CN116631173A - 一种多终端协同的无人船远程遥控方法及系统 - Google Patents

一种多终端协同的无人船远程遥控方法及系统 Download PDF

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CN116631173A CN202310435270.4A CN202310435270A CN116631173A CN 116631173 A CN116631173 A CN 116631173A CN 202310435270 A CN202310435270 A CN 202310435270A CN 116631173 A CN116631173 A CN 116631173A
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孙永众
王茜
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Abstract

本申请涉及一种多终端协同的无人船远程遥控方法及系统，属于无线遥控领域。其中系统包括：用户端模块和用户端控制的无人船模块，用户端模块包括控制单元、发射单元；控制单元，将控制指令发送至发射单元；发射单元，接收来自控制单元的控制指令，并将控制指令传输给无人船模块；无人船模块包括接收单元、船载计算机单元、电动机单元；接收单元，接收来自发射单元的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元；船载计算机单元，将接收后的控制指令转化为操作指令控制电动机单元驱动以实现对无人船的操作。本申请可以解决目前传输距离短、通信不稳定的问题，并实现通过遥控器和电脑、手机等其它通信终端来协同远程控制无人船的功能。

Description

一种多终端协同的无人船远程遥控方法及系统
技术领域
本申请涉及一种多终端协同的无人船远程遥控方法及系统，属于无线遥控领域。
背景技术
无线电波在水面上的通信特性与在陆地上的通信特性有很大不同。由于无人船体积小，天线安装位置低，发射的无线电波会被一些小障碍物和波浪反射，造成多径效应干扰信号。虽然与地面相比，水面上的障碍物很少，绕射损耗减少，但信号反射波造成的影响会变大。此外，水面温度、湿度等环境因素也会造成不同程度的信号衰减。
目前无人船通常采用传统方式2.4 G遥控器，其具有价格便宜，功能实用，技术成熟等优点。但受水面反射波干扰，其通信距离通常只有0.3至0.5千米，较短的通信距离极大地限制了无人船的遥控范围。因此，增加遥控器与水面无人船之间的通信距离，对于拓展无人船的应用领域具有重要价值。同时，随着无人船技术的发展，通过电脑端软件或手机端应用程序对无人船进行远程控制也得到越来越普遍的应用。很多用户希望无人船既能支持传统的遥控器遥控，也能支持通过电脑、手机或其它终端设备对无人船进行远程控制。然而，这两种通信方式需要通过不同的通信链路与无人船进行通信，在无人船端需要对两种通信链路进行切换才能确保无人船在某个时刻只能正确接收到一个通信终端的指令，存在通信链路多样、切换控制复杂、不同通信方式通信距离不同等不足。因此需要研究一种新的无人船远程遥控方法和装置，既能提升远程遥控距离，又能实现多个控制终端对无人船的远程协同控制。
“CN202011090709.7 - 无人船无线通信方法、无人船通信系统及通信基站”中提供了一种无人船无线通信方法、无人船通信系统及通信基站。只提升了通信方法的稳定性，并没有提升通信距离。
“CN201710341169.7 - 一种多功能的新型无人船遥控器”中提到了一种多功能的新型无人船遥控器，包括微控制器以及与该微控制器交互式连接的存储器和多位拨码开关，该多位拨码开关包括一档、二挡、三挡、四档、五档、六档以及至少一个预留档。本发明在传统的无人船遥控器上增加多位拨码开关，为用户提供更多的操作模式，操作方便效率高；但无法实现远距离实时的信号传输，且没有提及遥控器和电脑可以同时和无人船通信。
“CN201710171122.0 - 一种基于LoRa技术的无人船遥控器”通过使用Uart串行总线实现数据通信；所述微控制模块一与LoRa模块交互式连接，实现对LoRa模块工作模式的控制和数据的接收；所述LoRa模块通过声波放大电路与射频天线通信连接。未提及遥控器的信号解析，也就无法实现将PWM信号转换成特定的指令，从而实现遥控器和电脑端指令的一致性，也没有实现多终端协同。
发明内容
本申请提供了一种多终端协同的无人船远程遥控方法及系统，解决目前水面无人船与遥控器之间有效通信距离较短的问题，并且实现遥控器、手机或电脑的多终端同时遥控。本申请提供如下技术方案：
一种多终端协同的无人船远程遥控系统，包括：用户端模块和用户端模块控制的无人船模块，用户端模块包括控制单元、发射单元；
控制单元，将控制指令发送至发射单元；
发射单元，接收来自控制单元的控制指令，并将控制指令传输给无人船模块；
无人船模块包括接收单元、船载计算机单元、电动机单元，
接收单元，接收来自发射单元的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元；
船载计算机单元，将接收后的控制指令转化为操作指令控制电动机单元驱动以实现对无人船的操作。
进一步的，控制单元包括遥控器和用户终端。
进一步的，发射单元包括第一微控制器装置、第一LoRa装置，其中，
第一微控制器装置，用于检测来自控制单元的控制指令，并将控制指令发送给第一LoRa装置；
第一LoRa装置，将接收到的控制指令发送给接收单元。
进一步的，第一微控制器装置可根据遥控器和用户终端的设置，选择其中一个设备对无人船模块进行控制。
进一步的，接收单元包括第二微控制器装置和第二LoRa装置，
第二LoRa装置，用于接收来自第一LoRa装置的控制指令，将接收到的控制指令传送给第二微控制器装置；
第二微控制器装置，用于接收来自第二LoRa装置的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元。
进一步的，无人船控制装置可获取无人船的实时状态信息，并将该信息通过接收单元、发射单元反馈给控制单元。
一种多终端协同的无人船远程遥控方法，包括以下步骤：
步骤一：控制单元发出控制指令，并将控制指令发送给发射单元；
步骤二：发射单元接收来自控制单元的控制指令，并将控制指令传输给接收单元；
步骤三：接收来自发射单元的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元；
步骤四：将接收后的控制指令转化为操作指令控制电动机单元驱动以实现对无人船的操作。
一种应用于LoRa遥控设备的轻量级通信协议，针对发射端传输给接收端的数据，其对应的数据报文格式为所述报文的长度小于或等于260字节，包括起始位、包类型位、包体长度位、包体和校验位。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为发射单元中第一微控制器装置的部分电路示意图；
图3为发射单元中第一微控制器装置的部分电路示意图；
图4为发射单元中第一微控制器装置的控制流程图；
图5为接收单元中第二LoRa装置的电路示意图。
实施方式
下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本申请。
首先，对本申请涉及的若干名词进行介绍。
LoRa（Long Range Radio，远距离无线电），是由Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准。它最大特点是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。
STM32系列单片机，是由意法半导体公司设计的微控制器,其具有低功耗、低成本和高性能的特点,适用于嵌入式应用。其采用ARM Cortex-0内核,根据其内核架构的不同,可以将其分成一系列产品,当前主流的产品包括STM32F0、STM32F1、STM32F3，以及具有超低功耗的产品STM32L0、STM32L1、STM32L4等。由于STM32单片机中应用的内核具有先进的架构,使其在实施性能以及功耗控制等方面都具有较强表现,因此在整合和集成方面就有较大的优势,开发起来较为方便,该类型的单片机能非常迅速地实现开发和投入市场,当前市场中这种类型的单片机十分常见,类型多样,包括基础型、智能型和高级型等,应用都比较广泛。
图1是本申请一个实施例提供的多终端协同的无人船远程遥控系统的结构示意图。如图所示，整个控制系统由遥控器、遥控终端、发射装置、接收装置和船载计算机五个部分组成。
其中，遥控器为用户提供了操控无人船的工具，负责将用户的操作转换为无人船的控制信号。其可以是目前市面上任何一款8通道或以上航模遥控器，因此，本实施例不对其技术实现做详细说明。
遥控终端是运行在用户手机或电脑中的计算机程序，同样可以为用户提供操控无人船的接口。用户可在程序中对无人船的航速、航向进行修改。程序会将修改后的控制信息通过手机或电脑的USB接口发送给发射装置，并由其通过LoRa发出。此外，程序也可以接收来自USB接口的无人船状态信息，并将其展示给用户。
发射装置负责将遥控器或遥控终端生成的控制信号通过LoRa发送给无人船上的接收终端。在本实施例中，其硬件电路设计如图2和图3所示，可以分为微控制器模块、LoRa模块和锂电池充放电模块三部分。
所述微控制器模块包含一个可编程微控制器及其外围电路。本实施例可以采用STM-32 F103C8T6作为微控制器。其PB11引脚用于检测遥控器接收机的PPM信号，并使能了1号（PA2和PA3）和2号串口(PA9和PA10)，分别用于与LoRa模块和USB接口进行通信。此外，STM-32的I2C(PB6和PB7)接口连接至一块INA219数字功率计，用于实时监测电池电量情况。
所述LoRa模块包含了LoRa射频芯片。其负责将从STM-32的1号串口接收到的信息通过LoRa发出。当从LoRa接收到无人船信息时，该模块也能通过串口传输至STM-32微控制器。所述LoRa模块工作在915MHz通信频段，空中速率设置为19.2Kbps，分包长度为240bytes。
所述锂电池充放电模块由TP5400锂电池管理芯片（D2和DC-DC）和其外围电路组成，负责管理设备锂电池的充放电情况。设备采用USB接口提供的5V电压为锂电池充电。TP5400芯片可以在锂电池的电压低于3.3V时停止放电，在其电压高于4.2V时停止充电，以防止锂电池因过充电/过放电引起的爆燃、漏液等事故。该部分还包括两个用于指示设备充电状态的LED灯，即图2中的LED1和LED2。其中，LED1为红色，当其亮起时，代表设备正在充电；LED2为绿色，当其亮起时，代表设备已经完成充电。
本实施例中，STM-32微控制器的嵌入式程序如图4所示，包含了4个任务，分别为PPM解析任务、USB控制指令转发任务、无人船状态信息接收任务和电池电量监测任务。
对于PPM解析任务，微控制器采用外部终断的形式解析PPM信号。具体地，本申请实施例采用的解析步骤如下：
步骤1：每当STM-32的GPIO引脚产生电平跳变时，都会在其下降沿执行中断程序。
步骤2：当步骤1产生中断时，微控制器的CPU会计算与上一次终端所间隔的时间，并转换为对应通道的PWM数值。
步骤3：将步骤2所解析的不少于8个通道的PWM数值转换为无人船的速度和方向信息，并封装为特定的报文格式，通过1号串口发送给LoRa模块。
对于USB控制指令转发任务，来自手机或电脑程序的控制指令从设备的USB接口输入以后，首先通过CH340N串口芯片转换为TTL电平的串口通信，并传输至STM-32的2号串口。STM-32接收到信息以后，同样将该信息解析为对应的无人船速度和方向信息，并进行封装后通过1号串口发出。
本实施例中，STM-32可以自动根据遥控器和终端程序的设置，选择由哪一个设备对无人船进行控制。若发射装置未连接遥控器的接收机，则无人船的控制默认由手机或电脑端的终端程序进行；若发射装置连接到了遥控器接收机，则微控制器会判断接收机PPM信号通道6（对应遥控器的拨动开关SW1）的占空比是否大于0.5。若大于0.5，则无人船由遥控器控制，反之则由终端程序控制。
对于无人船状态信息接收任务，STM-32会监听来自1号串口的信息，并解析为无人船的状态参数，通过2号串口发出并由CH340N芯片转换为USB通信，发送给手机或电脑端程序。
对于电池电量监测任务，图2所示的硬件电路中包含一块INA219数字功率计，其测量引脚连接至锂电池的正极。STM-32会每隔30秒从其I2C接口中读取一次INA219所测量的电压数值，并与预设的阈值进行比较。如果电池的电压低于所设阈值，STM-32会控制图2所示LED1闪烁，以提醒用户电池电量低。否则，STM-32会控制LED1常亮，以表示设备正常工作。
接收装置负责将发射装置所发送的信息解析为无人船对应电机的PWM值，并发送给船载计算机。设备直接由USB接口供电，因此无需设计锂电池和充放电模块。在本实施例中，其硬件电路设计如图3所示，可以分为微控制器模块和LoRa模块。
接收装置的微控制器模块设计与上述发射装置几乎一致，可以使用STM-32F103C8T6作为微控制器。其使用1号串口与LoRa模块通信，接收来自发射装置的控制信息，并通过2号串口发送至CH340N芯片，由其将控制信息转发至无人船的船载计算机。此外，当接收到来自2号串口的无人船状态信息时，STM-32也能将其通过1号串口发送给发射模块，并由其发送至遥控终端程序。
本实施例中，发射装置与接收装置之间通过预设轻量级通信协议建立有传输通道，传输通道用于将发射装置接收到的控制信息传输至接收装置，同时将无人船的状态信息从接收装置返回至发射装置。
具体地，预设轻量级通信协议采用短报文通信。其中，短报文包括起始位、包类型位、包体长度位、包体和校验位。短报文的报文长度小于或等于260字节。
如表一所示，报文各部分的具体特征还包括：
表一：
起始位 报文类型 流水号 包体长度 包体 校验位
长度 1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 1-255 字节 1 字节
内容 16进制常量0x8F / 1-255 1-255 报文内容由用户定义 CRC8 校验
由表一可知，本实施例中，短报文的起始位的大小为1字节，数值固定，为16进制常量0x8F；
包类型的大小为1字节，用于表示短报文的类型，其数值根据不同的短报文决定。其中，16进制数0x01用于表示无人船方向信息包、0x02用于表示无人船速度信息包、0x81表示无人船状态信息包。此外，本协议还支持根据需求拓展包类型。比如：采用16进制数0x03表示无人船摄像指令等。
流水号的大小为1字节，每发送一条消息自增一次。发射装置和接收装置在接收到报文后，通过流水号来判断中途是否存在丢包。
包体长度位的大小为1字节，用于表示短报文包体的长度，其值在16进制0x00至0xFF之间，分别对应的短报文包体长度为0至255字节。
包体为短报文的主要内容，大小为0至255字节。报文的包体内容可由根据实际需求定义。比如：无人船速度信息的包体长度为4字节，是浮点数的字符串表示；方向信息的包体长度为2字节，其中第一个字节表示无人船方向向左或向右，第二个字节为具体数值，范围在0至180之间。
校验位用于验证报文完整性和准正确性，采用循环冗余校验算法，大小为1字节。
船载计算机采用树莓派实现，在其中运行无人船控制程序。程序负责接收来自USB接口的控制信息，并转化为对应电机的PWM值，控制电机驱动模块以实现对无人船的操作。程序还实现了定期向USB接口发送无人船当前的状态信息，由上述系统返回至用户手机或电脑上的终端程序。
上述实施例的创新性在于，应用LoRa通信协议对无人船的遥控通信链路进行改进，解决了无人船在遥控时受多径效应干扰而距离较短的情况。此外，针对LoRa的通信特点，设计了一种轻量级遥控通信协议，增加了遥控的实时性和稳定性，使得无人船对遥控器响应更加及时、准确。另一方面，所述系统提供了一种多设备协同遥控的解决方案，能够在手机、电脑和遥控器等多终端同时参与无人船遥控的情况下，有效避免各个遥控链路之间产生冲突，从而增强无人船的可操作性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，包括：用户端模块和用户端模块控制的无人船模块，用户端模块包括控制单元、发射单元；
控制单元，将控制指令发送至发射单元；
发射单元，接收来自控制单元的控制指令，并将控制指令传输给无人船模块；
无人船模块包括接收单元、船载计算机单元、电动机单元，
接收单元，接收来自发射单元的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元；
船载计算机单元，将接收后的控制指令转化为操作指令控制电动机单元驱动以实现对无人船的操作。
2.根据权利要求1所述的一种多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，控制单元包括遥控器和用户终端。
3.根据权利要求2所述的一种多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，发射单元包括第一微控制器装置、第一LoRa装置，其中，
第一微控制器装置，用于检测来自控制单元的控制指令，并将控制指令发送给第一LoRa装置；
第一LoRa装置，将接收到的控制指令发送给接收单元。
4.根据权利要求3所述的一种多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，第一微控制器装置可根据遥控器和用户终端的设置，选择其中一个设备对无人船模块进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，接收单元包括第二微控制器装置和第二LoRa装置，
第二LoRa装置，用于接收来自第一LoRa装置的控制指令，将接收到的控制指令传送给第二微控制器装置；
第二微控制器装置，用于接收来自第二LoRa装置的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元。
6.根据权利要求5所述的一种多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，无人船控制装置可获取无人船的实时状态信息，并将该信息通过接收单元、发射单元反馈给控制单元。
7.一种多终端协同的无人船远程遥控方法，基于权利要求1所述的一种可多终端协同的无人船远程遥控系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：控制单元发出控制指令，并将控制指令发送给发射单元；
步骤二：发射单元接收来自控制单元的控制指令，并将控制指令传输给接收单元；
步骤三：接收来自发射单元的控制指令，并将控制指令传送给船载计算机单元；
步骤四：将接收后的控制指令转化为操作指令控制电动机单元驱动以实现对无人船的操作。
8.一种应用于LoRa遥控设备的轻量级通信协议，其特征在于，针对发射端传输给接收端的数据，其对应的数据报文格式为所述报文的长度小于或等于260字节，包括起始位、包类型位、包体长度位、包体和校验位。
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