基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無人機(jī)遠(yuǎn)程測控技術(shù)，尤其設(shè)及在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)條件下的無人機(jī)遠(yuǎn)程 測控技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)測控技術(shù)是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題，主要采用兩類無線數(shù)據(jù)鏈路；第一 類是W L、S、C等微波W及衛(wèi)星為代表的具有視距及超視距測控能力的數(shù)據(jù)鏈；第二類是W 藍(lán)牙、wifi、RC遙控?cái)?shù)傳電臺等為代表的短距離測控能力的數(shù)據(jù)鏈。而該兩類鏈路都有著 自身的優(yōu)勢，但是前者接受/發(fā)送設(shè)備尺寸大、質(zhì)量重、費(fèi)用貴，后者測控距離都太小，使用 范圍受限，均不利于民用無人機(jī)遠(yuǎn)程測控應(yīng)用的發(fā)展。
[0003] 隨著移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，特別是3G技術(shù)的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積越來越 廣、傳輸速率越來越快（WCDM的傳輸速率在室內(nèi)可W達(dá)到2Mbps，在移動(dòng)空間內(nèi)可達(dá)到 38地bps,并且支持可變數(shù)據(jù)傳輸），其在民用無人機(jī)領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。具體而言移 動(dòng)通信具有W下優(yōu)勢：①移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端具有質(zhì)量輕、尺寸小、費(fèi)用低的特點(diǎn)，有利于無 人機(jī)小微型化和民用化的發(fā)展；②移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁有全球無縫漫游的能力，從而使得超視 距控制無人機(jī)具有更強(qiáng)的隱蔽性和便攜性，能夠降低無人機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本；⑨在 滿足信號覆蓋的前提下，筆記本、手機(jī)、甚至每一個(gè)±兵都是網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)的節(jié)點(diǎn)，可隨時(shí)、 隨地、隨設(shè)備"地完成視距/超視距（跨基站）無人機(jī)任務(wù)；④伴隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速 發(fā)展，其將會呈現(xiàn)更高帶寬、更強(qiáng)實(shí)時(shí)、更廣范圍的趨勢，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)系統(tǒng) 將有更好的升級空間。
[0004] 現(xiàn)有的無人機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)性能和產(chǎn)品價(jià)格具有很大矛盾性，例如普通的無人機(jī)通 過一些簡單的數(shù)據(jù)鏈路可W實(shí)現(xiàn)幾百米或者幾公里，但是隨著測控距離要求的增加，就需 要專用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈，而該些使得無人機(jī)系統(tǒng)的成本大幅度攀升。雖然目前有一些基于3G 網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)系統(tǒng)，但是，一部分是針對特定領(lǐng)域的特定用途，例如針對消防體系設(shè)計(jì)的對 有害氣體進(jìn)行檢測的3G無人機(jī)系統(tǒng)，還有一部分則是處在"測而不控"的狀態(tài)，例如一種基 于3G的無人機(jī)測控系統(tǒng)，主要用于地面控制站設(shè)備所設(shè)視頻和音頻通過3G網(wǎng)絡(luò)上傳至無 人機(jī)進(jìn)行"轉(zhuǎn)播"或者無人機(jī)所攝的視頻和音頻下傳到地面控制站設(shè)備進(jìn)行播放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無人 機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)及方法，解決無人機(jī)遠(yuǎn)程測控問題，通過一定的延時(shí)預(yù)測與狀態(tài)補(bǔ)償?shù)姆?法，提高基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的測控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)的整體性能。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，包括無人機(jī)機(jī)載設(shè)備、地面控制站設(shè) 備設(shè)備和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；
[0008] 所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備包括自主飛行控制模塊與機(jī)載處理模塊。所述自主控制模塊 包括手動(dòng)飛行模塊、自動(dòng)飛行模塊和異常處理模塊。所述加載處理模塊包括移動(dòng)通信模塊、 延時(shí)補(bǔ)償模塊、服務(wù)質(zhì)量設(shè)計(jì)模塊、云臺控制模塊、視覺處理模塊、故障檢測模塊、信號檢測 模塊和基站定位模塊。所述移動(dòng)通信模塊包括加解碼模塊、編解碼模塊。所述延時(shí)補(bǔ)償模 塊包括控制補(bǔ)償模塊和延時(shí)預(yù)測模塊。
[0009] 所述地面控制站設(shè)備包括移動(dòng)通信模塊、延時(shí)補(bǔ)償模塊、服務(wù)質(zhì)量設(shè)計(jì)模塊、人機(jī) 交互模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。所述移動(dòng)通信模塊包括加解碼模塊、編解碼模塊。所述延時(shí)補(bǔ)償 模塊包括延時(shí)預(yù)測模塊和信息補(bǔ)償模塊。所述人機(jī)交互模塊包括監(jiān)視模塊和操作模塊。所 述監(jiān)視模塊包括視頻監(jiān)視模塊和狀態(tài)監(jiān)視模塊。所述操作模塊包括任務(wù)指令控制模塊、有 效載荷控制模塊和手動(dòng)操作模塊。
[0010] 所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備與地面控制站設(shè)備設(shè)備通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無線連接。所述自 主飛行控制模塊與機(jī)載處理模塊之間通過總線連接。
[0011] 在地面控制站設(shè)備設(shè)備中，所述操作模塊產(chǎn)生指令上傳至所述服務(wù)質(zhì)量設(shè)計(jì)模塊 進(jìn)行分級，再通過地面控制站設(shè)備設(shè)備中的移動(dòng)通信模塊發(fā)送指令到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。所述 地面控制站設(shè)備設(shè)備中的移動(dòng)通信模塊接收來自移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，然后傳送至所 述信息補(bǔ)償模塊并結(jié)合所述延時(shí)預(yù)測模塊對信息進(jìn)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，最后通過所述人機(jī)交互 模塊進(jìn)行顯示。
[0012] 在無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中，所述機(jī)載處理模塊中的移動(dòng)通信模塊接受所述移動(dòng)通信網(wǎng) 絡(luò)的指令，然后傳送至控制補(bǔ)償模塊并結(jié)合延時(shí)預(yù)測模塊傳至的延時(shí)信息對相應(yīng)指令進(jìn)行 延時(shí)補(bǔ)償，最后將補(bǔ)償后的指令分別傳送至所述手動(dòng)飛行模塊、自動(dòng)飛行模塊、異常處理模 塊、云臺控制模塊W及視覺處理模塊。
[0013] 所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中自主飛行控制模塊、所述視覺處理模塊、所述故障檢測模 塊、所述信號檢測模塊、所述基站定位模塊產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)據(jù)信息經(jīng)過所述服務(wù)質(zhì)量設(shè)計(jì)模塊 分級，再通過無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中的移動(dòng)通信模塊發(fā)送至至移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。
[0014] 所述視覺處理模塊結(jié)合相應(yīng)任務(wù)產(chǎn)生飛行指令發(fā)送至自動(dòng)飛行模塊，所述故障檢 測模塊結(jié)合當(dāng)前狀況產(chǎn)生飛行指令發(fā)送至異常處理模塊。
[0015] 本發(fā)明中各個(gè)模塊的功能如下：
[0016] 所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人機(jī)穩(wěn)定安全飛行和有效機(jī)載負(fù)荷處理。
[0017] 所述自主飛行控制模塊接收來自機(jī)載處理模塊的不同信息實(shí)現(xiàn)手動(dòng)飛行、自主飛 行或異常處理功能。
[001引所述手動(dòng)飛行模塊經(jīng)機(jī)載處理器橋接接收來自地面控制站設(shè)備設(shè)備的手動(dòng)操控 指令，實(shí)現(xiàn)包括上下、俯仰、偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)四個(gè)通道的遙控操作功能。
[0019] 所述自動(dòng)飛行模塊接收來自地面控制站設(shè)備設(shè)備預(yù)設(shè)好的無人機(jī)機(jī)動(dòng)動(dòng)作與功 能指令W及相關(guān)參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行模式的自主控制，例如，典型繞圈飛行模 式，即通過設(shè)定好中屯、位置和半徑解算出圓圈軌跡，對稱取圓上12個(gè)點(diǎn)作為航點(diǎn)，上傳至 無人機(jī)自駕儀執(zhí)行繞圈飛行過程。該無人機(jī)自主飛行模式包括；航點(diǎn)追隨模式、懸停模式、 返航模式、繞圈模式、追隨模式，并能夠在不同移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)條件下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切換。
[0020] 所述異常處理模塊接收來故障診斷模塊的保護(hù)指令，進(jìn)行緊急降落、追隨強(qiáng)信號、 追隨近基站等措施處理的功能。
[0021] 所述機(jī)載處理模塊實(shí)現(xiàn)地面控制站設(shè)備設(shè)備與自主飛行控制模塊的信息橋接功 能，實(shí)現(xiàn)有效負(fù)荷信息處理功能。
[0022] 所述故障檢測模塊當(dāng)檢測到低電量，弱信號，云臺故障或較長時(shí)間丟包等故障，貝U 自動(dòng)向飛行控制模塊發(fā)送保護(hù)指令。
[0023] 所述云臺控制模塊接收來自地面控制站設(shè)備的載荷操作指令或來自視覺處理模 塊的命令信息完成云臺的二自由度調(diào)整。
[0024] 所述視覺處理模塊獲取攝像頭信息并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模式識別、自動(dòng)跟隨和遙感探測 J貪良。
[0025] 所述基站定位模塊利用基站對無人機(jī)進(jìn)行定位，作為GI^S定位的補(bǔ)充，特別是在 無GI^S信號或GI^S信號較弱區(qū)域飛行時(shí)提供定位信息，其定位精度與基站部署相關(guān)（目前 3G基站定位精度大致為50米左右）。
[0026] 所述信號檢測模塊檢測當(dāng)前位置移動(dòng)通信信號的強(qiáng)弱，為無人機(jī)自主飛行控制和 通信傳輸提供通信鏈路狀態(tài)信息。
[0027] 所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中的移動(dòng)通信模塊實(shí)現(xiàn)接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)W及接收與發(fā)送 測控與數(shù)據(jù)信息。
[002引所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中的加解密模塊實(shí)現(xiàn)對通信消息包進(jìn)行加密（例如，采用 AES加密算法），確保通信信息的安全。
[0029] 所述無人機(jī)機(jī)載設(shè)備中的編解碼模塊對所傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/解碼（例如，視頻 壓縮與解壓算法）。
[0030] 所述移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面控制站設(shè)備設(shè)備的指令、狀態(tài)、圖像與視頻 信息的交互。
[0031] 所述地面控制站設(shè)備設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效的對無人機(jī)進(jìn)行遙控遙測，并保存相關(guān)信息的 功能。
[0032] 所述地面控制站設(shè)備設(shè)備的移動(dòng)通信模塊實(shí)現(xiàn)接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)W及接收與發(fā) 送測控與數(shù)據(jù)信息。
[0033] 所述地面控制站設(shè)備設(shè)備的加解密模塊實(shí)現(xiàn)對