CN208241668U - 一种多余度无人机数据传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多余度无人机数据传输装置，其中机载数据余度融合计算机实时获取飞行遥测数据及视频图像数据；利用链路数据选取模块根据链路数据选取机制选取数据；封装并通过对应的数据链路通道传输给地面数据余度融合计算机；地面数据余度融合计算机通过数据类型标识位获知数据内容归属的数据类型，验证数据正确后，根据数据顺序标识位将后续其它数据链路通道到达的同种数据类型的数据丢弃掉。本实用新型通过在机载数据余度融合计算机和地面数据余度融合计算机设置链路数据选取机制，对应不同数据链路特点有选择地选取传输数据，在最大程度满足数据传输内容要求的情况下，提高了数据传输稳定性和可靠性，使信息传播的广度和速度得以提升。

Description

一种多余度无人机数据传输装置

技术领域

本实用新型涉及无人机领域，尤其是涉及一种多余度无人机数据传输装置。

背景技术

无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV)，是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。随着无人机技术的快速发展，无人机已经被广泛应用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等民用行业。

现有的无人机数据传输装置通常利用无线电波上行及下行信道传输数据。地面设备将飞行任务控制命令打包成指令形式，通过无线电波上行信道发送至无人机。无人机的机载飞控计算机进行指令解码即得到开关或连续指令等信号。这些信号送到作动控制器，控制无人机飞行状态。在无人机上，机载采集设备采集机载传感器数据，并传给机载飞控计算机；机载飞控计算机利用其中机载传感器采集的数据进行计算，并根据计算结果得到操控数据，作动控制器利用这些操控数据控制无人机的飞行。同时飞控计算机将采集到的机载传感器数据和操控数据等无线电波下行信道传递到地面设备，用以显示、读取飞机的状态参数以及侦察信息数据。

对于一些需要视频拍摄的应用，无人机还需要通过机载视频采集设备拍摄视频图像，由于这些视频图像不易数字化处理，而且无线电波的频率大约为10KHz～30,000,000KHz，或波长30,000m～10μm的电磁波，覆盖范围较窄，所以现有技术只适合在对实时性和可靠性要求不高的某些领域内应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对目前存在的问题，提供一种多余度无人机数据传输装置，其能够针对不同的数据采取不同的传输通道，且延时小丢包率低，传输效果好，可以有效解决背景技术中的问题。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

本实用新型的目的是提供一种多余度无人机数据传输装置，其包括：

无人机地面控制站、地面数据余度融合计算机、机载数据余度融合计算机、飞控计算机和机载图像采集设备；

飞控计算机根据机载传感器数据进行飞行控制，并采集获得飞行操控数据提供给无人机的作动控制器，并且将相关飞行遥测数据传输给机载数据余度融合计算机；

机载图像采集设备采集视频数据，并实时传输给机载数据余度融合计算机；

机载数据余度融合计算机中设置有控制芯片，该控制芯片的一端连接数字数据接口和视频数据接口，并基于该数字数据接口和视频数据接口分别与飞控计算机和机载图像采集设备通信，该控制芯片的另一端连接多个用于传输数据的通信端口，包括但不限于：4G通信端口、北斗卫星通信接口、微波电台窄带通信接口、微波电台宽带通信接口和GPRS网络通信接口；所述用于传输数据的通信端口分别连接对应的数据链路通道；所述控制芯片中内置有为每条数据链路通道选取对应数据的链路数据选取模块；

所述地面数据余度融合计算机中设置有控制芯片，该控制芯片的一端连接数字数据接口和视频数据接口，并基于所述数字数据接口和视频数据接口与所述无人机地面控制站连接；该控制芯片的另一端连接多个用于传输数据的通信端口，包括但不限于：4G通信端口、北斗卫星通信接口、微波电台窄带通信接口、微波电台宽带通信接口和GPRS网络通信接口，所述用于传输数据的通信端口分别连接对应的数据链路通道；所述控制芯片中内置有为每条数据链路通道选取对应数据的链路数据选取模块。

更优选地，所述的链路数据选取模块为每条链路通道选取对应数据的链路数据选取机制为：

4G通信链路通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行传输；

卫星通信链路通路选取飞行遥测数据中相对关键的无人机位置、姿态等数据进行传输；

微波电台窄带数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输，并且在4G通信链路通路、微波电台宽带数据通路和GPRS通信数据通路的链路出现问题后，按照时间间隔抓取视频截图数据再进行传输；

微波电台宽带数据通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行传输；

GPRS通信数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输；并且在4G通信链路通路、微波电台窄带数据通路和微波电台宽带数据通路出现问题后，机载数据余度融合计算机按照时间间隔抓取的视频截图数据，再进行传输。

更优选地，所述机载数据余度融合计算机和地面数据余度融合计算机的控制芯片中还包括：

封装解析模块；

所述封装解析模块将为每条链路通道选取的对应数据封装到数据包中，和解析每条链路通道传输过来的数据包，所述数据包至少包含如下信息：数据顺序标识位、源地址、目的地址、数据类型标识位、数据内容和校验位。

由上述本实用新型的技术方案可以看出，与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果：

本实用新型通过根据链路选取机制，对应不同的数据链路特点有选择的选取必要传输数据内容，在最大程度满足数据传输内容要求的情况下，大大提高了数据传输的稳定性和可靠性，并使得信息传播的广度和速度得以提升。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

附图中：

无人机地面控制站10、地面数据余度融合计算机20、机载数据余度融合计算机30、飞控计算机40和机载图像采集设备50。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本实用新型中，属于“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型考虑到如下通讯技术有着各自的特点及优点：

4G，第四代移动电话行动通信标准4G技术，包括TDLTE和FDD-LTE两种制式，集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等；4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL(4兆)快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求；此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区，4G有着不可比拟的优越性。

微波电台基于频率为300MHz-300GHz的数字电台，其传播波长在1毫米到1米之间，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波电台的统称。微波电台的频率比一般的无线电台的频率高，通常也称为"超高频电台"。微波电台基于带宽情况，其可分为微波电台(宽带)和微波电台(窄带)。

GPRS相对微波电台(窄带)，GPRS的传输距离远，可以覆盖更大范围的数据。

基于全球卫星导航定位装置的北斗卫星通信技术是在全球范围内全天候、全天时为广大用户提供高精度、高可靠定位、授时以及短报文通信服务的一种技术，其传播速度快、覆盖范围广，可以做到即时快捷通信。

本实用新型的实用新型人集合上述各个通讯技术的优点，设计了一种多余度无人机数据传输装置以及传输方法，该传输装置及传输方法通过在无人机上增加一个机载数据余度融合计算机以及在地面设备上增加一个地面数据余度融合计算机，并设计一个数据包封装和识别的通信协议，使得机载数据余度融合计算机以及地面数据余度融合计算机中共同遵循，对通过各条通信链路传输的数据进行识别，从而发挥出各条通信链路的优点。

实施例一：

本实用新型实施例一提供一种多余度无人机数据传输装置，其具体结构如图1所示，包括：

无人机地面控制站10、地面数据余度融合计算机20、机载数据余度融合计算机30、飞控计算机40和机载图像采集设备50。

上述飞控计算机40根据机载传感器数据等进行飞行控制，并采集获得飞行操控数据；将该飞行操控数据提供给作动控制器用以控制无人机的运行，并且将相关飞行遥测数据传输给机载数据余度融合计算机30。

上述机载图像采集设备50用于实时采集视频图像数据，并将该视频图像数据实时传输给机载数据余度融合计算机30。

上述机载数据余度融合计算机30中设置有控制芯片(如ARM芯片)。该控制芯片的一端连接数字数据接口和视频数据接口，并基于该数字数据接口和视频数据接口分别与飞控计算机40和机载图像采集设备50相连，该控制芯片的另一端连接多个用于传输数据的通信端口，包括但不限于：4G通信端口、北斗卫星通信接口、微波电台(窄带)通信接口、微波电台(宽带)通信接口和GPRS网络通信接口，这些用于传输数据的通信端口分别连接对应的数据链路。

该控制芯片中设置有：链路数据选取模块和封装解析模块；

链路数据选取模块中内置对应上述数据链路的链路数据选取机制，当机载数据余度融合计算机30接收到飞控该计算机40传输的飞行遥测数据和机载图像采集设备50传输的视频图像数据后，通过封装解析模块将需要传输的飞行遥测数据和视频图像数据进行解析后，链路数据选取模块按照该预设的链路数据选取机制选取需要传输的数据，并将数据封装到数据包中，然后选择对应的通信链路传输出去。

封装后的数据包至少包含如下信息：

数据顺序标识位、源地址、目的地址、数据类型标识位、数据内容和校验位。

该预设的链路选取机制如下：

1、4G通信链路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行空地传输。

根据4G通信链路的特点，该4G通信链路的选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行空地传输，并且该4G通信链路通过公共互联网或者专用互联网传输，因此可以实现远距离传输。

2、卫星通信链路通路选取飞行遥测数据中相对关键的无人机位置、姿态等数据进行传输。

由于北斗卫星的带宽和使用费用等原因，北斗卫星通信链路一般只作为应急链路存在，当空地通信因某些原因导致相对较长时间数据中断后，此时无人机机载数据余度融合计算机30就会主动发起的空地数据传输；或者地面操控人员在必要时候也可随时主动请求的飞行机载端数据和上发无人机操控数据到机载端。根据北斗卫星通信链路的特点，该卫星通信链路通路选取飞行遥测数据中相对关键的无人机位置、姿态等数据进行传输。

3、微波电台(窄带)数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输，并且在其它能够传输图像数据的链路出现问题后，机载数据余度融合计算机30可按照时间间隔抓取视频截图数据再通过此通路下传至地面。

根据微波电台(窄带)数据链路的特点，该微波电台(窄带)数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输，并且在其它能够传输图像数据的链路出现问题后，机载数据余度融合计算机30可按照时间间隔抓取视频截图数据再通过此通路下传至地面。通过该微波电台(窄带)数据通路虽然不能做到实时图像的传输，但也能保证地面能够获取一定时间范围内的空中图像采集数据。

4、根据微波电台(宽带)数据链路的特点，该微波电台(宽带)数据通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行空地传输。

5、GPRS通信数据通路与微波电台(窄带)数据通路一样选取全部飞行遥测数据进行传输；并且在其它能够传输图像数据的链路出现问题后，机载数据余度融合计算机按照时间间隔抓取的视频截图数据，再通过此GPRS通信数据通路下传至地面。

根据GPRS通信数据链路的特点，该GPRS通信数据通路与微波电台(窄带)数据通路一样选取全部飞行遥测数据进行传输，并且在其它能够传输图像数据的链路出现问题后，机载数据余度融合计算机可按照时间间隔抓取的视频截图数据再通过此GPRS通信数据通路下传至地面。虽然通过GPRS通信数据通路不能做到实时图像的传输，但也能保证地面能够获取一定时间范围内的空中图像采集数据。由于GPRS的传输基于公共互联网或者专用互联网传输，从而在传输距离上能够覆盖相对较大范围，但此GPRS通信数据通路的延时较大。可以说GPRS通信数据通路和微波电台(窄带)数据通路之间是彼此互补的功能。

同样，地面数据余度融合计算机20中设置有控制芯片(如ARM芯片)。该控制芯片的一端连接数字数据接口和视频数据接口，并基于所述数字数据接口和视频数据接口与所述无人机地面控制站10连接；该控制芯片的另一端连接4G通信端口、北斗卫星通信接口、微波电台(窄带)通信接口、微波电台(宽带)通信接口和GPRS网络通信接口，分别连接对应的数据链路。

地面数据余度融合计算机20的控制芯片中设置有链路数据选取模块和封装解析模块。地面数据余度融合计算机20通过数据链路实时从各个数据链路中接收数据包，封装解析模块通过协议规定解析该数据包，通过数据类型标识位获知数据内容归属于哪种数据类型，并通过校验位验证数据正确后，并根据数据顺序标识位将后续其它通道达到的同种数据类型的数据直接丢弃掉。

地面数据余度融合计算机20将数据类型标识位对应的数据重新封装到数据包中，该数据包至少包括如下信息：

源地址、目的地址、数据类型、数据内容和校验位。

地面数据余度融合计算机20将封装好的数据包传给无人机地面控制站10。无人机地面控制站10接收到地面数据余度融合计算机20传给的数据包后，获得无人机的飞行状况信息。

对于无人机地面控制站10发送的飞行遥测指令等，则同样先传输给地面数据余度融合计算机20；地面数据余度融合计算机20将其解析并识别后，除了微波电台(宽带)外，地面数据余度融合计算机20根据同样的链路数据选取机制选取需要传输的数据，并将数据封装到数据包中，然后选择对应的通信链路传输出去。数据包中至少包括如下信息：

数据顺序标识位、源地址、目的地址、数据类型标识位、数据内容和校验位。

无人机上的机载数据余度融合计算机30实时接收达到的数据包，解析并验证数据正确后，根据顺序标识位，将后续从其他通路到达的数据包直接丢弃掉。而后将验证正确的数据传输给飞控计算机40。

上述的一种多余度无人机数据传输装置的工作过程，包括如下步骤：

步骤S101，机载数据余度融合计算机30实时获取飞控计算机40传输的飞行遥测数据以及所述机载图像采集设备50实时采集的视频图像数据；

步骤S102，所述机载数据余度融合计算机30根据链路数据选取机制为每条链路通道选取对应的数据，并按照设定的通信协议进行数据封装；

所述链路数据选取机制如下：

4G通信链路通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行空地传输；

卫星通信链路通路选取飞行遥测数据中相对关键的无人机位置、姿态等数据进行传输；

微波电台窄带数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输，并且在4G通信链路通路、微波电台宽带数据通路和GPRS通信数据通路的链路出现问题后，按照时间间隔抓取视频截图数据再进行传输；

微波电台宽带数据通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行空地传输；

GPRS通信数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输；并且在4G通信链路通路、微波电台窄带数据通路和微波电台宽带数据通路出现问题后，机载数据余度融合计算机按照时间间隔抓取的视频截图数据，再进行传输；

完成封装后的数据包至少包含如下信息：数据顺序标识位、源地址、目的地址、数据类型标识位、数据内容和校验位；

步骤S103，将封装后的数据包按照对应的数据链路通道传输给地面数据余度融合计算机20；

步骤S104，所述地面数据余度融合计算机20实时从各个数据链路通道中接收数据包，并通过协议规定解析该数据包，通过数据类型标识位获知数据内容归属于哪种数据类型，并通过校验位验证数据正确后，并根据数据顺序标识位将后续其它数据链路通道到达的同种数据类型的数据直接丢弃掉；

步骤S105，所述地面数据余度融合计算机20将验证正确的数据传输给无人机地面控制站10。

上述的一种多余度无人机数据传输方法还给出了将无人机地面控制站10的遥控指令等数据上传过程的执行流程，其包括如下步骤：

步骤S201，地面数据余度融合计算机20实时获取无人机地面控制站10的飞行遥控数据；

步骤S202，所述地面数据余度融合计算机20根据链路数据选取机制为每条链路通道选取对应的数据，并按照设定的通信协议进行数据封装；

所述链路数据选取机制如下：

4G通信链路通路选取全部的飞行遥测数据进行传输；

卫星通信链路通路选取飞行遥测数据中相对关键的无人机位置、姿态数据进行传输；

微波电台窄带数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输；

GPRS通信数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输；

完成封装后的数据包至少包含如下信息：数据顺序标识位、源地址、目的地址、数据类型标识位、数据内容和校验位；

步骤S203，将封装后的数据包按照对应的数据链路通道传输给机载数据余度融合计算机30；

步骤S204，机载数据余度融合计算机30实时从各个数据链路通道中接收数据包，并通过协议规定解析该数据包，通过数据类型标识位获知数据内容归属于哪种数据类型，并通过校验位验证数据正确后，并根据数据顺序标识位将后续其它数据链路通道到达的同种数据类型的数据直接丢弃掉；

步骤S205，机载数据余度融合计算机30将验证正确的数据传输给飞控计算机40。

之后飞控计算机40根据接收到的数据进行计算并生成操控数据，作动控制器利用这些操控数据控制无人机的飞行。

由上述本实用新型的技术方案可以看出，本实用新型通过根据链路选取机制，对应不同的数据链路选择不同的数据进行打包传输，大大提高了数据传输的可靠性，并使得信息传播的广度和速度得以提升。

本实用新型通过北斗卫星通信链路传输关键的短报文数据，提高了数据传输的可靠性，能够实现应急通讯。

由于基于4G网络协议传输数据，其传输距离长和网络覆盖范围广，所以通过4G通信链路传输全部的飞行遥测数据和视频图像数据时，空地传输距离增大后依然可靠地传输数据。同时通过4G通信链路、微波电台(宽带)下行传输两种数据，数据延时小丢包率低，也会大大提高了数据的及时性和可靠性。

由于GPRS的传输距离以及覆盖范围相对微波电台(窄带)大，通过GPRS和微波电台(窄带)这两条链路传输飞行遥测数据和通过按照时间间隔抓取的视频截图数据，可以使得传输距离加长，数据可靠性提高。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本实用新型。在不脱离本实用新型之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (2)

1.一种多余度无人机数据传输装置，其特征在于，所述的多余度无人机数据传输装置包括：

无人机地面控制站(10)、地面数据余度融合计算机(20)、机载数据余度融合计算机(30)、飞控计算机(40)和机载图像采集设备(50)；

飞控计算机(40)根据机载传感器数据进行飞行控制，并采集获得飞行操控数据提供给无人机的作动控制器，并且将相关飞行遥测数据传输给机载数据余度融合计算机(30)；

机载图像采集设备(50)采集视频数据，并实时传输给机载数据余度融合计算机(30)；

机载数据余度融合计算机(30)中设置有控制芯片，该控制芯片的一端连接数字数据接口和视频数据接口，并基于该数字数据接口和视频数据接口分别与飞控计算机(40)和机载图像采集设备(50)通信，该控制芯片的另一端连接多个用于传输数据的通信端口，包括：4G通信端口、北斗卫星通信接口、微波电台窄带通信接口、微波电台宽带通信接口和GPRS网络通信接口；所述用于传输数据的通信端口分别连接对应的数据链路通道；所述控制芯片中内置有为每条数据链路通道选取对应数据的链路数据选取模块；

所述地面数据余度融合计算机(20)中设置有控制芯片，该控制芯片的一端连接数字数据接口和视频数据接口，并基于所述数字数据接口和视频数据接口与所述无人机地面控制站(10)连接；该控制芯片的另一端连接多个用于传输数据的通信端口，包括：4G通信端口、北斗卫星通信接口、微波电台窄带通信接口、微波电台宽带通信接口和GPRS网络通信接口，所述用于传输数据的通信端口分别连接对应的数据链路通道；所述控制芯片中内置有为每条数据链路通道选取对应数据的链路数据选取模块。

2.根据权利要求1所述的一种多余度无人机数据传输装置，其特征在于，所述的链路数据选取模块为每条链路通道选取对应数据的链路数据选取机制为：

4G通信链路通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行传输；

卫星通信链路通路选取飞行遥测数据中相对关键的无人机位置、姿态数据进行传输；

微波电台窄带数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输，并且在4G通信链路通路、微波电台宽带数据通路和GPRS通信数据通路的链路出现问题后，按照时间间隔抓取视频截图数据再进行传输；

微波电台宽带数据通路选取全部的飞行遥测数据和视频图像数据进行传输；

GPRS通信数据通路选取全部飞行遥测数据进行传输；并且在4G通信链路通路、微波电台窄带数据通路和微波电台宽带数据通路出现问题后，机载数据余度融合计算机按照时间间隔抓取的视频截图数据，再进行传输。