CN114189824A - 一种基于Lora通信的无人机通信方法及巡检无人机、系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人机巡检技术领域，具体涉及一种基于Lora通信的无人机通信方法及巡检无人机、系统。本发明的巡检无人机包括两个LoRa节点模块，分别为第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块；第一LoRa节点模块挂载在树莓派上，用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信；第一LoRa节点模块和LoRa森林基站使用0号信道；第二LoRa节点模块连接在RTK流动站上，用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机的定位；第二LoRa节点模块和RTK流动站的LoRa网关使用4号信道。如此，可以实现第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块不会互相干扰，两条数据链路采用的信道不同，不会冲突。

Description

一种基于Lora通信的无人机通信方法及巡检无人机、系统
技术领域
本发明属于无人机巡检技术领域，具体涉及一种基于Lora通信的无人机通信方法及巡检无人机、系统。
背景技术
在无人机应用场景中，往往通信节点密集、互相干扰严重。同时设备之间数据包随机性强，具有数据包冲突严重的特点。目前很多无人机项目采用WiFi技术来实现无人机通信数据链。WiFi技术非常成熟，带宽较大，适合做大带宽数据传输。但WiFi技术在无人机应用上还是有着很大的弊端，主要表现在：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
随着通信节点数量上升，通信数据包冲突愈发严重，通信性能呈指数下降；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
实测普通路由器只能同时连接十几台设备，并且不稳定、容易掉线；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
WiFi技术的传输距离有限，远不能达到巡检无人机的需要，需要寻找远距离传输射频方案。
近年来新出现的LoRa技术作为一种底层物理层射频技术获得了行业广泛的关注和认可。LoRa是一项低功耗广域网（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技术，它是一种物联网无线接入新技术，与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等现有成熟商用的无线技术相比，具有多种优势。同广泛采用的WiFi方案对比，LoRa技术有以下优点：（1）LoRa采用线性扩频调制技术，高达157dB的链路预算使其通信距离可达15km以上（与环境有关），空旷地方甚至更远，这是WiFi技术达不到的；（2）在建设和部署方面，LoRa技术基础网络搭建成本比WiFi更低；（3）功耗方面，LoRa接收电路10mA，休眠电流远低于WiFi，更适合无人机电池供电场景；（4）工作频段上，LoRa工作在433Mhz、868Mhz、915Mhz，分别是各个国家的免牌照频段，无需申请，成本更低。LoRa 也有其劣势，LoRa的传输速率较慢，最高只能到达数十kbps，且随着信号强度的降低通讯速率也会减慢。然而目前还未有一种基于LoRa的高效的无人机通信方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于Lora通信的无人机通信方法及巡检无人机、系统，具体技术方案如下：
一种基于Lora通信的无人机通信方法，包括以下步骤：
S1：无人机包括两个LoRa节点模块，分别为第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块；S2：第一LoRa节点模块挂载在树莓派上，用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信；第一LoRa节点模块和LoRa森林基站使用0 号信道；
S3：第二LoRa节点模块连接在RTK流动站上，用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机的定位；第二LoRa节点模块和RTK流动站的LoRa网关使用4 号信道。
一种基于Lora通信的巡检无人机，应用于所述的无人机通信方法，包括第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块、电流计、无人机飞行控制模块、温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机、树莓派；所述无人机飞行控制模块分别与电流计、第二LoRa节点模块、树莓派连接；所述树莓派与第一LoRa节点模块连接；
所述电流计用于采集无人机的电池电量、工作电流数据，并将采集的数据传输至无人机飞行控制模块；
所述第二LoRa节点模块用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机飞行控制模块上的RTK Rover精准定位；
所述第一LoRa节点模块用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信。
优选地，还包括温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机；所述温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机分别与树莓派连接；所述温度传感器用于采集巡检线路周围环境的温度数据，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述烟雾传感器用于采集巡检线路周围环境的烟雾数据，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述摄像头用于采集巡检线路周围的图像，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述舵机用于在无人机飞行控制模块的控制下调整调整无人机的飞行状态。
优选地，所述温度传感器采用DHT11温度传感器。
优选地，所述烟雾传感器采用MQ-2烟雾传感器。
优选地，所述第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块分别采用SX1278模组。
一种基于Lora通信的巡检系统，包括所述的巡检无人机，还包括LoRa网络设备手持机、搭载LoRa通信设备的无线充电装置、监测装置；所述监测装置与无线充电装置连接；所述巡检无人机、无线充电装置分别与LoRa网络设备手持机通信连接；所述巡检无人机与无线充电装置连接；
所述巡检无人机用于检测巡检线路是否出现异常，并将巡检的数据传输至LoRa网络设备手持机，所述LoRa网络设备手持机由地面巡检人员持有，用于接收巡检无人机的传输数据；所述搭载LoRa通信设备的无线充电装置设置在杆塔上，用于给巡检无人机适时供电；所述监测装置用于监测输电线路的电压、电流参数并将采集的数据通过LoRa通信的方式传输至LoRa网络设备手持机。
优选地，所述无线充电装置包括感应取电模块、电能传输模块、供电模块、控制模块、LoRa通信模块；所述感应取电模块、电能传输模块、供电模块依次连接；所述供电模块、LoRa通信模块分别与控制模块连接；所述监测装置与控制模块连接；所述感应取电模块用于从输电线路获取电能，并将获取的电能传输至电能传输模块；所述电能传输模块用于将感应取电模块获取的电能传输至供电模块；所述供电模块用于在控制模块的控制下给监测装置进行充电；所述LoRa通信模块用于实现监测装置与LoRa网络设备手持机的数据交互；所述控制模块用于采集监测装置的数据通过LoRa通信模块传输至LoRa网络设备手持机。
优选地，所述电能传输模块包括若干个中继线圈和绝缘子串，若干个所述中继线圈分别固定在绝缘子串中。
本发明的有益效果为：本发明的巡检无人机包括两个LoRa节点模块，分别为第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块；S2：第一LoRa节点模块挂载在树莓派上，用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信；第一LoRa节点模块和LoRa森林基站使用0 号信道；第二LoRa节点模块连接在RTK流动站上，用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机的定位；第二LoRa节点模块和RTK流动站的LoRa网关使用4 号信道。如此，可以实现第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块不会互相干扰，两条数据链路采用的信道不同，不会冲突。LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，相比传统的FSK调制，在传输相同的数据时通过扩频因子增加了一定倍数的数据量，从而达到降低误码率的要求，实现了高稳定性。此外它还兼顾了FSK调制所拥有的优秀性能，保持着低功耗特性，同时通信距离还有明显的增加，实现了低功耗和远距离的统一。
本发明的巡检无人机可以实时通过LoRa通信的方式将数据传输至地面巡检人员的LoRa网络设备手持机，提高了数据传输的有效性，避免了数据冲突，有效的将巡检险情数据传输至地面站以及获得精准定位，并将定位数据一并发至地面站。
本发明的巡检系统可以快速有效的获得险情数据，可以提高网络传输效率、降低能耗。同时覆盖范围广，可以将险情预告至15千米内的地面巡检人员，以便快速应对险情。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的巡检无人机的原理示意图；
图2为本发明的巡检系统的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
为了解决目前无人机中采用于Lora通信的传输速率慢、互相干扰的技术问题，本实施例提供了一种基于Lora通信的无人机通信方法，包括以下步骤：
S1：无人机包括两个LoRa节点模块，分别为第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块；S2：第一LoRa节点模块挂载在树莓派上，用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信；第一LoRa节点模块和LoRa森林基站使用0 号信道；
S3：第二LoRa节点模块连接在RTK流动站上，用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机的定位；第二LoRa节点模块和RTK流动站的LoRa网关使用4 号信道。
如此，可以实现第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块不会互相干扰，两条数据链路采用的信道不同，不会冲突。
为了解决目前无人机中采用于Lora通信的传输速率慢、互相干扰的技术问题，本实施例提供了一种基于Lora通信的巡检无人机，应用于所述的无人机通信方法，包括第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块、电流计、无人机飞行控制模块、温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机、树莓派；所述无人机飞行控制模块分别与电流计、第二LoRa节点模块、树莓派连接；所述树莓派与第一LoRa节点模块连接；
所述电流计用于采集无人机的电池电量、工作电流数据，并将采集的数据传输至无人机飞行控制模块；
所述第二LoRa节点模块用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机飞行控制模块上的RTK Rover精准定位；
所述第一LoRa节点模块用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信。
巡检无人机还包括温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机；所述温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机分别与树莓派连接；所述温度传感器用于采集巡检线路周围环境的温度数据，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述烟雾传感器用于采集巡检线路周围环境的烟雾数据，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述摄像头用于采集巡检线路周围的图像，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述舵机用于在无人机飞行控制模块的控制下调整调整无人机的飞行状态。其中，温度传感器采用DHT11温度传感器。烟雾传感器采用MQ-2烟雾传感器。第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块分别采用SX1278模组，具有以下优势：1）传输距离 ：高达157dB的链路预算使其通信距离可达15 km ；2）接收电流仅10 mA，睡眠电流200nA，大大降低了能源的消耗 ；3）支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大;4）可解调低于20dB的噪声，抗干扰能力强 ；5）LoRa 网络设备各个节点既可以作为发射设备，也可以作为接收设备，易于建设和部署。
本发明的巡检无人机的工作原理为：电流计实时采集巡检无人机的工作电流、电池电量的数据，并传输至无人机飞行控制模块以便无人机飞行控制模块判断是否需要对巡检无人机进行充电，无人机飞行控制模块通过第二LoRa节点模块从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机飞行控制模块上的RTK Rover精准定位；无人机飞行控制模块通过第一LoRa节点模块与森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到巡检无人机的通信，并通过第一LoRa节点模块将度传感器、烟雾传感器、摄像头采集的数据传输给地面站，以便地面巡检工作人员判断被巡检线路的险情。地面站可以是有LoRa通信功能的手持机。
为了解决目前无人机中采用于Lora通信的传输速率慢、互相干扰的技术问题，本实施例提供了一种基于Lora通信的巡检系统，包括所述的巡检无人机，还包括LoRa网络设备手持机、搭载LoRa通信设备的无线充电装置、监测装置；所述监测装置与无线充电装置连接；所述巡检无人机、无线充电装置分别与LoRa网络设备手持机通信连接；所述巡检无人机与无线充电装置连接；
所述巡检无人机用于检测巡检线路是否出现异常，并将巡检的数据传输至LoRa网络设备手持机，所述LoRa网络设备手持机由地面巡检人员持有，用于接收巡检无人机的传输数据；所述搭载LoRa通信设备的无线充电装置设置在杆塔上，用于给巡检无人机适时供电；所述监测装置用于监测输电线路的电压、电流参数并将采集的数据通过LoRa通信的方式传输至LoRa网络设备手持机。
其中，所述无线充电装置包括感应取电模块、电能传输模块、供电模块、控制模块、LoRa通信模块；所述感应取电模块、电能传输模块、供电模块依次连接；所述供电模块、LoRa通信模块分别与控制模块连接；所述监测装置与控制模块连接；所述感应取电模块用于从输电线路获取电能，并将获取的电能传输至电能传输模块；所述电能传输模块用于将感应取电模块获取的电能传输至供电模块；所述供电模块用于在控制模块的控制下给监测装置进行充电；所述LoRa通信模块用于实现监测装置与LoRa网络设备手持机的数据交互；所述控制模块用于采集监测装置的数据通过LoRa通信模块传输至LoRa网络设备手持机。感应取电模块包括取能电流传感器。
电能传输模块包括若干个中继线圈和绝缘子串，若干个所述中继线圈分别固定在绝缘子串中。电能传输模块还包括发射线圈、接收线圈，发射线圈、若干个中继线圈、接收线圈依次串联。供电模块与监测装置连接。通过绝缘子与中继线圈的一体化设计，将中继线圈固定在绝缘子串中，在考虑绝缘距离的同时又能实现无线电能的传输，一举两得，有效提高系统的稳定性。
本发明的巡检系统的工作原理为：地面巡检人员通过LoRa网络设备手持机接收到监测装置采集的数据，若是监测装置采集的数据异常，则对巡检无人机设定航线和起飞高度，旋翼巡检无人机垂直起飞，达到起飞高度后旋翼进行倾转，变为固定翼模式飞行。巡检无人机将自动识别电力设备及输电线路上的故障，一旦发现异常故障情况，即温度传感器采集的数据超过设定值或者烟雾传感器采集的数据超过设定值，旋翼巡检无人机由飞行模式变为旋停模式，并在故障处上空停留，对现场通过摄像头采集图像做细致观察分析。确认险情后，利用GPS卫星定位系统获取当前旋翼巡检无人机的地理坐标，即故障处的地理坐标，并将该地理坐标通过LoRa网络设备进行无线信号广播，提醒距离该无人机15km范围内的LoRa网络设备手持机持有者地面巡检人员注意险情。地面巡检人员收到广播信号后，可以通过无线图像传输，得到险情现场图像，进一步了解险情，做出应对措施。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种基于Lora通信的无人机通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：无人机包括两个LoRa节点模块，分别为第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块；S2：第一LoRa节点模块挂载在树莓派上，用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信；第一LoRa节点模块和LoRa森林基站使用0 号信道；
S3：第二LoRa节点模块连接在RTK流动站上，用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机的定位；第二LoRa节点模块和RTK流动站的LoRa网关使用4 号信道。
2.一种基于Lora通信的巡检无人机，其特征在于：应用于权利要求1所述的无人机通信方法，包括第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块、电流计、无人机飞行控制模块、温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机、树莓派；所述无人机飞行控制模块分别与电流计、第二LoRa节点模块、树莓派连接；所述树莓派与第一LoRa节点模块连接；
所述电流计用于采集无人机的电池电量、工作电流数据，并将采集的数据传输至无人机飞行控制模块；
所述第二LoRa节点模块用于从RTK基站获取RTK差分校准信息，以便实现无人机飞行控制模块上的RTK Rover精准定位；
所述第一LoRa节点模块用于完成和森林基站LoRa网关的数据交互，用于地面站到无人机的通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于Lora通信的巡检无人机，其特征在于：还包括温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机；所述温度传感器、烟雾传感器、摄像头、舵机分别与树莓派连接；所述温度传感器用于采集巡检线路周围环境的温度数据，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述烟雾传感器用于采集巡检线路周围环境的烟雾数据，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述摄像头用于采集巡检线路周围的图像，并将采集的数据通过树莓派、第一LoRa节点模块传输至地面站；所述舵机用于在无人机飞行控制模块的控制下调整调整无人机的飞行状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于Lora通信的巡检无人机，其特征在于：所述温度传感器采用DHT11温度传感器。
5.根据权利要求3所述的一种基于Lora通信的巡检无人机，其特征在于：所述烟雾传感器采用MQ-2烟雾传感器。
6.根据权利要求3所述的一种基于Lora通信的巡检无人机，其特征在于：所述第一LoRa节点模块、第二LoRa节点模块分别采用SX1278模组。
7.一种基于Lora通信的巡检系统，其特征在于：包括权利要求2-6任一所述的巡检无人机，还包括LoRa网络设备手持机、搭载LoRa通信设备的无线充电装置、监测装置；所述监测装置与无线充电装置连接；所述巡检无人机、无线充电装置分别与LoRa网络设备手持机通信连接；所述巡检无人机与无线充电装置连接；
所述巡检无人机用于检测巡检线路是否出现异常，并将巡检的数据传输至LoRa网络设备手持机，所述LoRa网络设备手持机由地面巡检人员持有，用于接收巡检无人机的传输数据；所述搭载LoRa通信设备的无线充电装置设置在杆塔上，用于给监测装置供电；所述监测装置用于监测输电线路的电压、电流参数并将采集的数据通过LoRa通信的方式传输至LoRa网络设备手持机。
8.根据权利要求6所述的一种基于Lora通信的巡检系统，其特征在于：所述无线充电装置包括感应取电模块、电能传输模块、供电模块、控制模块、LoRa通信模块；所述感应取电模块、电能传输模块、供电模块依次连接；所述供电模块、LoRa通信模块分别与控制模块连接；所述监测装置与控制模块连接；所述感应取电模块用于从输电线路获取电能，并将获取的电能传输至电能传输模块；所述电能传输模块用于将感应取电模块获取的电能传输至供电模块；所述供电模块用于在控制模块的控制下给监测装置进行充电；所述LoRa通信模块用于实现监测装置与LoRa网络设备手持机的数据交互；所述控制模块用于采集监测装置的数据通过LoRa通信模块传输至LoRa网络设备手持机。
9.根据权利要求8所述的一种基于Lora通信的巡检系统，其特征在于：所述电能传输模块包括若干个中继线圈和绝缘子串，若干个所述中继线圈分别固定在绝缘子串中。
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