CN205931231U - 一种多天线机身融合无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种多天线机身融合无人机，其机身上设有天线以及与天线连接的数传发送装置和数传接收装置，所述天线为两根以上，内嵌在无人机的机身上。本实用新型一种多天线机身融合无人机，可实现无人机的远距离、多通道、全双工、低功耗、小型化、高效的无线综合数传，从而最大限度地减小无线数传模块尺寸，提升无人机数传模块的传输距离和传输效率，提升无人机无线数传的抗干扰能力，增加无人机系统的续航时间和整机安全稳定性能，从而克服现有的无人机数传装置的不足。

Description

一种多天线机身融合无人机

技术领域

本实用新型涉及无线通信数据传输技术领域中一种将多路图像、语音、数据多路复用技术实现宽带无线数据传输的装置，特别是涉及一种多天线机身融合无人机技术。

背景技术

从2011年开始，机器人领域中的无人机技术和应用发展迅猛。以大疆为代表的无人机先行者，将无人机由消费市场拓展到专业市场。深圳、北京、上海、武汉、西安等地的无人机产业及各行业应用发展迅猛。随着科技的发展及互联网的商务模式创新，无人机已成为当下最有前景、发展最快的行业之一。

专业级无人机技术和应用市场日趋成熟。在公安、边防、交通、电力、矿业、农业、传媒、专业配送等诸多领域发展迅猛，预计未来5年内，专业级无人机的市场将突破1000亿，其中的无人机配套远距离宽带综合数传设备市场将突破300亿。未来5年，专业级无人机硬件复合产品年增长率将超过50％，并且相关软件和服务行业的年增长则可能翻番。

目前国内主要的无人机厂家基本采用WIFI或者3G/LTE流量卡作为数传手段，传输带宽、传输距离非常有限。近年发展的以COFDM(coded orthogonal frequency divisionmultiplexing，编码正交频分复用)技术为基础的宽带数传模块又存在通道单一的问题，无法满足无人机对多路窄带数传和多路宽带数传集成传输的迫切需求。如大多数专业应用场景下，无人机和地面控制站之间除了需要传输高清视频数据，还需要传输GPS数据、飞控数据、云台控制数据、摄像机控制数据等，因此，当前无人机上均集成了多部数传电台以传输上述多路数据。

如上所述，现有的无人机的数传装置虽可满足传输带宽和传输距离的要求，但是仍存在有若干不足，而未能达到最佳的使用效果，其不足可归纳如下：

1、现有的数传技术通道单一，并且多为单工数传电台，为实现图像、语音、数据的双向综合传输，需要采用多个无线传输设备进行集成，导致机体机构臃肿、系统复杂、体积庞大、负荷重，影响无人机的负载能力和续航能力；

2、现有无人机集成的多种无线数传模块之间的电磁兼容性问题突出，不同无线数传模块间干扰严重，给无人机的有效安全作业带来隐患；

3、现有的无人机数传技术采用单天线点对点传输，一般小于5公里，传输距离仍有待进一步提高；

4、现有的无人机数传技术采用单天线点对点传输，随着传输距离增加，信道条件变差，有效传输带宽急剧下降，影响无人机的整机作业性能；

5、现有无人机采用的多模块集成无线数传技术，耗电量大，制约无人机的有效续航时间，且不符合节能效应；

6、传统的数传模块在复杂电磁环境中传输性能急剧下降，这也是无人机安全飞行作业的最大隐患之一。

由此可见，上述现有的无人机在传输装置的设计与使用上，显然仍存在有缺陷与不便，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可实现远距离、多通道、全双工、低功耗、小型化、高效能、抗干扰的新型无人机，实属当前业界极需改进的目标。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种多天线机身融合无人机，使其可实现无人机的远距离、多通道、全双工、低功耗、小型化、高效的无线综合数传，从而最大限度地减小无线数传模块尺寸，提升无人机数传模块的传输距离和传输效率，提升无人机无线数传的抗干扰能力，增加无人机系统的续航时间和整机安全稳定性能，从而克服现有的无人机在数传装置设计上的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多天线机身融合无人机，其机身上设有天线以及与天线连接的数传发送装置和数传接收装置，所述天线为两根以上，内嵌在无人机的机身上。

作为本实用新型的一种改进，所述的天线沿无人机的旋翼臂或机翼内嵌。

作为本实用新型的一种改进，所述的天线均匀对称的分布在无人机机身上。

作为本实用新型的一种改进，所述的天线为两根、四根、六根或八根。

作为本实用新型的一种改进，天线采用多路并发时隙通道传输数据，其物理层包括交替分布的无人机数传通道和用户地面站时隙通道，无人机数传通道和用户地面站时隙通道均包括用于实时传输视频图像宽带数据的长时隙通道和用于传输其他数据的短时隙通道，无人机数传通道和用户地面站时隙通道之间还设置有保护时隙。

作为本实用新型的一种改进，所述的数传发送装置包括：数据复用模块，用于判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用；基带处理模块，用于对组帧流复用的数据进行基带处理；以及射频处理模块，用于对经基带处理后的数据进行射频发送。

作为本实用新型的一种改进，所述的基带处理模块包括与数据复用模块连接的AES加密模块、与AES加密模块连接的卷积编码或Turbo编码模块、与卷积编码或Turbo编码模块连接的信道解交织模块、以及与信道解交织模块连接的MIMO-COFDM调制模块；所述的射频处理模块包括与与MIMO-COFDM调制模块连接的数模转换模块、与数模转换模块连接的上变频模块、以及连接上变频模块和天线的功放与滤波模块。

作为本实用新型的一种改进，所述的数传接收装置包括：射频处理模块，用于对接收到的数据进行射频处理；基带处理模块，用于对经射频处理的数据进行基带处理；以及数据解复用模块，用于对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用。

作为本实用新型的一种改进，所述的射频处理模块包括与天线连接的滤波与低噪放模块、与滤波与低噪放模块连接的下变频与中频滤波模块、以及与下变频与中频滤波模块的模数转换模块；所述的基带处理模块包括与模数转换模块连接的信道同步模块、与信道同步模块连接的MIMO-COFDM解调和均衡模块、与MIMO-COFDM解调和均衡模块连接的信道解交织模块、以及与信道解交织模块连接的卷积解码或Turbo解码模块；所述的数据解复用模块包括与卷积解码或Turbo解码模块连接的AES解密模块、以及与AES解密模块连接的解帧复用模块。

本实用新型专门针对无人机系统中对于多路视频图像、语音、数据集成以及远距离双向传输需求设计，基于TDD-MIMO-COFDM无线综合技术，并采用无人机天线机身融合技术，采用这样的设计后，本实用新型至少包括以下优点：

1、本实用新型能够数倍提升无人机无线数传系统的传输容量和传输距离；

2、本实用新型提出的综合数传技术方案能够大幅度减少无人机数传系统集成的复杂性，降低无人机负载尺寸和重量，较少电池能量消耗，并显著提升了无人机的续航时间；

3、本实用新型提出的综合数传技术方案能够很好地解决多种数传设备集成导致的电磁兼容性不好的问题，大大提升无人机数传系统的可靠性及无人机飞行控制的安全性能。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型多天线机身融合无人机的结构示意图。

图2是本实用新型的物理层时隙设计的具体实施例示意图。

图3是本实用新型的数传发送装置的组成示意图。

图4是本实用新型的数传接收装置的组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型的多天线机身融合无人机的天线2为两根以上，并内嵌在无人机1的机身上。

具体来说，天线2一般可设置两根四根、六根或八根，以均匀对称的分布在无人机机身1上为宜，尤其以内嵌在无人机的旋翼臂或机翼上为最佳。

本实用新型在无人机旋翼臂或机翼植入一体化天线，这种分布式多天线机身融合设计可在机身内表面植入多根天线，至少可实现2×2MIMO、4×4MIMO的技术方案，充分利用专业级无人机臂展和翼展较大(直径1米以上)的优势，利用空域资源进行多天线系统部署。

在相同的传输带宽条件下，本实用新型能比单天线点对点数传系统的传输容量提升2至4倍以上。同时，在保证相同的传输带宽前提下，本实用新型较单天线数传系统能够降低一半以上的发射功率。

进一步的，本实用新型还可综合应用TDD-MIMO-COFDM(时分双工-多入多出-编码正交频分复用)技术进一步提升无人机数传性能。

具体来说，本实用新型的天线可采用多路并发时隙通道传输数据，其整个TDD时隙包括交替分布的无人机数传通道和用户地面站时隙通道，并支持多个短时隙和长时隙的灵活设置。

以最为基本的六通道物理层设计为例来说，请配合参阅图2所示。时隙#0和时隙#1用于无人机数传，时隙#2和时隙#3用于用户地面站数传。无人机数传多路时隙和用户地面站并发多路时隙之间是保护时隙GP，在保护时隙期间进行上下行传输时隙方向切换。

时隙#0和时隙#2为短时隙，考虑到GPS数据和其余各路低速率控制数据占用带宽较小，为使传输带宽利用率最大化，本实用新型分别利用时隙#0和时隙#2实时传输来自无人机和用户地面站的GPS数据、多路控制指令、语音等。其中，无人机控制指令的传输可采用1/3冗余卷积和前向纠错编码，以保证传输的可靠性。

为了避免数据传送时发生瞬时拥塞威胁无人机的安全性和整机性能稳定，本实用新型还可对将进入短时隙通道的不同数据设置为不同的优先级，一旦发生瞬时拥塞，高优先级的数据将被优先传送。具体来说：在无人机端，无人机中的GPS数据是最重要的数传信息之一，在短时隙复用中具备最高优先级，消息头地址编码为000；在地面站端，飞控数据是最重要的数传信息之一，在短时隙复用中具备最高优先级，消息头地址编码为000；其他控制数据，如云台控制数据、相机控制数据、无人机喊话系统控制数据等，可以分别映射到控制数据1通道至控制信道n，并按一定的优选级次序由001到111进行消息头地址映射。

时隙#1和时隙#3为长时隙，分别用于实时传输来自无人机和用户地面站的视频图像。考虑到视频图像的所需传输带宽较大(如高清4K，1080P视频图像传输)，每路视频图像数据映射到一路长时隙通道，可以保证高质量视频图像传输的实时流程性。在远距离传输时，还可以进行多个长时隙通道捆绑传输一路宽带视频图像信号。此外，在视频数据传输时，本实用新型优选采用Turbo编码，以保证传输的高效性。

本实用新型采用多路并发传时隙通道设计，单频可同时支持6路高清视频(依赖于信道条件)，并采用低时延物理层时隙设计方案，保证传输时延不超过20ms，单频转发时延约10ms。

请配合参阅图3所示，为了对应实现上述效果，本实用新型无人机的数传发送装置主要由多通道数据复用模块、基带处理模块和射频处理模块组成。其中，多通道数据复用模块，用于判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用。基带处理模块包括与数据复用模块连接的AES加密模块、与AES加密模块连接的卷积编码或Turbo编码模块、与卷积编码或Turbo编码模块连接的信道解交织模块、以及与信道解交织模块连接的MIMO-COFDM调制模块，用于对组帧流复用的数据进行基带处理。射频处理模块用于对经基带处理后的数据进行射频发送，包括与与MIMO-COFDM调制模块连接的数模转换模块、与数模转换模块连接的上变频模块、以及连接上变频模块和天线的功放与滤波模块，上变频模块还连接有低相噪本振模块。

再请配合参阅图4所示，本实用新型的数传接收装置主要由射频处理模块、基带处理模块和多通道数据解复用模块组成，其处理过程与数传发送装置的处理过程逆向。其中，射频处理模块用于对接收到的数据进行射频处理，包括与天线连接的滤波与低噪放模块、与滤波与低噪放模块连接的下变频与中频滤波模块、以及与下变频与中频滤波模块的模数转换模块和低相噪本振模块。基带处理模块包括与模数转换模块连接的信道同步模块、与信道同步模块连接的MIMO-COFDM解调和均衡模块、与MIMO-COFDM解调和均衡模块连接的信道解交织模块、以及与信道解交织模块连接的卷积解码或Turbo解码模块，用于对经射频处理的数据进行基带处理。多通道数据解复用模块包括与的卷积解码或Turbo解码模块连接的AES解密模块、以及与AES解密模块连接的解帧复用模块，用于对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用，仍以上述实例来说，具体处理方式如下：

(1)在无人机端，在短时隙解复用后000地址编号消息为飞控数据；

(2)在地面站端，在短时隙解复用后000地址编号消息为GPS数据；

(3)其他其中的控制数据，如云台控制数据、相机控制数据、无人机喊话系统控制数据等，根据其映射到控制数据1通道至控制信道n，以及对应的消息地址编号进行各路控制消息分路解复用；

(4)各路视频图像根据对应的长时隙编号进行分路。

综上，本实用新型基于无人机旋翼臂或机翼进行分布式多天线机身融合设计方案，能够数倍提升无人机无线数传传输容量，并且能在射频功率一定的条件下，增大无线传输距离2至4倍。此外，本实用新型基于并发多路长时隙传送多路高清宽带视频图像的技术方案，能够大幅度减少无人机数传系统集成复杂性，减轻无人机负载尺寸和重量，较少电池能量消耗，提升无人机系统的安全性能和增加无人机的续航时间。基于优先级的短时隙多路控制数据复用技术方案，还能够大幅度减少无人机数传系统集成复杂性，减轻无人机负载重量，较少电池能量消耗，提升无人机系统的安全性能和增加无人机的续航时间。本实用新型经过原型样机开发证明科学可行，无人机通过应用本实用新型方案原型样机，挂载负荷体积减小26％以上，挂载重量减少23％，续航时间增加了20％，同等发射功率和传输速率条件下无线数传距离增加了2.5倍。经实践证明，本实用新型具备重要的经济价值和工程应用价值。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多天线机身融合无人机，其机身上设有天线以及与天线连接的数传发送装置和数传接收装置，其特征在于：所述天线为两根以上，内嵌在无人机的机身上。

2.根据权利要求1所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于所述的天线沿无人机的旋翼臂或机翼内嵌。

3.根据权利要求1所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于所述的天线均匀对称的分布在无人机机身上。

4.根据权利要求1所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于所述的天线为两根、四根、六根或八根。

5.根据权利要求1所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于所述的天线采用多路并发时隙通道传输数据，其物理层包括交替分布的无人机数传通道和用户地面站时隙通道，无人机数传通道和用户地面站时隙通道均包括用于实时传输视频图像宽带数据的长时隙通道和用于传输其他数据的短时隙通道，无人机数传通道和用户地面站时隙通道之间还设置有保护时隙。

6.根据权利要求1所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于所述的数传发送装置包括：

多通道数据复用模块，用于判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用；

基带处理模块，用于对组帧流复用的数据进行基带处理；以及

射频处理模块，用于对经基带处理后的数据进行射频发送。

7.根据权利要求6所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于：

所述的基带处理模块包括与数据复用模块连接的AES加密模块、与AES加密模块连接的卷积编码或Turbo编码模块、与卷积编码或Turbo编码模块连接的信道解交织模块、以及与信道解交织模块连接的MIMO-COFDM调制模块；

所述的射频处理模块包括与与MIMO-COFDM调制模块连接的数模转换模块、与数模转换模块连接的上变频模块、以及连接上变频模块和天线的功放与滤波模块。

8.根据权利要求1所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于所述的数传接收装置包括：

射频处理模块，用于对接收到的数据进行射频处理；

基带处理模块，用于对经射频处理的数据进行基带处理；以及

多通道数据解复用模块，用于对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用。

9.根据权利要求8所述的一种多天线机身融合无人机，其特征在于：

所述的射频处理模块包括与天线连接的滤波与低噪放模块、与滤波与低噪放模块连接的下变频与中频滤波模块、以及与下变频与中频滤波模块的模数转换模块；

所述的基带处理模块包括与模数转换模块连接的信道同步模块、与信道同步模块连接的MIMO-COFDM解调和均衡模块、与MIMO-COFDM解调和均衡模块连接的信道解交织模块、以及与信道解交织模块连接的卷积解码或Turbo解码模块；

所述的数据解复用模块包括与卷积解码或Turbo解码模块连接的AES解密模块、以及与AES解密模块连接的解帧复用模块。