CN114614880B - 一种低时延远距离的无人机信号中继系统 - Google Patents

Abstract

一种低时延远距离的无人机信号中继系统，包括穿越机、中继机和地面系统，穿越机、中继机和地面系统之间采用不同的无线收发通信模块；穿越机与地面系统之间的第一控制信号和第一图像信号直接无线传输，第一控制信号为地面系统向穿越机发射的控制信号，第一图像信号为穿越机向所述地面系统下发输送的视频信号；以及穿越机通过中继机将地面系统发射的第一控制信号中继无线传输、或者穿越机将下发的第一图像信号通过中继机调制成第二图像信号并下发至地面系统；中继机与地面系统之间的第二控制信号和第三图像信号直接无线传输，第二控制信号为地面系统向中继机发射的控制信号，第三图像信号为中继机向地面系统下发输送的视频信号。

Description

一种低时延远距离的无人机信号中继系统

【技术领域】

本发明涉及无人机控制技术，尤其是一种低时延远距离的无人机信号中继系统。

【背景技术】

无人机能够遥控飞行或自主飞行，由于其具有灵活、成本低等优势而被广泛应用。目前市场上的无人机，一般利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作；都在视距范围内飞行，飞行距离短。

但是，随着无人机的发展，衍生出一种新的飞控模式的穿越机，其特点是缺乏自主巡航能力，允许飞手和观众通过无人机镜头实时观看或控制飞行竞速过程，能够对现场环境进行实时感知，因此，更倾向于将其归为航模。穿越机的工作原理主要是飞机动力部分的电调和电机、飞控的CPU计算等，与常见的摄影无人机不同，穿越机最高时速可达230公里，从1公里到100公里的加速不到1秒；技术上涉及空气动力、软件、电子工程等学科，对飞手的临场反应与操控技巧要求极高。由于速度极快，穿越机也被称为“空中F1”，而FPV(第一人称视角)系统的存在，允许飞手和观众通过无人机镜头实时观看飞行竞速过程，体验坐在驾驶舱内的感觉。

因此，穿越机是一种飞行机动性能极强的无人机，可以进行很复杂的空中动作。近来已经开始有使用穿越机作为侦查和打击的手段，在空中侦查还是比较容易实现，因为不会受到信号遮挡的影响。而近地打击，则需要操作穿越机降低高度到接近地面的打击目标，这时候，就容易受到环境遮挡影响而导致信号丢失，无法操作穿越机，这对于飞行速度极快、以及飞机飞行姿态变化很快的穿越机来说是非常致命，这样的延时会导致飞机实际状态及位置严重滞后，极其容易导致飞机撞障碍物等。

在这种情况下，迫切需要一种中继方式，尽可能避免对穿越机的通讯影响是亟待解决的技术问题。

【发明内容】

本发明通过数据链路传输上采用低时延中继，提供一种避免多设备之间的图像串路、增加图像传输距离，解决最后一段距离的信号遮挡问题，有效提供高清数字图像和降低高清图像传输的时延，使得飞机真实画面能够快速的实时传递和为操控者获取宝贵的决策时间，保证通讯信号更加稳定的低时延远距离的无人机信号中继系统。

为达到上述明目的，采用的技术方案如下：

一种低时延远距离的无人机信号中继系统，包括穿越机、中继机和地面系统，所述中继机用于所述穿越机与所述地面系统之间控制信号和图像信号的相互通讯；还包括：

所述穿越机、所述中继机和所述地面系统之间采用不同的无线收发通信模块；

所述穿越机与所述地面系统之间的第一控制信号和第一图像信号直接无线传输，所述第一控制信号为所述地面系统向所述穿越机发射的控制信号，所述第一图像信号为所述穿越机向所述地面系统下发输送的视频信号；

以及所述穿越机通过所述中继机将所述地面系统发射的第一控制信号中继无线传输、或者所述穿越机将下发的第一图像信号通过所述中继机调制成第二图像信号并下发至所述地面系统；

所述中继机与所述地面系统之间的第二控制信号和第三图像信号直接无线传输，所述第二控制信号为所述地面系统向所述中继机发射的控制信号，所述第三图像信号为所述中继机向所述地面系统下发输送的视频信号；

所述第一控制信号与所述第二控制信号的信号频率相同或不同，所述第一控制信号、所述第一图像信号、所述第二图像信号和所述第三图像信号的信号频率互不相同，所述第二控制信号、所述第一图像信号、所述第二图像信号和所述第三图像信号的信号频率互不相同。

优选地，所述穿越机包括第一电源电池系统、第一模拟摄像头、第一穿越FM发射机、第一穿越发射天线、第一穿越接收天线、第一穿越数传接收模块、第一穿越飞行控制器和第一穿越电调与电机，所述第一电源电池系统用于该穿越机整机的电源供给；

所述第一模拟摄像头通过所述第一穿越FM发射机和所述第一穿越发射天线将所述穿越机拍摄的第一图像信号直接无线传输，所述第一穿越发射天线通过所述中继机或者直接向所述地面系统下发输送第一图像信号；

所述第一穿越接收天线通过所述中继机或者直接从所述地面系统接收第一控制信号、并将第一控制信号依次经过所述第一穿越数传接收模块、所述第一穿越飞行控制器转换调制后通过所述第一穿越电调与电机来控制该穿越机整机的飞行及控制。

优选地，所述中继机包括第二电源电池系统、第一中继接收天线、第一中继FM接收机、第一中继FM发射机、第一中继发射天线、第二模拟摄像头、第二中继FM发射机、第二中继发射天线、第二中继收发天线、第二中继数传收发模块、第二中继飞行控制器和第二中继电调与电机，所述第二电源电池系统用于该中继机整机的电源供给；

所述第一中继接收天线接收所述穿越机的第一图像信号、并依次通过第一中继FM接收机和第一中继FM发射机后调制成第二图像信号后通过第一中继发射天线下发至所述地面系统；

所述第二模拟摄像头通过所述第二中继FM发射机、所述第二中继发射天线将所述中继机拍摄的第三图像信号直接向所述地面系统无线传输；

所述第二中继收发天线用于接收所述地面系统发射的第一控制信号和第二控制信号，并将第一控制信号经第二中继数传收发模块转发后经过所述第二中继收发天线发送至所述穿越机，所述第二控制信号经第二中继数传收发模块转发后经过第二中继飞行控制器和第二中继电调与电机来控制该中继机整机的飞行及控制。

优选地，所述第一控制信号和所述第二控制信号的频率相同。

优选地，所述地面系统包括第三电源电池系统、第一地面接收天线、第一地面FM接收机、第二地面接收天线、第二地面FM接收机、信号切换器、第一显示器、第三地面接收天线、第三地面FM接收机、第二显示器、第一遥控器、第二遥控器、地面数传发射模块和地面发射天线，所述第三电源电池系统用于该地面系统的电源供给；

所述第一地面接收天线用于接收所述穿越机的第一图像信号、并通过第一地面FM接收机转发至所述信号切换器，所述第二地面接收天线用于接收所述中继机的第二图像信号、并通过所述第二地面FM接收机转发至所述信号切换器，所述信号切换器将接收到第一图像信号或\和第二图像信号进行选取后发送至所述第一显示器投射显示，所述第三地面接收天线用于接收所述中继机的第三图像信号、并通过第三地面FM接收机发送至所述第二显示器投射显示；

所述第一遥控器将第一控制信号、所述第二遥控器将第二控制信号分别通过所述地面数传发射模块和所述地面发射天线发送至所述中继机或直接将第一控制信号发送至所述穿越机。

本发明的优点：

本发明的穿越机上提供数据链路上的低时延中继，解决穿越机最后一段距离的信号遮挡问题，提高穿越机的控制操作距离，受到遮挡时，仍能正常操作穿越机；而且，穿越机上的高清数字图像传输系统发射端，通过模拟摄像头、FM发射机以及无线模块组成的图像传输系统，实现了高清视频的传输，以及不同信号采用不同的传输频率，避免了多设备间图像串路的发生，使得飞机真实画面能够更加快的传递到遥控人员端，为操控人员获提供宝贵的决策时间。

【说明书附图】

图1为本发明的系统结构原理图；

图2为本发明穿越机的系统结构原理图；

图3为本发明中继机的系统结构原理图；

图4为本发明地面系统的系统结构原理图；

图5为本发明视频信号的流程示意图；

图6为本发明遥控器信号的流程示意图。

【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，所描述的实施例仅仅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。

在发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

下面通过具体实例对本发明的内容作进一步的说明。

一种低时延远距离的无人机信号中继系统，如图1至图6所示，包括穿越机1、中继机2和地面系统3，中继机2用于穿越机1与地面系统3之间控制信号和图像信号的相互通讯；该穿越机1、中继机2和地面系统3之间采用不同的无线收发通信模块；在穿越机1与地面系统3之间的第一控制信号4和第一图像信号5直接无线传输，该第一控制信号4为地面系统3向穿越机1发射的控制信号，该第一图像信号5为穿越机1向地面系统3下发输送的视频信号；该穿越机1通过中继机2将地面系统3发射的第一控制信号4中继无线传输、或者该穿越机1将下发的第一图像信号5通过中继机2调制成第二图像信号7并下发至地面系统3；中继机2与地面系统3之间的第二控制信号6和第三图像信号8直接无线传输，该第二控制信号6为地面系统3向中继机2发射的控制信号，该第三图像信号8为中继机2向地面系统3下发输送的视频信号；如图1所示的整个系统架构，各个部分使用不用的无线收发通信模块，以达到整体系统的低时延中继效果，总共需要使用到的无线频率有4个，其中，第一控制信号4与第二控制信号6的信号频率相同，该第一控制信号4、第一图像信号5、第二图像信号7和第三图像信号8的信号频率互不相同，否则会相互干扰影响系统性能，第一控制信号4、第一图像信号5、第二图像信号7和第三图像信号8的信号频率分别是fc、fv1、fv2、fv3，这4个频率互不相同。

如图1和图2所示，该穿越机1包括第一电源电池系统10、第一模拟摄像头11、第一穿越FM发射机12、第一穿越发射天线13、第一穿越接收天线14、第一穿越数传接收模块15、第一穿越飞行控制器16和第一穿越电调与电机17，第一电源电池系统10用于该穿越机1整机的电源供给；该第一模拟摄像头11通过第一穿越FM发射机12和第一穿越发射天线13将穿越机1拍摄的第一图像信号5直接无线传输，该第一穿越发射天线13通过中继机2或者直接向地面系统3下发输送第一图像信号5；该第一穿越接收天线14通过中继机2或者直接从地面系统3接收第一控制信号4、并将第一控制信号4依次经过第一穿越数传接收模块15、述第一穿越飞行控制器16转换调制后通过第一穿越电调与电机17来控制该穿越机1整机的飞行及控制。如图2所示的穿越机1系统。第一模拟摄像头11是安装在该穿越机1上的第一视角视频源，用于给飞行员1观看的，其输出的模拟视频信号，连接到FM调制的第一穿越FM发射机12，把视频信号调制到频率为fv1的载波上，然后通过第一穿越发射天线13发射出去。第一穿越数传接收模块15负责接收从中继机2转的或者地面系统3直通的数字控制信号，把解析出的控制信号输出给第一穿越飞行控制器16，第一穿越飞行控制器16再控制电机旋转；该第一穿越数传接收模块15工作在fc频率上。

如图1和图3所示，该中继机2包括第二电源电池系统20、第一中继接收天线21、第一中继FM接收机22、第一中继FM发射机23、第一中继发射天线24、第二模拟摄像头25、第二中继FM发射机26、第二中继发射天线27、第二中继收发天线28、第二中继数传收发模块29、第二中继飞行控制器29’和第二中继电调与电机29”，该第二电源电池系统20用于该中继机2整机的电源供给。

继续如图1和图3所示，该第一中继接收天线21接收穿越机1的第一图像信号5、并依次通过第一中继FM接收机22和第一中继FM发射机23后调制成第二图像信号7后通过第一中继发射天线24下发至所述地面系统3，该第二模拟摄像头25通过第二中继FM发射机26、第二中继发射天线27将中继机2拍摄的第三图像信号8直接向地面系统3无线传输；该第二中继收发天线28用于接收地面系统3发射的第一控制信号4和第二控制信号6，并将第一控制信号4经第二中继数传收发模块29转发后经过第二中继收发天线28发送至穿越机1，该第二控制信号6经第二中继数传收发模块29转发后经过第二中继飞行控制器29’和第二中继电调与电机29”来控制该中继机2整机的飞行及控制，其中，第一控制信号4和所述第二控制信号6的频率相同。

如图3所示的中继机系统，第二模拟摄像头25是安装在该中继机2上的第一视角视频源，用于给飞行员2观看的，其输出的模拟视频信号，连接到FM调制的第二中继FM发射机26，把视频信号调制到频率为fv3的载波上，然后通过第二中继发射天线27发射出去。第二中继数传收发模块29负责接收从地面系统3发送来的数字控制信号，其中分别包括穿越机1的第一控制信号4和中继机2的第二控制信号6，如果是穿越机1的第一控制信号4，则把数据再转发一次，如果是自身中继机2的第二控制信号6，则直接解析输出给第二中继飞行控制器29’，由第二中继飞行控制器29’再控制电机旋转。第二中继数传收发模块29工作在fc频率上，与穿越机1的和地面系统3的相匹配；另外中继机2上还有一个频率为fv1的第一中继FM接收机22，负责接收来自穿越机1的第一图像信号5，把视频信号解析出来后，再输入到频率为fv2的第一中继FM发射机23，把这个视频信号再发射出去，此时视频信号从原来的fv1变为fv2。

如图1、图4和图6所示，该地面系统3包括第三电源电池系统30、第一地面接收天线31、第一地面FM接收机32、第二地面接收天线33、第二地面FM接收机34、信号切换器35、第一显示器36、第三地面接收天线37、第三地面FM接收机38、第二显示器39、第一遥控器40、第二遥控器41、地面数传发射模块42和地面发射天线43，该第三电源电池系统30用于该地面系统3的电源供给。

继续如图1、图4和图6所示，该第一地面接收天线31用于接收穿越机1的第一图像信号5、并通过第一地面FM接收机32转发至信号切换器35，该第二地面接收天线33用于接收中继机2的第二图像信号7、并通过第二地面FM接收机34转发至信号切换器35，该信号切换器35将接收到第一图像信号5或第二图像信号7、进行信号强度比较后，选取强信号发送至第一显示器36投射显示；该第三地面接收天线37用于接收该中继机2的第三图像信号8、并通过第三地面FM接收机38发送至第二显示器39投射显示；操作时，该第一遥控器40将第一控制信号4、该第二遥控器41将第二控制信号6分别通过地面数传发射模块42和地面发射天线43发送至中继机2，或直接将第一控制信号4发送至穿越机1。

如图4所示的地面系统，频率分别为fv1、fv2的第一地面FM接收机32和第二地面FM接收机34，负责接收穿越机1的fv1视频信号(即第一图像信号5)，以及从中继机2做了频率变换的fv2视频信号(即第二图像信号7)，同时解调这两路视频信号，然后输出给信号切换器35，切换器根据两路信号的实时信号强度，选择最佳的作为最后输出到第一显示器36的信号源，供飞行员1观看。第一显示器36显示的视频，则对应到穿越机1上的中v模拟摄像头，其整体时延基本是0ms，因为使用的都是模拟调制，都是纯硬件电路上的信号电平变换操作，不涉及到数字电路上的数据缓存等会引入时延的操作。

继续如图4所示的地面系统，频率为fv3的第三地面FM接收机38，负责接收中继机2的fv3视频信号(即第三图像信号8)，解调出图像信号并输出到第二显示器39，供飞行员2观看。如图4和图6所示，该地面系统3中还包含了第一遥控器40和第二遥控器41，第一遥控器40和第二遥控器41分别对应由飞行员1和飞行员2控制，这两个遥控器的信号输出到地面数传发射模块42中，地面数传发射模块42会把这两个遥控器的数据合并成一个数据包然后通过地面发射天线43发射出去。

穿越机、中继机和地面系统三个部分一起联合工作，即可达到在地面系统，飞行员1控制穿越机的飞行，飞行员2控制中继机的飞行。由于地面系统具有fv1、fv2、fv3的信号接收能力，因此即使中继机损坏了，或者没有启动，整个系统也能通过fv1和数传模块，直接观看穿越机的视频和控制穿越机，只是此时不具有中继的功能，会受遮挡影响。当中继机能正常工作，提供中继信号时，例如中继机在5km远处的A点，50米高悬停，那么穿越机即可在A点附近的地面上自由行动，行动中不会受到这5km间的建筑物遮挡影响，保持信号流畅。

具体实施中，地面系统与中继机之间是使用定向天线，可以极大地提高地面系统与中继机的通信距离；另外由于穿越机和中继机之间的方向是不容易确定的，所以两者身上使用的都是全向天线，可以稳定保障2km的通信效果，即可达到远距离的中继效果，例如穿越机与中继机一起飞出去5km的A点执行任务，中继机到达后，在空中悬停，穿越机即可在A点附近低空执行侦查或者打击任务。

以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，除了具体实施例中列举的情况外；凡依本发明之方法及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低时延远距离的无人机信号中继系统，其特征在于，包括穿越机、中继机和地面系统，所述中继机用于所述穿越机与所述地面系统之间控制信号和图像信号的相互通讯；还包括：

所述穿越机、所述中继机和所述地面系统之间采用不同的无线收发通信模块；

所述穿越机与所述地面系统之间的第一控制信号和第一图像信号直接无线传输，所述第一控制信号为所述地面系统向所述穿越机发射的控制信号，所述第一图像信号为所述穿越机向所述地面系统下发输送的视频信号；

以及所述穿越机通过所述中继机将所述地面系统发射的第一控制信号中继无线传输、或者所述穿越机将下发的第一图像信号通过所述中继机调制成第二图像信号并下发至所述地面系统；

所述中继机与所述地面系统之间的第二控制信号和第三图像信号直接无线传输，所述第二控制信号为所述地面系统向所述中继机发射的控制信号，所述第三图像信号为所述中继机向所述地面系统下发输送的视频信号；

所述第一控制信号与所述第二控制信号的信号频率相同或不同，所述第一控制信号、所述第一图像信号、所述第二图像信号和所述第三图像信号的信号频率互不相同，所述第二控制信号、所述第一图像信号、所述第二图像信号和所述第三图像信号的信号频率互不相同；

所述穿越机包括第一电源电池系统、第一模拟摄像头、第一穿越FM发射机、第一穿越发射天线、第一穿越接收天线、第一穿越数传接收模块、第一穿越飞行控制器和第一穿越电调与电机，所述第一电源电池系统用于该穿越机整机的电源供给；

所述第一模拟摄像头通过所述第一穿越FM发射机和所述第一穿越发射天线将所述穿越机拍摄的第一图像信号直接无线传输，所述第一穿越发射天线通过所述中继机或者直接向所述地面系统下发输送第一图像信号；

所述第一穿越接收天线通过所述中继机或者直接从所述地面系统接收第一控制信号、并将第一控制信号依次经过所述第一穿越数传接收模块、所述第一穿越飞行控制器转换调制后通过所述第一穿越电调与电机来控制该穿越机整机的飞行及控制。

2.根据权利要求1所述的一种低时延远距离的无人机信号中继系统，其特征在于，所述中继机包括第二电源电池系统、第一中继接收天线、第一中继FM接收机、第一中继FM发射机、第一中继发射天线、第二模拟摄像头、第二中继FM发射机、第二中继发射天线、第二中继收发天线、第二中继数传收发模块、第二中继飞行控制器和第二中继电调与电机，所述第二电源电池系统用于该中继机整机的电源供给；

所述第一中继接收天线接收所述穿越机的第一图像信号、并依次通过第一中继FM接收机和第一中继FM发射机后调制成第二图像信号后通过第一中继发射天线下发至所述地面系统；

所述第二模拟摄像头通过所述第二中继FM发射机、所述第二中继发射天线将所述中继机拍摄的第三图像信号直接向所述地面系统无线传输；

所述第二中继收发天线用于接收所述地面系统发射的第一控制信号和第二控制信号，并将第一控制信号经第二中继数传收发模块转发后经过所述第二中继收发天线发送至所述穿越机，所述第二控制信号经第二中继数传收发模块转发后经过第二中继飞行控制器和第二中继电调与电机来控制该中继机整机的飞行及控制。

3.根据权利要求2所述的一种低时延远距离的无人机信号中继系统，其特征在于，所述第一控制信号和所述第二控制信号的频率相同。

4.根据权利要求1所述的一种低时延远距离的无人机信号中继系统，其特征在于，所述地面系统包括第三电源电池系统、第一地面接收天线、第一地面FM接收机、第二地面接收天线、第二地面FM接收机、信号切换器、第一显示器、第三地面接收天线、第三地面FM接收机、第二显示器、第一遥控器、第二遥控器、地面数传发射模块和地面发射天线，所述第三电源电池系统用于该地面系统的电源供给；

所述第一地面接收天线用于接收所述穿越机的第一图像信号、并通过第一地面FM接收机转发至所述信号切换器，所述第二地面接收天线用于接收所述中继机的第二图像信号、并通过所述第二地面FM接收机转发至所述信号切换器，所述信号切换器将接收到第一图像信号或\和第二图像信号进行选取后发送至所述第一显示器投射显示，所述第三地面接收天线用于接收所述中继机的第三图像信号、并通过第三地面FM接收机发送至所述第二显示器投射显示；

所述第一遥控器将第一控制信号、所述第二遥控器将第二控制信号分别通过所述地面数传发射模块和所述地面发射天线发送至所述中继机或直接将第一控制信号发送至所述穿越机。

Images