集群无人机分布式快速通信系统及通信方法与流程

本发明涉及无人机的技术领域，更具体地，涉及集群无人机分布式快速通信系统及通信方法。

背景技术：

无人机行业处于快速增长的时代， 无人机已经在航拍、 农业、 测绘等方面得到了很大的应用。 对于单个无人机，能够搭载各种各样的传感器与机载电脑进行环境感知、状态预测与信息处理。对于简单的任务，如单目标跟踪，慢速的场景构建，少量物品运输等，单个无人机即可完成。但是，面对日益复杂的场景和任务，如多目标跟踪，快速场景的 SLAM 和灾区搜救等， 单个无人机已经越来越难满足对应的需求。为了解决这个问题， 需要多架无人机协同才能高效率地完成复杂任务，才能满足各个方面的要求，使无人机在各个行业中得到更加广泛的应用。

在无人机协同系统中，系统内部的信息交流是必须环节。 一方面， 通过可靠的信息交流，使得系统内部信息融合，优化整个系统的任务分配，提高整个系统的运作效率。另一方面，通过系统内部的信息传输与交流，无人机能够获得比单个无人机更加广阔的探测范围，有利于作出提前的规划与控制。因此，集群无人机之间的快速稳定通信方式势在必行。

而现有技术中，无人机群主要是以地面站为中心的通信架构，地面站处于通信的中心，负责整个通信系统的时序分配。各个无人机都只是跟地面站保持联系，无人机与无人机之间并没有进行直接信息的交流。对于高成本的 MIMO 通信系统，地面站可以不考虑时序问题，而对于低成本的通信模块，其并没有提供复用部分。而且这种低价的通信系统也为市面上最常见的通信系统。因此，对于此问题，通常的解决方案是采用轮询的通信方式， 地面站依次发出指令询问单个飞行器的状态。一次的通信方式与 TCP/IP 的三次握手方式类似，首先地面站发送请求帧， 飞行器再返回数据帧， 地面站收到后再发送应答帧。 以地面站作为整个系统主要的中心的系统相对来说比较容易实现，对于基本的通信逻辑修改只要修改地面站即可。集群无人机每增加一架无人机，在每个通信周期中就要多增加三次通信。

目前集群无人机通信系统的主要缺点如下：

（1）在目前的集中式通信架构上大部分是以地面站为中心的通信系统。 系统极其脆弱， 地面站一旦出问题，整个系统就会崩溃。如果改为分布式的通信，将通信任务分散到各个无人机，通信系统的鲁棒性和抗干扰性将大大增加。 对于地面站的发送与接收功率要求也非常高，增大了能源的消耗。

（2）在通信方法上基本上是以轮询的通信方式，地面站发出指令询问单个飞行器，飞行器再返回数据， 地面站收到后再发送应答。 地面站以这种方式逐个询问飞行器数据，通信周期被拉延长，数据更新不及时。 应答帧虽然确保了通信的可靠性，但是对于通信链路中的利用率比较低，其中有价值的数据不高，存在冗余。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供集群无人机分布式快速通信系统及通信方法，提高了通信系统的鲁棒性和通信实时性。本专利将通信任务分布到各个无人机上，实现分布式通信，提高了通信系统的鲁棒性和抗干扰性，即使任何一架无人机失联了也不影响整个系统的通信运转。弱化地面站的功能，地面站只是一个应急处理和显示信息的工具，而不是整个系统的核心。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：集群无人机分布式快速通信系统，其特征在于，包括多个无人机及地面站的1个上位机，多个无人机及地面站的1个上位机之间依次串联连接。

本发明中，是以通信环的形式，串联起来每个无人机以及地面站。由于本通信系统采用的是透明广播通信，只要避免通信冲突，在同个信道上的无人机以及地面站都可以接收到所有信息。 地面站作为通信的第一环（最后一环） ，可以控制整个无人机群，比如起飞降落、传输设置参数等。

本发明中，改进轮询的通信方式，不再是地面站请求飞行器发送数据，而是将多架无人机组成通信环，只需要一个启动信号，通信环将会周而复始地运转。即使其中有一架无人机暂时通信失败，也不影响整个通信系统，通信环将暂时跳过此架飞行器。同时取消了专门的应答信号，而是将下一架无人机的通信内容当做给上一架的应答信号，大大提高了通信的速度，至少是原来的三倍，缩短了通信周期。

进一步的，利用所述的集群无人机分布式快速通信系统的通信方法，其中：包括以下步骤，

S1. 帧头，标识一帧数据的开始；

S2. 目标地址，代表广播发送或者发给指定飞行器；

S3. 源地址，代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的；

S4. 序号，代表第几次发送数据，可以作为通信的时间戳，判断是否缺帧；

S5. 信息标识，指的是该帧数据包含的是什么类型的数据；

S6. 校验和，将前面所有数据进行相加取最后的两字节。

通信协议，是依照数据类型可以变长度的帧。起始是帧头，标识一帧数据的开始；接着就是目标地址，代表广播发送或者发给指定飞行器；然后是源地址，代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的；接着就是序号，代表第几次发送数据，可以作为通信的时间戳，判断是否缺帧；信息标识指的是该帧数据包含的是什么类型的数据，比如是 GPS位置信息或者是飞行速度信；最后的校验和，是将前面所有数据进行相加取最后的两字节，以保证接收方可以校验数据的正确性。

本发明的具体通信流程如下：

当一个通信周期开始的时候， 地面站发出起飞指令。 这时候由于是透明广播通信， 在同一信道的所有飞行器都会接收到，通过通信协议的解析，每架飞行器可以知道信息的来源。但是收到信息的飞行器并不需要发送应答，只需要判断信息是否发送给自己，并且做出相应处理即可。当飞行器一号解析地面站发出来的信息后，才会发出自己的信息。

这个飞行器一号的信息有三个作用，一是作为给地面站的应答信号，表示一号机已经接收到地面站的信号， 地面站不需要再次重发信息；二是作为二号机发送信息的启动信号，只有当二号机接收到一号机信息的时候，二号机才会发出自己的信息；三是广播告知所有的飞行器自己的信息，以及传给地面站显示自己的位置等信息。

同理， 二号机收到一号机信息之后， 也会发出自己的信息，三个作用也是同上， 一是上一架无人机的应答， 二是下一架的启动信号， 三是把自己信息广播告知所有无人机。 利用机制上的约定，减少信息传递上的冗余，增大通信的效率。

进一步的，所述的通信系统包括以下电路模块：电源转换电路、与电源转换电路连接的稳压电路、与稳压电路连接的微处理器，微处理器连接外部接口电路以及通信模块。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提高了通信系统的鲁棒性和通信实时性。本专利将通信任务分布到各个无人机上，实现分布式通信，提高了通信系统的鲁棒性和抗干扰性，即使任何一架无人机失联了也不影响整个系统的通信运转。弱化地面站的功能，地面站只是一个应急处理和显示信息的工具，而不是整个系统的核心。

另外，改进轮询的通信方式，不再是地面站请求飞行器发送数据，而是将多架无人机组成通信环，只需要一个启动信号，通信环将会周而复始地运转。即使其中有一架无人机暂时通信失败，也不影响整个通信系统，通信环将暂时跳过此架飞行器。同时取消了专门的应答信号，而是将下一架无人机的通信内容当做给上一架的应答信号，大大提高了通信的速度，至少是原来的三倍，缩短了通信周期。

附图说明

图 1 为本发明的整体的通信架构示意图；

图 2 为本发明的通信方法示意图；

图 3 为本发明的具体实例的整个流程示意图；

图 4 为本发明的 C#编写的地面站软示意图；

图 5 为本发明的电路部分各个模块的系统框架示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，是以通信环的形式，串联起来每个无人机以及地面站。由于本通信系统采用的是透明广播通信，只要避免通信冲突，在同个信道上的无人机以及地面站都可以接收到所有信息。 地面站作为通信的第一环（最后一环） ，可以控制整个无人机群，比如起飞降落、传输设置参数等。

通信协议如图2所示，是依照数据类型可以变长度的帧。起始是帧头，标识一帧数据的开始；接着就是目标地址，代表广播发送或者发给指定飞行器；然后是源地址，代表此帧是哪架飞行器或者地面站发送出来的；接着就是序号，代表第几次发送数据，可以作为通信的时间戳，判断是否缺帧；信息标识指的是该帧数据包含的是什么类型的数据，比如是 GPS位置信息或者是飞行速度信；最后的校验和，是将前面所有数据进行相加取最后的两字节，以保证接收方可以校验数据的正确性。

图 1 的通信架构，与图 2 的通信方法， 构成了本专利最核心的部分。 下面结合图 3 举例说明整个通信的流程。

当一个通信周期开始的时候， 地面站发出起飞指令。 这时候由于是透明广播通信， 在同一信道的所有飞行器都会接收到，通过通信协议的解析，每架飞行器可以知道信息的来源。但是收到信息的飞行器并不需要发送应答，只需要判断信息是否发送给自己，并且做出相应处理即可。当飞行器一号解析地面站发出来的信息后，才会发出自己的信息。

这个飞行器一号的信息有三个作用，一是作为给地面站的应答信号，表示一号机已经接收到地面站的信号， 地面站不需要再次重发信息；二是作为二号机发送信息的启动信号，只有当二号机接收到一号机信息的时候，二号机才会发出自己的信息；三是广播告知所有的飞行器自己的信息，以及传给地面站显示自己的位置等信息。

同理， 二号机收到一号机信息之后， 也会发出自己的信息，三个作用也是同上， 一是上一架无人机的应答， 二是下一架的启动信号， 三是把自己信息广播告知所有无人机。 利用机制上的约定，减少信息传递上的冗余，增大通信的效率。

图 4 是使用 C#编写的地面站软件。

左上方的是串口区，使用的是 C#提供的串口控件，可以设置波特率并且设置有多少架无人机参与通信，使用转串口模块连接电脑，识别串口获得端口号，收集数据传回地面站，这个区域是地面站数据的入口。

左边中间的区域是单架飞机的控制区， 可以灵活地控制集群无人机中的单架无人机， 也可以控制其中几架，可以非常方便地完成自定义任务以及应急措施。

中间一大块区域就是这个地面站的核心功能，可以显示集群无人机的位置信息等。这是使用 JavaScript 和 C#联合编程，内嵌了百度地图，同时将 GPS 信号经过一系列解密转换算法的处理，精准地换算出百度地图坐标系下的坐标，使得飞行器的实际位置跟地图中的位置对应。同时还可以切换地图的不同显示模式，除了一般的地图模式，还有卫星和三维等模式。在室内就可以实时观看到集群无人机的位置等信息。

中间下方的是编队的控制区， 可以控制集群无人机以一定的队形编队飞行， 以及切换队形等。 当然，这也能够自主设定无人机编队为任意队形，触发功能后，只需要任意点击地图，即可以指定任意的形状。这个区域还包括设定队形的各种参数。

右侧则是地面站的监控区域， 可以实时得知集群无人机的状态， 查看每架无人机是实时的经纬度等，还可以从串口缓冲区读出接收到的原始数据，便于后续的处理。

总的来说， 整个地面站软件部分在整个快速通信系统起到显示， 监测， 应急的作用，将集群无人机的编队完成复杂任务的过程可视化了，还起到监测，应急的作用，提高了整个通信系统的可靠性，是必不可少的一环。

图 5 是电路部分各个模块的系统框架。

电源转换电路

微处理器需要 5V/2A 的直流电压，而无人机使用的是 4S 航模电池，电压在 14.8V-16.8V之间，因此我们需要电源转换电路将航模电池电压稳压到 5V，并且输出电流是 2A，否则微处理器会因为电流不足而出现各种问题设置死机。

稳压电路

微处理器对电压的要求十分苛刻， 经过电源转换电路之后， 电压的纹波还是比较大， 直接接微处理器还是很容易出现问题，因此还需要稳压电路减小纹波。

微处理器

微处理器是整个无人机通讯终端的控制中心，它主要承担解析协议，控制无人机等功能。

通信模块

通信模块十分重要，使用的是 2.4-2.518GHz 的通信频段，使用透明传输的工作方式，模块发射时根据自身设置的地址和信道，将用户数据经过编码加密后，随机发射到空中。同一信道的接收方收到数据后进行反向解码，如果校验通过之后则转串口输出数据。使用串口协议与微处理器进行通信。使用透明传输的工作方式可以实现广播通信。

外部接口电路

外部接口电路采用串口通信协议，留有外部连接器，分别为 GND， RX， TX。该接口可进行有线连接，也可以连接无线模块，以扩展该通信系统的功能。 目前连接飞控以给飞控指令完成指定飞行任务。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。