CN115774418A - 可变信道的无人机飞行监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可变信道的无人机飞行监控方法及系统，方法包括：将地面站和无人机在MQTT服务器中注册；云平台通过该服务器经移动通信网络获取地面站和无人机的遥测信息判断地面站和无人机是否在线；当无人机和地面站都在线，云平台将指令通过该服务器由移动通信网络发送到无人机；当无人机离线，地面站在线，云平台将指令通过该服务器由移动通信网络发送到地面站，地面站使用无线链路把指令发送到无人机；云平台遥测信息的有/无确定发送指令的对象；飞行监控系统显示画面根据无人机和地面站的在线状态自动切换播放信道。本发明通过不同信道的切换，大幅度增强了对无人机飞行监控的可靠性，有效提高了对无人机的飞行监控的适应性。

Description

可变信道的无人机飞行监控方法及系统

技术领域

本发明涉及通信信道实时切换的方法和系统，具体是可变信道的无人机飞行监控方法及系统。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的非载人飞机，广泛地应用于当前社会的各种领域。例如，巡检、测绘、军事等领域。

在无人机执行相应任务时，无人机可以实时获取视频信息，并将视频信息传输至地面站，以供用户查看。通常在无人机和地面站上分别安装有专用的无线链路模块，通过无线链路模块实现无人机与地面站之间的数据传输。但是，无线链路模块的信号容易被遮挡，并且传输范围有限、数据传输的可靠性低。

5G网络作为新一代移动通信技术，是目前最新的蜂窝移动通信技术。5G网络的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。由于数据传输更快，5G网络不仅为手机提供服务，而且还将成为物联网通信的主要手段。

在通过5G移动通信对无人机进行飞行监控的现有技术中，大多都只是利用5G网络对无人机进行监控，没有将5G网络和传统的无线链路相结合。只通过5G网络对无人机进行监控的缺点在于，当5G网络的信号弱或根本没有信号的时候，无人机处于失联的状态，根本无法进行控制，而由于无人机飞行的区域大多在山区或无人居住的区域，各个运营商的信号在这样的地区无法保证信号的通畅，因此仅通过5G网络对无人机监控是不安全的。而传统的无线链路又有信号传输距离短，容易受到地形影响的因素。因此需要一种方式来解决上述不同通信方式各自的缺点，以对无人机的监控更加完善。

发明内容

本发明提供了一种可变信道的无人机飞行监控方法及系统，通过不同信道的切换增强对无人机飞行监控的可靠性，提高对无人机的飞行监控的适应性。

本发明可变信道的无人机飞行监控方法，包括步骤：

在飞行监控系统设有云平台、MQTT服务器（Message Queuing TelemetryTransport，消息队列遥测传输服务器）、地面站和无人机，所述地面站和无人机在所述MQTT服务器中注册并关联相关控制指令的主题；

所述云平台通过移动通信网络向MQTT服务器发送请求设备在线状态指令，再由MQTT服务器通过移动通信网络通过获取地面站和无人机由移动通信网络返回的遥测信息判断地面站和无人机是否在线，并将判断结果返回云平台；

如果无人机和地面站都处于在线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由移动通信网络发送到无人机，无人机接收到指令后，按指令执行相关动作，并通过移动通信网络向MQTT服务器返回执行结果，MQTT服务器将接收的执行结果返回给云平台；

如果无人机处于离线状态，地面站处于在线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由移动通信网络发送到地面站，地面站接收到指令后，使用无线链路把指令发送到无人机，无人机通过无线链路接收指令后执行相关动作，并通过无线链路向地面站返回执行结果，地面站再通过移动通信网络将所述执行结果通过MQTT服务器返回云平台；

云平台根据MQTT服务器接收的所述遥测信息的有/无，确定无人机和地面站的在线状态，对应选择发送指令的对象；

飞行监控系统的显示画面的传输信道根据无人机和地面站的在线状态进行对应的自动切换。

其中，所述信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路，用于传输信号。

所述飞行监控是无人机运行控制系统中重要的组成部分，它是指通过操作人员与无人机之间的双向通信联系，进行信息交换，包括有：无人机将最新的地理位置、飞机参数、监控画面以及任何可能影响飞行安全和有效运行的信息传递给操作人员；以及操作人员通过接收到的信息了解无人机的运行状态，进而发送对应的指挥控制指令控制无人机，从而使无人机安全的完成飞行任务。

本发明中所述的无人机包括了无人机本体和相应的载荷（如：摄像装置、雷达、吊舱等）。

本发明中的云平台是通过MQTT服务器与无人机和地面站进行通信的，同时也由MQTT服务器判断无人机和地面站的在线状态。MQTT服务器是基于Publish/Subscribe（发布订阅）模式的物联网通信协议，方便消息在传感器之间传递，MQTT协议精简，能够把数据传输量降到最低以提高传输效率，并且支持低带宽、高延迟、不稳定的网络。与传统的无人机无线链路传输相比，MQTT协议能够以极少的代码和有限的带宽，为无人机提供实时可靠的消息服务，而且支持多种传感器、模块、控制器等。并且，由于MQTT是专门针对低功耗目标而设计的，因此相比于其他通讯协议，使用MQTT协议的通讯功耗将大幅度降低。因此能够使无人机上通信模块轻量化、降低功耗。使用MQTT协议作为无人机指令发送的通信协议也是本发明区别于现有技术的其中一方面。

本发明先判断无人机和地面站的在线状态，如果都在线，云平台就通过MQTT服务器和移动通信网络直接与无人机通信，接收无人机返回的飞行监控数据和发送对无人机的指令。如果当移动通信网络的信号弱或没有信号，致使无人机离线与MQTT服务器断开连接，无人机则通过传统的无线链路将飞行监控数据发送给地面站，再由地面站通过移动通信网络发送给MQTT服务器和云平台，云平台和MQTT服务器也以相同的方式发送对无人机的指令。如果无人机离线，与地面站的无线链路又因为遮挡等原因无法传输数据，则无人机处于失联状态，云平台无法对无人机进行控制。由此便将传统的无人机无线链路通信与移动通信网络通信结合起来，提高了无人机的飞行监控的适应性和可靠性。

所述移动通信网络可以是3G、4G或5G通信网络，优选为5G通信网络。

另一方面，如果无人机处于在线状态，地面站处于离线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由移动通信网络发送到无人机，无人机接收到指令后，按指令执行相关动作，并通过移动通信网络向MQTT服务器返回执行结果，MQTT服务器再将所述执行结果发送给云平台，同时，云平台持续通过MQTT服务器判断是否接收到地面站返回的遥测信息，以判断地面站是否在线。

其中，MQTT服务器通过遥测信息确定地面站和无人机是否在线的一种具体方式为，是通过MQTT服务器的心跳协议，地面站和无人机分别持续的向MQTT服务器发送遥测信息，如果MQTT服务器在预设的时间段内没有收到地面站或无人机发送的遥测信息，则判断对应的地面站或无人机处于离线状态。例如地面站和无人向MQTT服务器发送遥测信息的频率可以为每秒2~3次。

进一步的，为了保证通信数据的稳定性和可靠性，在所述预设的时间段内，还包括MQTT服务器根据所述遥测信息的断开频率，判断对应信道的可靠性，云平台再根据各信道的可靠性选择指令的发送对象和信道。可以根据实际情况对各信道可靠性对应的遥测信息断开频率以及断开的时长的阈值进行相应的设置。

判断无人机在线状态的一种具体方式为，无人机通过移动通信网络持续使用WebSocket协议向MQTT服务器发送无人机的遥测信息给云平台，如果MQTT服务器在预设的时间段内没有收到无人机发送的遥测信息，则判断无人机处于离线状态。

另一方面，当无人机处于离线状态，地面站处于在线状态时，无人机通过无线链路持续将遥测信息发送给地面站，地面站通过移动通信网络使用WebSocket协议向MQTT服务器发送接收到的无人机的遥测信息，并由MQTT服务器将该遥测信息返回云平台。

进一步的，如果地面站没有接收到无人机通过无线链路发送的遥测信息，则不能向MQTT服务器转发遥测信息，当MQTT服务器在预设的时间段内没有收到地面站发送的遥测信息时，则判断地面站已离线。

另一方面，所述飞行监控系统的显示画面的传输信道，无人机和地面站发送的监控画面分别对应不同的URL地址，云平台通过判断无人机和地面站的在线状态，自动选择合适的URL地址进行播放；如果播放途中对应的播放对象变为离线状态，飞行监控系统则实时切换到在线状态的对象发送的URL地址继续播放，并以图传方式把接收到的视频裸流发送到Web浏览器，使用户通过Web浏览器查看无人机的实时监控画面。

通过自动切换不同的通信信道来进行飞行监控的显示，能够保证显示的实时性，并且也能够使用户通过任意Web浏览器查看无人机的实时监控画面。

在此基础上，还可以通过云平台对MQTT服务器发送指令的信道进行手动切换。使信道变换的方式和时间更加灵活，便于对无人机不同情况的飞行状态进行监控。

本发明还提供了一种用于上述可变信道的无人机飞行监控方法的系统，包括在飞行监控系统设有云平台、MQTT服务器、地面站和无人机，其中云平台和MQTT服务器通过移动通信网络连接，MQTT服务器通过移动通信网络分别与地面站和无人机连接，地面站通过无线链路与无人机连接。

本发明的有益效果包括：

1、通过对两种不同信道对无人机进行飞行监控，极大增加了数据传输的可靠性。

2、通过遥测信号判断无人机和地面站的在线状态，由此自动对两种信道进行切换，有效提高了飞行监控的灵活性。

3、使飞行监控的数据传输能够适应网络信号差、山区等恶劣环境，满足飞行监控系统实际运行环境的需求，明显提高了数据传输的环境适应性。

4、MQTT协议能够以极少的代码和有限的带宽，为无人机提供实时可靠的消息服务，支持多种传感器、模块、控制器等。

5、使用MQTT协议的通讯功耗将大幅度降低，能够使无人机上通信模块轻量化、降低功耗。

附图说明

图1为本发明可变信道的无人机飞行监控方法的流程图。

图2为图1的时序图。

图3为本发明可变信道的无人机飞行监控系统的框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本发明可变信道的无人机飞行监控方法，包括步骤：

在飞行监控系统设有云平台、MQTT服务器（消息队列遥测传输服务器）、地面站和无人机，所述地面站和无人机在所述MQTT服务器中注册并关联相关控制指令的主题；

所述云平台通过移动通信网络（本实施例中采用5G移动通信网络）向MQTT服务器发送请求设备在线状态指令，再由MQTT服务器通过5G移动通信网络通过获取地面站和无人机由5G移动通信网络返回的遥测信息判断地面站和无人机是否在线，并将判断结果返回云平台；

如果无人机和地面站都处于在线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由5G移动通信网络发送到无人机，无人机接收到指令后，按指令执行相关动作，并通过5G移动通信网络向MQTT服务器返回执行结果，MQTT服务器将接收的执行结果返回给云平台；

如果无人机处于离线状态，地面站处于在线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由5G移动通信网络发送到地面站，地面站接收到指令后，使用无线链路把指令发送到无人机，无人机通过无线链路接收指令后执行相关动作，并通过无线链路向地面站返回执行结果，地面站再通过5G移动通信网络将所述执行结果通过MQTT服务器返回云平台；

云平台根据MQTT服务器接收的所述遥测信息的有/无，确定无人机和地面站的在线状态，对应选择发送指令的对象；

飞行监控系统的显示画面的传输信道根据无人机和地面站的在线状态进行对应的自动切换。

其中，所述信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路，用于传输信号。

所述飞行监控是无人机运行控制系统中重要的组成部分，它是指通过操作人员与无人机之间的双向通信联系，进行信息交换，包括有：无人机将最新的地理位置、飞机参数、监控画面以及任何可能影响飞行安全和有效运行的信息传递给操作人员；以及操作人员通过接收到的信息了解无人机的运行状态，进而发送对应的指挥控制指令控制无人机，从而使无人机安全的完成飞行任务。

本发明中所述的无人机包括了无人机本体和相应的载荷（如：摄像装置、雷达、吊舱等）。

本发明中的云平台是通过MQTT服务器与无人机和地面站进行通信的，同时也由MQTT服务器判断无人机和地面站的在线状态。MQTT服务器是基于Publish/Subscribe（发布关联）模式的物联网通信协议，方便消息在传感器之间传递，MQTT协议精简，能够把数据传输量降到最低以提高传输效率，并且支持低带宽、高延迟、不稳定的网络。使用MQTT协议作为无人机指令发送的通信协议也是本发明区别于现有技术的其中一方面。

所述遥测信息包括但不限于飞行时间、飞机纬度、飞机经度、飞机高度、卫星数、GPS精度、空速、转速、油门指令、飞机俯仰角、偏航角、滚转角、主电压、飞行状态和航点序号等。

云平台向无人机发送的指令包括但不限于起飞、降落、快速飞行计划、航点跟踪、同步航线、吊舱状态控制、主输出切换、视场角锁定/解锁、框架角锁定/解锁等。

本发明先判断无人机和地面站的在线状态，如果都在线，云平台就通过MQTT服务器和5G移动通信网络直接与无人机通信，接收无人机返回的飞行监控数据和发送对无人机的指令。如果当5G移动通信网络的信号弱或没有信号，致使无人机离线与MQTT服务器断开连接，无人机则通过传统的无线链路将飞行监控数据发送给地面站，再由地面站通过5G移动通信网络发送给MQTT服务器和云平台，云平台和MQTT服务器也以相同的方式发送对无人机的指令。如果无人机离线，与地面站的无线链路又因为遮挡等原因无法传输数据，则无人机处于失联状态，云平台无法对无人机进行控制。由此便将传统的无人机无线链路通信与5G移动通信网络通信结合起来，提高了无人机的飞行监控的适应性和可靠性。

实施例2：

在实施例1的基础上，如果无人机处于在线状态，地面站处于离线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由5G移动通信网络发送到无人机，无人机接收到指令后，按指令执行相关动作，并通过5G移动通信网络向MQTT服务器返回执行结果，MQTT服务器再将所述执行结果发送给云平台，同时，云平台持续通过MQTT服务器判断是否接收到地面站返回的遥测信息，以判断地面站是否在线。

实施例3：

在上述实施例的基础上，MQTT服务器是通过MQTT服务器的心跳协议来接收所述遥测信息，以确定地面站和无人机是否在线。

地面站和无人机分别持续的向MQTT服务器发送遥测信息，如果MQTT服务器在预设的时间段内没有收到地面站或无人机发送的遥测信息，则判断对应的地面站或无人机处于离线状态。例如地面站和无人向MQTT服务器发送遥测信息的频率可以为每秒2~3次。

为了保证通信数据的稳定性和可靠性，在所述预设的时间段内，还包括MQTT服务器根据所述遥测信息的断开频率，判断对应信道的可靠性，云平台再根据各信道的可靠性选择指令的发送对象和信道。本实施例中根据实际情况对各信道可靠性对应的遥测信息断开频率以及断开的时长的阈值进行相应的设置。

实施例4：

在上述实施例的基础上，判断无人机在线状态的一种方式为，无人机通过5G移动通信网络持续使用WebSocket协议向MQTT服务器发送无人机的遥测信息给云平台，如果MQTT服务器在预设的时间段内没有收到无人机发送的遥测信息，则判断无人机处于离线状态。

当无人机处于离线状态，地面站处于在线状态时，无人机通过无线链路持续将遥测信息发送给地面站，地面站通过5G移动通信网络使用WebSocket协议向MQTT服务器发送接收到的无人机的遥测信息，并由MQTT服务器将该遥测信息返回云平台。

如果因为山体遮挡等原因，地面站没有接收到无人机通过无线链路发送的遥测信息，则不能向MQTT服务器转发遥测信息，当MQTT服务器在预设的时间段内没有收到地面站发送的遥测信息时，则判断地面站已离线。

实施例5：

在上述实施例的基础上，无人机和地面站发送的监控画面分别对应不同的URL地址，云平台通过判断无人机和地面站的在线状态，自动选择合适的URL地址进行播放；如果播放途中对应的播放对象变为离线状态，飞行监控系统则实时切换到在线状态的对象发送的URL地址继续播放，并以图传方式把接收到的视频裸流发送到Web浏览器，使用户通过Web浏览器查看无人机的实时监控画面。

通过自动切换不同的通信信道来进行飞行监控的显示，能够保证显示的实时性，并且也能够使用户通过任意Web浏览器查看无人机的实时监控画面。

还可以通过云平台对MQTT服务器发送指令的信道进行手动切换。使信道变换的方式和时间更加灵活，便于对无人机不同情况的飞行状态进行监控。

实施例6：

如图3所示，本发明还提供了一种用于上述实施例的可变信道的无人机飞行监控系统，包括在飞行监控系统设有云平台、MQTT服务器、地面站和无人机，其中云平台和MQTT服务器通过5G移动通信网络连接，MQTT服务器通过5G移动通信网络分别与地面站和无人机连接，地面站通过无线链路与无人机连接。通过该飞行监控系统运行上述实施例的方法，对无人机进行飞行监控和不同信道之间的切换。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做相关的变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，包括步骤：

在飞行监控系统设有云平台、MQTT服务器、地面站和无人机，所述地面站和无人机在所述MQTT服务器中注册并关联相关控制指令的主题；

所述云平台通过移动通信网络向MQTT服务器发送请求设备在线状态指令，再由MQTT服务器通过移动通信网络通过获取地面站和无人机由移动通信网络返回的遥测信息判断地面站和无人机是否在线，并将判断结果返回云平台；

如果无人机和地面站都处于在线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由移动通信网络发送到无人机，无人机接收到指令后，按指令执行相关动作，并通过移动通信网络向MQTT服务器返回执行结果，MQTT服务器将接收的执行结果返回给云平台；

如果无人机处于离线状态，地面站处于在线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由移动通信网络发送到地面站，地面站接收到指令后，使用无线链路把指令发送到无人机，无人机通过无线链路接收指令后执行相关动作，并通过无线链路向地面站返回执行结果，地面站再通过移动通信网络将所述执行结果通过MQTT服务器返回云平台；

云平台根据MQTT服务器接收的所述遥测信息的有/无，确定无人机和地面站的在线状态，对应选择发送指令的对象；

飞行监控系统的显示画面的传输信道根据无人机和地面站的在线状态进行对应的自动切换。

2.如权利要求1所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，如果无人机处于在线状态，地面站处于离线状态，云平台将指令通过MQTT服务器由移动通信网络发送到无人机，无人机接收到指令后，按指令执行相关动作，并通过移动通信网络向MQTT服务器返回执行结果，MQTT服务器再将所述执行结果发送给云平台，同时，云平台持续通过MQTT服务器判断是否接收到地面站返回的遥测信息，以判断地面站是否在线。

3.如权利要求1所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，MQTT服务器通过遥测信息确定地面站和无人机是否在线，是通过MQTT服务器的心跳协议，地面站和无人机分别持续的向MQTT服务器发送遥测信息，如果MQTT服务器在预设的时间段内没有收到地面站或无人机发送的遥测信息，则判断对应的地面站或无人机处于离线状态。

4.如权利要求3所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，在所述预设的时间段内，还包括MQTT服务器根据所述遥测信息的断开频率，判断对应信道的可靠性，云平台再根据各信道的可靠性选择指令的发送对象和信道。

5.如权利要求1所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，无人机通过移动通信网络持续使用WebSocket协议向MQTT服务器发送无人机的遥测信息给云平台，如果MQTT服务器在预设的时间段内没有收到无人机发送的遥测信息，则判断无人机处于离线状态。

6.如权利要求1所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，当无人机处于离线状态，地面站处于在线状态时，无人机通过无线链路持续将遥测信息发送给地面站，地面站通过移动通信网络使用WebSocket协议向MQTT服务器发送接收到的无人机的遥测信息，并由MQTT服务器将该遥测信息返回云平台。

7.如权利要求6所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，如果地面站没有接收到无人机通过无线链路发送的遥测信息，则不能向MQTT服务器转发遥测信息，当MQTT服务器在预设的时间段内没有收到地面站发送的遥测信息时，则判断地面站已离线。

8.如权利要求1所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，所述飞行监控系统的显示画面的传输信道，无人机和地面站发送的监控画面分别对应不同的URL地址，云平台通过判断无人机和地面站的在线状态，自动选择合适的URL地址进行播放；如果播放途中对应的播放对象变为离线状态，飞行监控系统则实时切换到在线状态的对象发送的URL地址继续播放，并以图传方式把接收到的视频裸流发送到Web浏览器，使用户通过Web浏览器查看无人机的实时监控画面。

9.如权利要求1至8之一所述可变信道的无人机飞行监控方法，其特征为，通过云平台对MQTT服务器发送指令的信道进行手动切换。

10.用于权利要求1至9之一所述可变信道的无人机飞行监控方法的系统，其特征为，在飞行监控系统设有云平台、MQTT服务器、地面站和无人机，其中云平台和MQTT服务器通过移动通信网络连接，MQTT服务器通过移动通信网络分别与地面站和无人机连接，地面站通过无线链路与无人机连接。

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