CN117728876A - 无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统。泛光通信系统包括：至少一光信号发送模块，用于产生并发出光信号；至少一光信号接收模块，用于接收光信号并转换为电信号；信号调制模块，用于将通讯信息调制到载波上并驱动所述光信号发送模块发送光信号；信号解调模块，用于将所述光信号接收模块返回的电信号解调为解调数据；主控系统，用于在当所述光信号接收模块接收到其它无人机发送的光信号后锁定光通信链路，并根据所述信号解调模块的解调数据及所述光信号接收模块接收的光信号进行无人机相对定位控制形成飞行编队。本申请提升了抗电磁环境干扰能力。

Description

无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统

技术领域

本申请涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统。

背景技术

无人机的使用范围可以从遥控发展到自主控制，作为无人机操作系统重要组成部分的通信技术，随着信息技术的发展必将使其不断完善和提高。至今为止无人机通信所使用的主要还是无线电通信模式，通信系统利用的波段---视距状态的空地直接链路；中远距离：C/X波段；中近距离：KuKa波段。频率越高，电波的空中传输损失越大，必须使用同样规模的指向性天线提高指向性增益；而在低频区，电波混杂程度不断增大，导致通信信号质量衰减很大。

无人机之间采用Ku波段和Ka波段(高空)，高度越高，即便采用高频，为减少损失，也必须选择适当的频率，在使用双向指向性天线的远距离通信中继中，如果与空地链路的频率不同，也会有相当的技术问题。而且由于无人机上上装备天线等的能力有限，同样限制了传输距离和速度，在双向传输中的指向性天线的控制功能，以及与中继机的通融性即加入和脱离通信系统等功能方面还有很多必须解决的问题。同时，无人机间采用Ku波段和Ka波段通信时，现在发展起来的无人机通信干扰技术对于无人机集群之间的通信也有很大威胁。无人机通信干扰一般会通过无线电信号干扰、无人机导航诱骗等方式对无人机进行干扰管控。

发明内容

基于此，提供一种能够避免无人机通信存在的限制传输距离和速度、容易脱离通信以及受到通信干扰缺陷的无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统，来解决现今使用无线电方式进行无人机集群通讯的方式在使用C/X波段和KuKa波段，使用高频通信时，能量衰减强，需要使用昂贵的指向性相控阵天线；低频通信时，电波混杂程度不断增大，导致通信信号质量衰减很大；而且在强电磁干扰和无线电诱导等条件下无人机之间无线电通信链接无法建立的技术问题。

一方面，提供一种无人机蜂群泛光通信系统，所述无人机蜂群泛光通信系统包括：

至少一光信号发送模块，用于产生并发出光信号；

至少一光信号接收模块，用于接收光信号并转换为电信号；

信号调制模块，用于将通讯信息调制到载波上并驱动所述光信号发送模块发送光信号；

信号解调模块，用于将所述光信号接收模块返回的电信号解调为解调数据；

主控系统，用于在当所述光信号接收模块接收到其它无人机发送的光信号后锁定光通信链路，并根据所述信号解调模块的解调数据及所述光信号接收模块接收的光信号进行无人机相对定位控制形成飞行编队。

进一步的，所述主控系统包括通讯信息处理模块和定位处理模块；所述通讯信息处理模块用于接收所述信号解调模块的解调数据并进行通讯信息处理后反馈至所述信号调制模块，所述定位处理模块用于接收所述光信号接收模块接收的光信号及接收所述信号解调模块的解调数据进行无人机相对定位控制。

进一步的，所述光信号发送模块包括LED光源，所述LED光源与所述信号调制模块连接，用于发射含有通信信息的激光波束作为光信号。

进一步的，所述光信号接收模块包括光学系统、分光单元和光信号探测单元；所述光学系统作为光接收器获取可见光媒介光信号；所述分光单元用于将所述光学系统获取的可见光媒介光信号分别发送至所述光信号探测单元及所述定位处理模块；所述光信号探测单元用于监测可见光媒介光信号中是否存在其他无人机发出的光信号，若是则将其他无人机发出的光信号发送至所述信号解调模块。

进一步的，所述定位处理模块包括成像探测单元、目标识别单元、角度测量单元、相对定位单元；所述成像探测单元连接至所述分光单元用于获取可见光媒介光信号；所述目标识别单元用于识别可见光媒介光信号中是否存在其他无人机；所述角度测量单元用于在所述目标识别单元识别到存在其他无人机时检测当前无人机与其他无人机的角度，并将当前无人机与其他无人机的角度发送至所述相对定位单元；所述相对定位单元用于根据当前无人机与其他无人机的角度确定当前无人机与其他无人机的相对位置。

进一步的，所述定位处理模块还包括距离解算单元；所述距离解算单元与所述信号调制模块及所述相对定位单元连接，所述距离解算单元用于获取所述信号解调模块的解调数据并通过解调数据计算当前无人机与其他无人机的间距，所述相对定位单元根据当前无人机与其他无人机的角度及间距确定当前无人机与其他无人机的相对位置。

进一步的，所述定位处理模块还包括编队控制模块，所述编队控制模块与所述通讯信息处理模块连接；所述编队控制模块通过读取所述通讯信息处理模块中的通讯信息获取当前无人机与其他无人机是否相互锁定，若是则建立光通信链路并调整一光信号接收模块对准其他无人机，同时开始通过光通信进行身份验证；当身份验证后相互锁定，所述编队控制模块按照飞行编队规则对已锁定的所有无人机进行飞行角度、距离的调整形成飞行编队。

另一方面，提供一种无人机，所述无人机设有前文所述无人机蜂群泛光通信系统。

再一方面，提供一种无人机蜂群泛光通信方法，每一无人机设有前文所述无人机蜂群泛光通信系统，所述无人机蜂群泛光通信方法包括：

控制两架无人机在起飞后发出光信号并扫描其它无人机发送的光信号；

当任一无人机接收到其它无人机发送的光信号后调整光信号发送及接收角度；

两架无人机互相扫描通过光信号通信进行身份认证，当身份验证后相互锁定并建立光通信链路；

在两架无人机之间通过光信号通信进行双向数据通信，按照飞行编队规则对已锁定的所有无人机进行飞行角度、距离的调整形成飞行编队；

控制其余无人机起逐一飞后发出光信号并扫描其它无人机发送的光信号，当与前两架无人机建立光通信链路并进行身份验证后，以已形成飞行编队的任一无人机作为飞行坐标原点进行飞行角度、距离调整，形成新的飞行编队。

一种无人机蜂群，所述无人机蜂群包括多个无人机，所述无人机蜂群利用前文所述的无人机蜂群泛光通信方法实现通信。

上述无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统，针对无人机无线电通信方案易受干扰和通信信道带宽受限、易受干扰等缺点，通过采用泛光通信替代无线电通信，提升了抗电磁环境干扰能力，突破大规模无人机蜂群组网控制，用于复杂电磁环境高速传输，网络抗毁、抗扰、自愈，智能决策调度和任务分配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例中无人机蜂群泛光通信系统的结构框图；

图2为本申请一个实施例中主控系统结构框图；

图3为本申请一个实施例中无人机上设置无人机蜂群泛光通信系统的结构框图；

图4为本申请一个实施例中无人机蜂群泛光通信方法的应用环境图；

图5为本申请一个实施例中无人机蜂群泛光通信方法的流程示意图；

图6为本申请一个实施例中无人机蜂群泛光通信方法的逻辑图；

图7为本申请一个实施例中采用无人机蜂群泛光通信方法的形成飞行编队的过程示意图。

图中的标识如下：无人机蜂群泛光通信系统10，光信号发送模块1，LED光源11，光信号接收模块2，光学系统21，分光单元22，光信号探测单元23，信号调制模块3，信号解调模块4，主控系统5，通讯信息处理模块51，定位处理模块52，成像探测单元521，目标识别单元522，角度测量单元523，相对定位单元524，距离解算单元525，编队控制模块526。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供一种无人机蜂群泛光通信系统，所述无人机蜂群泛光通信系统设置在无人机蜂群得每一无人机上。

如图1所示，所述无人机蜂群泛光通信系统10包括：

至少一光信号发送模块1，用于产生并发出光信号；

至少一光信号接收模块2，用于接收光信号并转换为电信号；

信号调制模块3，用于将通讯信息调制到载波上并驱动所述光信号发送模块1发送光信号；

信号解调模块4，用于将所述光信号接收模块2返回的电信号解调为解调数据；

主控系统5，用于在当所述光信号接收模块2接收到其它无人机发送的光信号后锁定光通信链路，并根据所述信号解调模块4的解调数据及所述光信号接收模块2接收的光信号进行无人机相对定位控制形成飞行编队。

如图2所示，所述主控系统5包括通讯信息处理模块51和定位处理模块52；所述通讯信息处理模块51用于接收所述信号解调模块4的解调数据并进行通讯信息处理后反馈至所述信号调制模块3，所述定位处理模块52用于接收所述光信号接收模块2接收的光信号及接收所述信号解调模块4的解调数据进行无人机相对定位控制。

如图3所示，所述光信号发送模块1包括LED光源11，所述LED光源11与所述信号调制模块3连接，用于发射含有通信信息的激光波束作为光信号。LED光源11发送瞬时功率50w，发射的激光波束呈20°角发散。

如图3所示，所述光信号接收模块2包括光学系统21、分光单元22和光信号探测单元23；所述光学系统21作为光接收器获取可见光媒介光信号；所述分光单元22用于将所述光学系统21获取的可见光媒介光信号分别发送至所述光信号探测单元23及所述定位处理模块52；所述光信号探测单元23用于监测可见光媒介光信号中是否存在其他无人机发出的光信号，若是则将其他无人机发出的光信号发送至所述信号解调模块4。

所述光信号接收模块2接收激光信号并转换为电信号，接收机接收角度为25°。

所述光信号发送模块1与所述光信号接收模块2重量不超过200克。

如图2所示，所述定位处理模块52包括成像探测单元521、目标识别单元522、角度测量单元523、相对定位单元524；所述成像探测单元521连接至所述分光单元22用于获取可见光媒介光信号；所述目标识别单元522用于识别可见光媒介光信号中是否存在其他无人机；所述角度测量单元523用于在所述目标识别单元522识别到存在其他无人机时检测当前无人机与其他无人机的角度，并将当前无人机与其他无人机的角度发送至所述相对定位单元524；所述相对定位单元524用于根据当前无人机与其他无人机的角度确定当前无人机与其他无人机的相对位置。

如图2所示，所述定位处理模块52还包括距离解算单元525；所述距离解算单元525与所述信号调制模块3及所述相对定位单元524连接，所述距离解算单元525用于获取所述信号解调模块4的解调数据并通过解调数据计算当前无人机与其他无人机的间距，所述相对定位单元524根据当前无人机与其他无人机的角度及间距确定当前无人机与其他无人机的相对位置。

如图2所示，所述定位处理模块52还包括编队控制模块526，所述编队控制模块526与所述通讯信息处理模块51连接；所述编队控制模块526通过读取所述通讯信息处理模块51中的通讯信息获取当前无人机与其他无人机是否相互锁定，若是则建立光通信链路并调整一光信号接收模块2对准其他无人机，同时开始通过光通信进行身份验证；当身份验证后相互锁定，所述编队控制模块526按照飞行编队规则对已锁定的所有无人机进行飞行角度、距离的调整形成飞行编队。

在无人机建立光通信链路后，每1000ms系统向对方无人机发送一包链路保持信号数据包；并且当有数据通信需求时，将通信数据打包从光通信信道发送出去。当2000ms内既没有收到链路保持信号数据包也没有通信数据包时，认为通信链路已经断开，重新开始扫描锁定。

如图3所示，提供一种无人机，所述无人机设有前文所述无人机蜂群泛光通信系统10。

如图4所示，图4为无人机蜂群中的多个无人机之间的通讯方式结构示意图，其为无人机蜂群泛光通信方法的应用环境图。

结合图4，如图5、图6所示，提供一种无人机蜂群泛光通信方法，每一无人机设有前文所述无人机蜂群泛光通信系统10，所述无人机蜂群泛光通信方法包括：

S1、控制两架无人机在起飞后发出光信号并扫描其它无人机发送的光信号；

S2、当任一无人机接收到其它无人机发送的光信号后调整光信号发送及接收角度；

S3、两架无人机互相扫描通过光信号通信进行身份认证，当身份验证后相互锁定并建立光通信链路；

S4、在两架无人机之间通过光信号通信进行双向数据通信，按照飞行编队规则对已锁定的所有无人机进行飞行角度、距离的调整形成飞行编队；

S5、控制其余无人机起逐一飞后发出光信号并扫描其它无人机发送的光信号，当与前两架无人机建立光通信链路并进行身份验证后，以已形成飞行编队的任一无人机作为飞行坐标原点进行飞行角度、距离调整，形成新的飞行编队。

如图5、图6所示，提供一种无人机蜂群，所述无人机蜂群包括多个无人机，所述无人机蜂群利用前文所述的无人机蜂群泛光通信方法实现通信。

图7展示了三架无人机采用无人机蜂群泛光通信方法形成飞行编队的过程示意图。

1)光通信指标：>＝100Mbps；

2)传输延迟：<＝100us；

3)控制信道抗干扰处理增益：>＝50dB；

4)演示验证系统支持蜂群节点数>＝3架；

自由空间的泛光通信系统使用192nm波长的红外激光作为通信传输媒介，具备指向性好、信号传输带宽大、抗干扰能力强、功耗低等优点。通讯信息处理模块51可以安装于无人机上作为无人机蜂群通信的节点。通信系统可以自动完成恶劣电磁条件下的无人机之间以及无人机与地面之间的定位、锁定、信息通信等功能。

无人机上可安装2～3台所述光信号发送模块1与所述光信号接收模块2并起飞，起飞后光通信模块开始工作并开始进行信号发送和扫描。

在第二台无人机起飞后，两架无人机上搭载的所述光信号发送模块1与所述光信号接收模块2开始互相扫描并锁定对方。

两架无人机之间首先捕捉到对方光信号，此时无人机上云台将光通信模块对准目标无人机，尝试建立光通信链路。当光通信链路建立后，云台将始终对准目标无人机同时开始通过光通信进行身份验证；当身份验证建立后，两架无人机按照输入规则进行飞行角度、距离的调整，并按照规则要求进行双机飞行编队，同时等待第三架无人机的接入。

第三架无人机应到达第二架无人机正后方并接入网络。第三架无人机起飞到需求高度，避免视野遮挡，通过先验信息寻找第一架无人机和第二架无人机的位置。同时开始与前两架无人机建立光通信链路并进行身份验证，身份验证通过后，以第一或第二架无人机作为飞行坐标原点进行飞行角度、距离调整，开始进行三机编队飞行。三机飞行之间的通信信道使用激光光通信信道，不会受到常规电磁干扰影响；指向性好，即使存在光通信干扰源也不可能同时干扰三架无人机飞行；当任意一架无人机受到干扰，其它无人机仍可以正常执行飞行任务。三架无人机构成的三机编队可以完成一些最为基本的编队动作，如按照任务要求，三机编队中的无人机调整相互之间的角度，可以构成三角编队、纵向编队等不同队形。整个无人机飞行编队飞行过程中不向外界辐射电磁信号，且不受电磁影响干扰，可以自主可控执行飞行任务。

本申请采用全光通信组网，可以最大限度地提高无人机蜂群在复杂电磁干扰环境下工作能力；全光通信网络不易被侦听，具有隐蔽性；对天和对地通信采用激光通信，蜂群内部通信采用泛光通信，以降低光收发模块的重量，提高有效通信时段，适合无人机蜂群应用。

上述无人机、无人机蜂群、无人机蜂群泛光通信方法及系统，针对无人机无线电通信方案易受干扰和通信信道带宽受限、易受干扰等缺点，通过采用泛光通信替代无线电通信，提升了抗电磁环境干扰能力，突破大规模无人机蜂群组网控制，用于复杂电磁环境高速传输，网络抗毁、抗扰、自愈，智能决策调度和任务分配。

以上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 (10)

1.一种无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述无人机蜂群泛光通信系统包括：

至少一光信号发送模块，用于产生并发出光信号；

至少一光信号接收模块，用于接收光信号并转换为电信号；

信号调制模块，用于将通讯信息调制到载波上并驱动所述光信号发送模块发送光信号；

信号解调模块，用于将所述光信号接收模块返回的电信号解调为解调数据；

主控系统，用于在当所述光信号接收模块接收到其它无人机发送的光信号后锁定光通信链路，并根据所述信号解调模块的解调数据及所述光信号接收模块接收的光信号进行无人机相对定位控制形成飞行编队。

2.根据权利要求1所述的无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述主控系统包括通讯信息处理模块和定位处理模块；所述通讯信息处理模块用于接收所述信号解调模块的解调数据并进行通讯信息处理后反馈至所述信号调制模块，所述定位处理模块用于接收所述光信号接收模块接收的光信号及接收所述信号解调模块的解调数据进行无人机相对定位控制。

3.根据权利要求1所述的无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述光信号发送模块包括LED光源，所述LED光源与所述信号调制模块连接，用于发射含有通信信息的激光波束作为光信号。

4.根据权利要求2所述的无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述光信号接收模块包括光学系统、分光单元和光信号探测单元；所述光学系统作为光接收器获取可见光媒介光信号；所述分光单元用于将所述光学系统获取的可见光媒介光信号分别发送至所述光信号探测单元及所述定位处理模块；所述光信号探测单元用于监测可见光媒介光信号中是否存在其他无人机发出的光信号，若是则将其他无人机发出的光信号发送至所述信号解调模块。

5.根据权利要求2所述的无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述定位处理模块包括成像探测单元、目标识别单元、角度测量单元、相对定位单元；所述成像探测单元连接至所述分光单元用于获取可见光媒介光信号；所述目标识别单元用于识别可见光媒介光信号中是否存在其他无人机；所述角度测量单元用于在所述目标识别单元识别到存在其他无人机时检测当前无人机与其他无人机的角度，并将当前无人机与其他无人机的角度发送至所述相对定位单元；所述相对定位单元用于根据当前无人机与其他无人机的角度确定当前无人机与其他无人机的相对位置。

6.根据权利要求5所述的无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述定位处理模块还包括距离解算单元；所述距离解算单元与所述信号调制模块及所述相对定位单元连接，所述距离解算单元用于获取所述信号解调模块的解调数据并通过解调数据计算当前无人机与其他无人机的间距，所述相对定位单元根据当前无人机与其他无人机的角度及间距确定当前无人机与其他无人机的相对位置。

7.根据权利要求6所述的无人机蜂群泛光通信系统，其特征在于，所述定位处理模块还包括编队控制模块，所述编队控制模块与所述通讯信息处理模块连接；所述编队控制模块通过读取所述通讯信息处理模块中的通讯信息获取当前无人机与其他无人机是否相互锁定，若是则建立光通信链路并调整一光信号接收模块对准其他无人机，同时开始通过光通信进行身份验证；当身份验证后相互锁定，所述编队控制模块按照飞行编队规则对已锁定的所有无人机进行飞行角度、距离的调整形成飞行编队。

8.一种无人机，其特征在于，所述无人机设有权利要求1至7任一项所述无人机蜂群泛光通信系统。

9.一种无人机蜂群泛光通信方法，其特征在于，每一无人机设有权利要求1至7任一项所述无人机蜂群泛光通信系统，所述无人机蜂群泛光通信方法包括：

控制两架无人机在起飞后发出光信号并扫描其它无人机发送的光信号；

当任一无人机接收到其它无人机发送的光信号后调整光信号发送及接收角度；

两架无人机互相扫描通过光信号通信进行身份认证，当身份验证后相互锁定并建立光通信链路；

在两架无人机之间通过光信号通信进行双向数据通信，按照飞行编队规则对已锁定的所有无人机进行飞行角度、距离的调整形成飞行编队；

控制其余无人机起逐一飞后发出光信号并扫描其它无人机发送的光信号，当与前两架无人机建立光通信链路并进行身份验证后，以已形成飞行编队的任一无人机作为飞行坐标原点进行飞行角度、距离调整，形成新的飞行编队。

10.一种无人机蜂群，其特征在于，所述无人机蜂群包括多个无人机，所述无人机蜂群利用权利要求9所述的无人机蜂群泛光通信方法实现通信。