生成全动态视频，所述全动态视频为任务数据。
（6）当无人机飞行在有5G蜂窝网信号覆盖区域时，通过5G/4G网络主链路实现差异化勘灾作业平台与无人机任务控制器的数据交互；当无人机处于无5G蜂窝网信号的地区时，差异化勘灾作业平台与地面站通过5G/4G网络主链路实现勘灾模式、飞行航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互，再通过无线图传备份链路实现任务控制器与地面站的数据交互；无人机终端与地面站均无5G蜂窝网络覆盖时，则通过以太网备份链路实现差异化勘灾作业平台与地面站的数据交互，再通过无线图传备份链路在地面站与飞行控制器间实现勘灾模式、航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互。
生成全动态视频包括以下步骤：
依据预设无人机位姿频率获取无人机位姿信息后生成基本元数据；
依据预设视频帧频率获取视频信息的视频帧；无人机位姿频率等于视频帧频率；
将基本元数据编码至视频流中所对应的视频帧中，同时，采用MISB（MotionImagery Standards Board）标准视频编码格式进行视频编码。
无人机位姿信息包括位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
全动态视频包括基本元数据字段，所述基本元数据字段包括Unix时间戳、传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域；所述传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域分别对应位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
本发明的有益效果：
1.本发明将无人机与移动通信相结合，通过集成5G网联无人机机载通信终端，利用5G（同时兼容4G）网络，在“云-边-端”协同机制下，实时飞控数据和视频流数据与差异化勘灾作业平台进行交互，实现勘灾模式、航线和控制指令等数据的上传以及任务数据和飞行的下发。使用5G/4G网络链路为主链路，在有5G/4G信号覆盖的情况下使用宽带链路。在无5G/4G信号覆盖的情况下使用无线电数传和图传链路（机载端与地面端之间），以及以太网（地面端与云端之间）一起作为备份链路，与5G/4G通信链路共同形成多链路冗余备份机制。本发明集成了基于5G网联无人机的即时图传通信链路，满足了网联无人机低延时、大带宽、安全可靠性应用需求，该链路实现了端到端的5G/4G数据直通，支持通过地面站直接访问摄像机、飞控内部IP地址，支持通过组播直接传输无人机视频，极大简化了地面端与机载端的应用软件及服务的构建，提高了系统灵活性。
2.本发明采用全动态视频的图数一体传输方案，使实时视频兼具的视频数据播放和地理空间分析的功能。将视频流和地理信息元数据组合成一个视频文件，使视频具备地理空间感知能力，解决了在数据传输过程中，时空数据和视频流数据因独立传输易受传输链路的影响导致时间同步性差以及难以实现时空数据与视频流实时高精度融合，无法保障定位精度等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的方法的流程图；
图3为本发明实施例的生成全动态视频的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本实施例的一种应用于输电线路灾情勘测的无人机即时图传通信系统，包括无人机、云平台服务器和地面控制基站。
无人机包括用于输电线路灾情勘测的差异化勘灾作业平台、机载端5G/4G通信终端、任务控制器和飞行控制器。
差异化勘灾作业平台包括勘灾图像数据采集模块、勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库。勘灾图像数据采集模块用于采集勘灾输电线路走廊附近的视频信息和无人机位姿信息，并生成全动态视频。勘灾图像数据采集模块包括摄像机和位姿传感器。勘灾模式数据库用于存储若干种勘灾模式。勘灾模式包括山火勘灾模式、台风勘灾模式、冰雪勘灾模式、地质勘灾模式和洪涝勘灾模式。飞行航线数据库用于存储无人机的飞行航线。勘灾模式飞行航线关联数据库用于存储勘灾模式对应飞行航线的关联。控制指令库用于存储无人机的控制指令。
地面控制基站包括地面端5G/4G通信终端和地面站。
机载端5G/4G通信终端和地面端5G/4G通信终端通过物理接口与无人机设备相连，能够接入5G蜂窝网络；所属5G/4G通信终端终端按照R15 5G NSA/SA 协议标准，支持5G和4G两种网络模式，并能向下兼容LTE网络，能通过5G NR/LTE‐FDD/LTE‐TDD多个频段内置调制解调器进行大数据量的实时传输。
机载端5G/4G通信终端与差异化勘灾作业平台之间、机载端5G/4G通信终端和飞行控制器之间、机载端5G/4G通信终端和任务控制器之间、机载端5G/4G通信终端与地面端5G/4G通信终端之间能够建立5G/4G网络主链路和无线图传备份链路。云平台服务器与机载端5G/4G通信终端之间、云平台服务器与地面端5G/4G通信终端之间能够建立以太网备份链路。
如图2所示，根据上述系统的一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法，包括以下步骤：
（1）差异化勘灾作业平台智能划定灾害区域内的输电线廊，并通过搜索勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库获得任务航线。任务航线包括飞行航线和控制指令。
（2）机载端5G/4G通信终端与差异化勘灾作业平台之间、机载端5G/4G通信终端和飞行控制器之间、机载端5G/4G通信终端和任务控制器之间、机载端5G/4G通信终端与地面端5G/4G通信终端之间能够建立5G/4G网络主链路和无线图传备份链路。云平台服务器与机载端5G/4G通信终端之间、云平台服务器与地面端5G/4G通信终端之间能够建立以太网备份链路。
（3）任务航线通过5G/4G网络主链路或无线图传备份链路上传至地面站或无人机。
（4）无人机将任务航线分解为飞行航线和控制指令，飞行航线内包括飞行指令。无人机按照飞行航线执行飞行指令飞行。
（5）无人机依据采集勘灾输电线路的视频信息和无人机位姿信息，并生成全动态视频，全动态视频为任务数据。
（6）当无人机飞行在有5G蜂窝网信号覆盖区域时，通过5G/4G网络主链路实现差异化勘灾作业平台与无人机任务控制器的数据交互；当无人机处于无5G蜂窝网信号的地区时，差异化勘灾作业平台与地面站通过5G/4G网络主链路实现勘灾模式、飞行航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互，再通过无线图传备份链路实现任务控制器与地面站的数据交互；无人机终端与地面站均无5G蜂窝网络覆盖时，则通过以太网备份链路实现差异化勘灾作业平台与地面站的数据交互，再通过无线图传备份链路在地面站与飞行控制器间实现勘灾模式、航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互。
如图3所示，生成全动态视频包括以下步骤：
依据预设无人机位姿频率获取无人机位姿信息后生成基本元数据；
依据预设视频帧频率获取视频信息的视频帧；无人机位姿频率等于视频帧频率；
将基本元数据编码至视频流中所对应的视频帧中，同时，采用MISB（MotionImagery Standards Board）标准视频编码格式进行视频编码。
无人机位姿信息包括位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
全动态视频包括基本元数据字段，基本元数据字段包括Unix时间戳、传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域。传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域分别对应位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信的系统，其特征在于：包括无人机、云平台服务器和地面控制基站；
所述无人机包括用于输电线路灾情勘测的差异化勘灾作业平台、机载端5G/4G通信终端、任务控制器和飞行控制器；
所述差异化勘灾作业平台包括勘灾图像数据采集模块、勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库；所述勘灾图像数据采集模块用于采集勘灾输电线路走廊附近的视频信息和无人机位姿信息，并生成全动态视频；所述勘灾模式数据库用于存储若干种勘灾模式；所述飞行航线数据库用于存储无人机的飞行航线；所述勘灾模式飞行航线关联数据库用于存储勘灾模式对应飞行航线的关联；所述控制指令库用于存储无人机的控制指令；
所述地面控制基站包括地面端5G/4G通信终端和地面站；
所述机载端5G/4G通信终端与差异化勘灾作业平台之间、机载端5G/4G通信终端和飞行控制器之间、机载端5G/4G通信终端和任务控制器之间、机载端5G/4G通信终端与地面端5G/4G通信终端之间能够建立5G/4G网络主链路和无线图传备份链路；所述云平台服务器与机载端5G/4G通信终端之间、云平台服务器与地面端5G/4G通信终端之间能够建立以太网备份链路；所述5G/4G网络主链路、无线图传备份链路和以太网备份链路用于实时飞控数据和视频流数据与差异化勘灾作业平台进行交互；在有5G/4G信号覆盖的情况下使用5G/4G网络主链路，在无5G/4G信号覆盖的情况下使用无线图传备份链路和以太网备份链路；当无人机飞行在有5G蜂窝网信号覆盖区域时，通过5G/4G网络主链路实现差异化勘灾作业平台与无人机任务控制器的数据交互；当无人机处于无5G蜂窝网信号的地区时，差异化勘灾作业平台与地面站通过5G/4G网络主链路实现勘灾模式、飞行航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互，再通过无线图传备份链路实现任务控制器与地面站的数据交互；无人机终端与地面站均无5G蜂窝网络覆盖时，则通过以太网备份链路实现差异化勘灾作业平台与地面站的数据交互，再通过无线图传备份链路在地面站与飞行控制器间实现勘灾模式、航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互；
所述机载端5G/4G通信终端和地面端5G/4G通信终端通过物理接口与无人机设备相连，能够接入5G蜂窝网络；所属5G/4G通信终端按照R15 5G NSA/SA 协议标准，支持5G和4G两种网络模式，并能向下兼容LTE网络，能通过5G NR/LTE‐FDD/LTE‐TDD多个频段内置调制解调器进行大数据量的实时传输；
所述生成全动态视频包括以下步骤：
依据预设无人机位姿频率获取无人机位姿信息后生成基本元数据；
依据预设视频帧频率获取视频信息的视频帧；无人机位姿频率等于视频帧频率；
将基本元数据编码至视频流中所对应的视频帧中，同时，采用MISB标准视频编码格式进行视频编码。
2.根据权利要求1所述的一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信的系统，其特征在于：所述勘灾模式包括山火勘灾模式、台风勘灾模式、冰雪勘灾模式、地质勘灾模式和洪涝勘灾模式。
3.根据权利要求1所述的一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信的系统，其特征在于：所述勘灾图像数据采集模块包括摄像机和位姿传感器。
4.根据权利要求1所述的一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信的系统，其特征在于：所述无人机位姿信息包括位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
5.根据权利要求1所述的一种即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信的系统，其特征在于：全动态视频包括基本元数据字段，所述基本元数据字段包括Unix时间戳、传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域；所述传感器纬度、传感器经度、传感器高度、平台朝向、平台仰俯、平台滚动、传感器相对滚动、传感器相对高程、传感器相对方位角、水平视域、垂直视域分别对应位姿传感器的纬度、位姿传感器的经度、位姿传感器的高度、无人机平台朝向、无人机平台仰俯、无人机平台滚动、位姿传感器相对滚动、位姿传感器相对高程、位姿传感器相对方位角、摄像机水平视域、摄像机垂直视域。
6.根据权利要求1-5任意一种系统的即时勘察输电走廊附近自然灾害的无人机图传通信方法，包括以下步骤：
（1）差异化勘灾作业平台智能划定灾害区域内的输电线廊，并通过搜索勘灾模式数据库、飞行航线数据库、勘灾模式飞行航线关联数据库和控制指令库获得任务航线；所述任务航线包括飞行航线和控制指令；
（2）所述机载端5G/4G通信终端与差异化勘灾作业平台之间、机载端5G/4G通信终端和飞行控制器之间、机载端5G/4G通信终端和任务控制器之间、机载端5G/4G通信终端与地面端5G/4G通信终端之间能够建立5G/4G网络主链路和无线图传备份链路；所述云平台服务器与机载端5G/4G通信终端之间、云平台服务器与地面端5G/4G通信终端之间能够建立以太网备份链路；
（3）所述任务航线通过5G/4G网络主链路或无线图传备份链路上传至地面站或无人机；
（4）所述无人机将任务航线分解为飞行航线和控制指令，飞行航线内包括飞行指令；所述无人机按照飞行航线执行飞行指令飞行；
（5）所述无人机依据采集勘灾输电线路的视频信息和无人机位姿信息，并生成全动态视频，所述全动态视频为任务数据；
（6）当无人机飞行在有5G蜂窝网信号覆盖区域时，通过5G/4G网络主链路实现差异化勘灾作业平台与无人机任务控制器的数据交互；当无人机处于无5G蜂窝网信号的地区时，差异化勘灾作业平台与地面站通过5G/4G网络主链路实现勘灾模式、飞行航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互，再通过无线图传备份链路实现任务控制器与地面站的数据交互；无人机终端与地面站均无5G蜂窝网络覆盖时，则通过以太网备份链路实现差异化勘灾作业平台与地面站的数据交互，再通过无线图传备份链路在地面站与飞行控制器间实现勘灾模式、航线和控制指令的上行与任务数据、飞行数据的下行的数据交互。
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