CN115225683B - 一种无人机云台通信系统及云台通信数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种无人机云台通信系统及云台通信数据处理方法，涉及无人机云台通信的技术领域，通过为外部环境监视组件设置独立的通信模组，利用该通信模组建立无人机云台与地面站部分的通信连接，实现了两者的之间的数据交互，通信模组的引入，避免了无人机云台对无人机本身通信资源的占用，优化了无人机云台的通信连接方式，避免无人机自身通信单元通信压力大的现象发生，保证无人机的飞控性能和安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及无人机云台通信的技术领域，特别是涉及一种无人机云台通信系统及云台通信数据处理方法。
背景技术
无人机云台是无人机用于安装、固定摄像机等任务载荷的支撑设备。目前，无人机与地面站之间通过无人机自身内置的通信单元建立连接，若要建立无人机云台与地面站之间的通信连接，需要占用无人机自身的通信单元的处理通道，然而无人机内置的通信单元通信处理能力有限，无人机云台通信对通信单处理通道的“瓜分”可能引起无人机飞控性能下降，引发无人机安全事故。
现有技术中公开了一种无人机及其通信链路数据处理方法，通过无人机直接与服务器连接，并接受该服务器管理连接信息和通信数据，由服务器进行数据汇总和数据转发等数据处理，从而可以达到优化无人机的连接方式，并且无人机接受服务器会拦截所有地面站发往无人机的心跳数，以减轻无人机通信应答的心跳压力，提高了无人机的飞控系统性能和安全性，减少无人机安全事故发生，但在面向云台通信的信息数据时，无人机自身通信单元的通信压力仍较大。
发明内容
为解决在面向云台通信的信息数据时，无人机自身通信单元的通信压力大的问题，本发明提出一种无人机云台通信系统及云台通信数据处理方法，优化无人机云台通信连接方式，提高无人机飞控性能。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种无人机云台通信系统，包括：地面站部分及外部环境监视组件，所述外部环境监视组件设置于无人机上，地面站部分与外部环境监视组件通信连接，外部环境监视组件内设有云台，地面站部分与云台进行通信。
在本技术方案中，外部环境监视组件建立了无人机云台与地面站部分的通信连接，实现了两者的之间的数据交互，外部环境监视组件的引入，避免了无人机云台对无人机本身通信资源的占用，优化了无人机云台的通信连接方式，避免无人机自身通信单元通信压力大的现象发生，保证无人机的飞控性能。
优选地，所述地面站部分包括地面站及服务器，服务器与地面站双向通信连接，服务器与外部环境监视组件通过4G或WiFi连接。
优选地，所述外部环境监视组件包括：通信模组、云台控制板、图像采集装置及云台；
通信模组与地面站部分通信连接，接收地面站部分发出的姿态目标值，并发送至云台控制板；云台控制板将姿态目标值发送至云台，云台接收姿态目标值后进行处理操作，并向云台控制板反馈信息，转发至通信模组，通信模组接收反馈信息后，传输至地面站部分。
优选地，外部环境监视组件还包括图像采集装置，通信模组还接收地面站部分发出的图像采集控制命令，传输至图像采集装置，图像采集装置采集图像后传输至通信模组，通信模组接收图像后转发至地面站部分。
优选地，所述云台为三轴云台，三轴云台包括姿态板、偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，云台控制板将姿态目标值发送至云台的姿态板，云台的姿态板接收姿态目标值后进行处理，输出电流目标值分别传输至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板接收电流目标值处理后，分别输出三相电流驱动各自的电机旋转。
优选地，通信模组接收地面站部分发出的姿态目标值，通过串口协议发送至云台控制板，云台控制板解析串口协议，通过云台CAN总线将姿态目标值发送至云台的姿态板，并通过云台CAN总线接收来自于姿态板的反馈信息。
优选地，云台的姿态板接收姿态目标值后，运行姿态控制闭环算法，得到电流目标值，姿态板通过云台CAN总线输出电流目标值分别至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板接收电流目标值后，运行FOC算法分别输出三相电流驱动各自的电机旋转，且偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板通过云台CAN总线将电机机械角反馈传输至姿态板，姿态板将云台反馈信息整合，传输至云台控制板，云台控制板接收云台反馈信息后通过串口协议传输至通信模组，通信模组接收云台反馈信息，传输至地面站部分。
优选地，所述云台控制板内设有微处理器，微处理器上运行有云台控制板软件层级架构，包括驱动层、硬件抽象层及应用层，所述驱动层为微处理器的外设驱动，对寄存器操作进行封装，并提供接口供硬件抽象层调用；所述硬件抽象层将微处理器外设的具体需要进行抽象，并将抽象出来接口供应用层直接调用；所述应用层分为Boot-loader固件和APP固件，Boot-loader固件负责对APP固件在线升级，APP固件负责云台控制板的数据交互功能。
本申请还提出一种无人机云台通信数据处理方法，应用于所述的无人机云台通信系统，云台控制板与通信模组通过串口连接，通过串口发送与接收数据，其中，串口发送与接收数据的流程包括云台控制板主循环、定时终端服务程序流程及串口驱动，串口发送数据的流程具体为：
S11.通过云台控制板主循环将需要发送的数据写入到串口数据发送缓存中，设置定时中断服务程序为1ms,通过定时中断服务程序确定待发送的数据，将待发送的数据写入至串口驱动发送缓存中；
S12.基于串口驱动，通过DMA将待发送的数据发送至串口物理接口；
串口接收数据的流程具体为：
S21.基于串口驱动，通过DMA接收数据并存放至串口驱动接收缓存中，设置定时中断服务程序为1ms，通过定时中断服务程序查询确定已接收的数据，将已接收的数据复制至串口数据接收缓存中；
S22.基于云台控制板主循环读取并解析数据。
优选地，云台控制板与云台通过云台CAN总线连接，通过CAN总线发送与接收数据，其中，CAN总线发送与接收数据的流程包括云台控制板主循环与CAN驱动。
优选地，CAN总线发送数据的流程包括：
通过云台控制板主循环将待发送的CAN数据写入至CAN数据发送缓存，并调用CAN驱动检查CAN控制器发送是否空闲，若是，启动当前第一帧数据发送，否则，利用CAN发送中断服务程序查询确定CAN数据发送缓存中待发送的数据，通过CAN驱动启动下一帧数据的发送。
优选地，CAN总线接收数据的流程包括：
利用CAN接收中断服务程序将数据帧存入CAN数据接收缓存，并由云台控制板主循环读取并解析。
本申请还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时，实现无人机云台通信数据处理方法。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种无人机云台通信系统及云台通信数据处理方法，通过为外部环境监视组件设置独立的通信模组，通过该通信模组建立无人机云台与地面站部分的通信连接，实现了两者的之间的数据交互，独立通信模组的引入，避免了无人机云台对无人机本身通信资源的占用，优化了无人机云台的通信连接方式，避免无人机自身通信单元通信压力大的现象发生，保证无人机的飞控性能和安全性能。
附图说明
图1表示本发明实施例1中提出的无人机云台通信系统的结构图；
图2表示本发明实施例1中提出的由通信模组、云台控制板、图像采集装置及云台组成的外部环境监视组件的信息传输关系图；
图3表示本发明实施例2中提出的云台控制板软件层级架构图；
图4表示本发明实施例3中提出的云台控制板与通信模组通过串口进行数据发送与接收的示意图；
图5表示本发明实施例3中提出的云台控制板与云台通过云台CAN总线进行数据发送与接收的示意图；
其中，1-地面站部分；2-外部环境监视组件；201-云台。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
实施例1
在本实施例中，提出了一种无人机云台通信系统，该系统的整体结构图如图1所示，地面站部分1及外部环境监视组件2，外部环境监视组件2设置于无人机上，地面站部分1与外部环境监视组件2通信连接，外部环境监视组件2内设有云台201，地面站部分1可以与云台201进行通信。
外部环境监视组件2包括：通信模组、云台控制板、图像采集装置及云台；通信模组与地面站部分1通信连接，接收地面站部分1发出的姿态目标值，并发送至云台控制板；云台控制板将姿态目标值发送至云台201，云台201接收姿态目标值后进行处理操作，并向云台控制板反馈信息，转发至通信模组，通信模组接收反馈信息后，传输至地面站部分1。
整体上，外部环境监视组件2通过通信模组建立了无人机云台201与地面站部分1的通信连接，实现了两者的之间的数据交互，通信模组的引入，避免了无人机云台201对无人机本身通信资源的占用，优化了无人机云台201的通信连接方式，避免无人机自身通信单元通信压力大的现象发生，保证了无人机的飞控性能。
参见图1，地面站部分1包括地面站及服务器，服务器与外部环境监视组件2通过4G或WiFi连接。
外部环境监视组件2还包括图像采集装置，通信模组还接收地面站部分1发出的图像采集控制命令，传输至图像采集装置，图像采集装置采集图像后传输至通信模组，通信模组接收图像后转发至地面站部分1。
在本实施例中，云台201为三轴云台，参见图1，三轴云台包括姿态板、偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，云台控制板将姿态目标值发送至云台的姿态板，云台的姿态板接收姿态目标值后进行处理，输出电流目标值分别传输至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板接收电流目标值处理后，分别输出三相电流驱动各自的电机旋转。
具体的，通信模组接收地面站部分1发出的姿态目标值，通过串口协议发送至云台控制板，云台控制板解析串口协议，通过云台CAN总线将姿态目标值发送至云台的姿态板，并通过云台CAN总线接收来自于姿态板的反馈信息。
结合图2，云台201的姿态板接收姿态目标值后，运行姿态控制闭环算法，得到电流目标值，姿态板通过云台CAN总线输出电流目标值分别至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板接收电流目标值后，运行FOC算法分别输出三相电流驱动各自的电机旋转，且偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板通过云台CAN总线将电机机械角反馈传输至姿态板，姿态板将云台反馈信息整合，传输至云台控制板，云台控制板接收云台反馈信息后通过串口协议传输至通信模组，通信模组接收云台反馈信息，传输至地面站部分。在本实施例中，姿态控制闭环算法的具体过程为：偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板采集各自电机的机械角数据，并将机械角数据发送给姿态板，姿态板根据姿态数据及机械角数据计算出电流期望，并将电流期望发送至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板根据所述电流期望进行电流闭环控制，具体参考专利公开文件CN110362121A中公开的方法，此处不在赘述。另外，FOC算法即电机的控制算法，利用变频器控制电机，调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，控制电机的输出，是本领域常用的电机控制手段。
在本实施例中，图像采集装置为相机，通过以太网输出编码后的图像传输至通信模组。
本实施例中，无人机可以为无人驾驶载人航空器，其上设置有至少一个座椅、至少一个显示屏。
如图2所示，无人机云台通信系统还包括机载显示系统。具体来说，机载显示系统可以为一显示屏，机载显示系统与外部环境监视组件2可以通信连接。也就是说，与外部环境监视组件2的通信模组进行数据交互的有地面站部分1的服务器&地面站，还有机载显示系统。
在信息显示的需求下，通信模组可与机载显示系统进行通信，如在大型活动场馆内，通过无人机的机载显示系统显示广告信息和活动信息。当通过云台搭载的相机拍摄到图片后，可以通过通信模组将图像实时传输至显示屏。同理，用户操作显示屏的一些控制指令可以控制云台的姿态和相机的角度，以获取空中视角下更为全面的活动信息。具体的控制指令可以包括：横滚、俯仰、偏航的具体角度值；环绕拍摄；拍摄指定视角范围；自动对焦；触控对焦；捕获图片等等。当用户的控制指令为环绕拍摄或者指定视角范围拍摄时，相机自动根据控制指令进行旋转并拍摄图像。
实施例2
本实施例中，云台控制板内设有微处理器，微处理器上运行有云台控制板软件层级架构，包括驱动层、硬件抽象层及应用层。云台控制板软件运行于云台控制板的微处理器STM32F427上，使用C/C++/汇编语言混合编程，使用makefile组织工程，使用GCC交叉编译。云台控制板作为通信模组与云台姿态板之间的通信桥梁，实现两者的之间的数据交互。
图3表示云台控制板软件层级架构图，其中，驱动层为微处理器的外设驱动，对寄存器操作进行封装，并提供接口供硬件抽象层调用；所述硬件抽象层将微处理器外设的具体需要进行抽象，并将抽象出来接口供应用层直接调用；所述应用层分为Boot-loader固件和APP固件，Boot-loader固件负责对APP固件在线升级，APP固件负责云台控制板的数据交互功能。
实施例3
基于实施例1，云台控制板与通信模组通过串口连接，通过串口发送与接收数据，其中，串口发送与接收数据的流程包括云台控制板主循环、定时中断服务程序流程及串口驱动，参见图4，串口发送数据的流程具体为：
S11.通过云台控制板主循环将需要发送的数据写入到串口数据发送缓存中，设置定时中断服务程序为1ms,通过定时中断服务程序确定待发送的数据，将待发送的数据写入至串口驱动发送缓存中；
S12.基于串口驱动，通过DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问)将待发送的数据发送至串口物理接口；
串口接收数据的流程具体为：
S21.基于串口驱动，通过DMA接收数据并存放至串口驱动接收缓存中，设置定时中断服务程序为1ms，通过定时中断服务程序查询确定已接收的数据，将已接收的数据复制至串口数据接收缓存中；
S22.基于云台控制板主循环读取并解析数据。
云台控制板与云台通过云台CAN总线连接，通过CAN总线发送与接收数据，其中，CAN总线发送与接收数据的流程包括云台控制板主循环与CAN驱动，参见图5，CAN总线发送数据的流程包括：
通过云台控制板主循环将待发送的CAN数据写入至CAN数据发送缓存，并调用CAN驱动检查CAN控制器发送是否空闲，若是，启动当前第一帧数据发送，否则，利用CAN发送中断服务程序查询确定CAN数据发送缓存中待发送的数据，通过CAN驱动启动下一帧数据的发送；
CAN总线接收数据的流程包括：
利用CAN接收中断服务程序将数据帧存入CAN数据接收缓存，并由云台控制板主循环读取并解析。
实施例4
本实施例提出一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时，实现无人机云台通信数据处理方法。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种无人机云台通信系统，其特征在于，包括：地面站部分及外部环境监视组件，所述外部环境监视组件设置于无人机上，地面站部分与外部环境监视组件通信连接，外部环境监视组件内设有云台，地面站部分与云台进行通信；
所述外部环境监视组件包括：通信模组、云台控制板及云台；
通信模组与地面站部分通信连接，接收地面站部分发出的姿态目标值，并发送至云台控制板；云台控制板将姿态目标值发送至云台，云台接收姿态目标值后进行处理操作，并向云台控制板反馈信息，转发至通信模组，通信模组接收反馈信息后，传输至地面站部分；
所述云台为三轴云台，三轴云台包括姿态板、偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，云台控制板将姿态目标值发送至云台的姿态板，云台的姿态板接收姿态目标值后进行处理，输出电流目标值分别传输至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板接收电流目标值处理后，分别输出三相电流驱动各自的电机旋转。
2.根据权利要求1所述的无人机云台通信系统，其特征在于，所述地面站部分包括地面站及服务器，服务器与地面站双向通信连接，服务器与外部环境监视组件通过4G或WiFi连接。
3.根据权利要求1所述的无人机云台通信系统，其特征在于，外部环境监视组件还包括图像采集装置，通信模组还接收地面站部分发出的图像采集控制命令，传输至图像采集装置，图像采集装置采集图像后传输至通信模组，通信模组接收图像后转发至地面站部分。
4.根据权利要求1所述的无人机云台通信系统，其特征在于，通信模组接收地面站部分发出的姿态目标值，通过串口协议发送至云台控制板，云台控制板解析串口协议，通过云台CAN总线将姿态目标值发送至云台的姿态板，并通过云台CAN总线接收来自于姿态板的反馈信息。
5.根据权利要求4所述的无人机云台通信系统，其特征在于，云台的姿态板接收姿态目标值后，运行姿态控制闭环算法，得到电流目标值，姿态板通过云台CAN总线输出电流目标值分别至偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板，偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板接收电流目标值后，运行FOC算法分别输出三相电流驱动各自的电机旋转，且偏航电机板、横滚电机板及俯仰电机板通过云台CAN总线将电机机械角反馈传输至姿态板，姿态板将云台反馈信息整合，传输至云台控制板，云台控制板接收云台反馈信息后通过串口协议传输至通信模组，通信模组接收云台反馈信息，传输至地面站部分。
6.根据权利要求1所述的无人机云台通信系统，其特征在于，所述云台控制板内设有微处理器，微处理器上运行有云台控制板软件层级架构，包括驱动层、硬件抽象层及应用层，所述驱动层为微处理器的外设驱动，对寄存器操作进行封装，并提供接口供硬件抽象层调用；所述硬件抽象层将微处理器外设的具体需要进行抽象，并将抽象出来接口供应用层直接调用；所述应用层分为Boot-loader固件和APP固件，Boot-loader固件负责对APP固件在线升级，APP固件负责云台控制板的数据交互功能。
7.一种无人机云台通信数据处理方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的无人机云台通信系统，云台控制板与通信模组通过串口连接，通过串口发送与接收数据，其中，串口发送与接收数据的流程包括云台控制板主循环、定时中断服务程序流程及串口驱动，串口发送数据的流程具体为：
S11.通过云台控制板主循环将需要发送的数据写入到串口数据发送缓存中，设置定时中断服务程序为1ms,通过定时中断服务程序确定待发送的数据，将待发送的数据写入至串口驱动发送缓存中；
S12.基于串口驱动，通过DMA将待发送的数据发送至串口物理接口。
8.根据权利要求7所述的无人机云台通信数据处理方法，其特征在于，串口接收数据的流程具体为：
S21.基于串口驱动，通过DMA接收数据并存放至串口驱动接收缓存中，设置定时中断服务程序为1ms，通过定时中断服务程序查询确定已接收的数据，将已接收的数据复制至串口数据接收缓存中；
S22.基于云台控制板主循环读取并解析数据。
9.根据权利要求7或8所述的无人机云台通信数据处理方法，其特征在于，云台控制板与云台通过云台CAN总线连接，通过CAN总线发送与接收数据，其中，CAN总线发送与接收数据的流程包括云台控制板主循环与CAN驱动。
10.根据权利要求9所述的无人机云台通信数据处理方法，其特征在于，CAN总线发送数据的流程包括：
通过云台控制板主循环将待发送的CAN数据写入至CAN数据发送缓存，并调用CAN驱动检查CAN控制器发送是否空闲，若是，启动当前第一帧数据发送，否则，利用CAN发送中断服务程序查询确定CAN数据发送缓存中待发送的数据，通过CAN驱动启动下一帧数据的发送。
11.根据权利要求10所述的无人机云台通信数据处理方法，其特征在于，CAN总线接收数据的流程包括：
利用CAN接收中断服务程序将数据帧存入CAN数据接收缓存，并由云台控制板主循环读取并解析。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时，实现权利要求7所述的无人机云台通信数据处理方法。
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