集群无人机分布式快速通信系统及通信方法技术方案

本发明专利技术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。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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机的
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术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：本专利技术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为本专利技术的整体的通信架构示意图；图2为本专利技术的通信方法示意图；图3为本专利技术的具体实例的整个流程示意图；图4为本专利技术的C#编写的地面站软示意图；图5为本专利技术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；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.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。2.根据权利要求1所述的集群无人机分布式快速通信系统，其特征在于：所述的地面站的上位机为通信的第一环及最后一环。3.根据权利要求2所述的集群无人机分布式快速通信系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：成慧，许天野，张晓武，郑泽丰，刘中常，江泽宇，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44