一种基于云的多无人机监控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于云的多无人机监控方法，目的是提高多无人机监控的实时性。其特征在于构建由客户端层‑云服务层‑无人机层组成的无人机监控系统，客户端层向云服务层发送注册指令，从云服务层接收无人机监控数据；云服务层为无人机提供计算和存储能力，并为客户端层提供访问无人机的接口；无人机层包含N台无人机；云服务层根据注册指令进行无人机连接，构造无人机化身，进行无人机分组，云服务层和客户端层相互配合，通过收集无人机化身的属性值实现对多个无人机进行监控。采用本发明专利技术将计算存储任务卸载到云服务层，并对无人机的飞行状态数据进行监控，可以支撑无人机集群大规模数据监控场景，并保证多无人机监控的实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于云的多无人机监控方法
本专利技术涉及无人机的监控方法，具体涉及一种利用云平台作为后台支撑，通过客户端层-云服务层-无人机层三层架构，来实现的基于云的无人机监控方法。
技术介绍
无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)即无人驾驶飞行器，早在90多年前就已问世，当时称为“遥控飞行器”，是利用无线电遥控设备或自动驾驶仪操控的不载人飞行器，是现代科技发展的产物，它的种类很多，主要包括固定翼、旋翼式、扑翼式三种基本类型。无人机系统的研究和开发涉及到飞行控制技术、通信电子、计算机、动力学等多种学科领域，技术上具有相当的前瞻性，在国民经济中发挥着重要作用。近几十年来，世界各国都在大力发展多用途的无人飞行器，无人机可装配制导系统、雷达系统、各种测量传感器、视频采集等多种机载设备，由于其灵活性、智能性和隐蔽性等特点，其用途非常广泛，主要用在环境监测、货物运送、森林防火、农业灌溉、参与种种救援行动等方面。因此无人机系统的快速发展在民用领域将具有广阔的应用前景，开展无人机相关系统的研究具有科学研究意义和工程实用推广价值。无人机监控对无人机系统起着举足轻重的作用，是操作人员实时掌控无人机动态并做出指示的重要保障。无人机的监控，涉及到图像处理、无线传输以及远程监控等多项技术，通过各种技术的结合，无人机可以实现有效的监控。传统无人机监控即地面站，地面操作人员通过地面站操作程序以及无人机上面安装的程序控制改变无人机航向、位置等信息，实现飞行任务的规划，并进行其监控操作。实时掌握无人机包括航向角，三维速度，高度，空速，姿态角，经纬度，电池电压等状态信息，才能有效保证任务运行的进度，以及无人机的安全性和可执行性。现有的无人机监控方案，主要针对单台无人机，并通过无线电进行连接，这样会产生以下几个问题：计算处理任务落在无人机机体上，处理能力较低，存储任务同样落在无人机机体上，存储能力有限，并且无线通信范围受到限制。随着无人机数量的递增和城市中心无人机密度的增加，多无人机有效的监控变得越来越必要。随着应用的需求发展，复杂任务需要无人机集群进行协同，无人机的监控将面临规模化问题，而目前单无人机监控方法难以实现对无人机集群进行监控。随着云计算的火热，人们的生产生活已经和云产品息息相关，云服务成为人们获取资源信息的重要途径。目前一些研究(如SritiMF等人公布的Internet-of-Drones方法(A,QureshiB,SritiMF,etal.Aservice-orientedCloud-basedmanagementsystemfortheInternet-of-Drones[C]//IEEEInternationalConferenceonAutonomousRobotSystemsandCompetitions.IEEE,2017:329-335.，即A,QureshiB,SritiMF等人在2017年IEEE自动机器人系统与竞赛国际会议的329-335页，基于云的面向服务的无人机互联网管理系统论文中公布的云无人机管理方法)将云计算和无人机监控进行整合，依托云平台的强大计算能力和存储能力，可以将无人机监控的计算、存储任务进行卸载，打破无人机本地资源的局限性，但是这些研究也同样只针对单台无人机进行监控，不能对多无人机同时进行监控，还没有公开技术方案涉及针对多无人机的监控，因为对多无人机进行监控必须解决海量数据实时性的数据要求，这是本领域尚未突破的技术难点。综上所述，传统无人机监控具有以下问题：通常采用无线电直连的方式进行单台监控，不能有效处理多无人机并发数据监控的场景，并且数据计算和存储的任务落在无人机机体上，增加了无人机硬件的成本。依托云计算的无人机监控，仍旧处于初级阶段，且只针对单台无人机监控，对于无人机集群监控的场景，还未提出一个良好的解决方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于云的多无人机监控的方法，打破无人机本地资源的局限性，将无人机计算存储的任务卸载到云端，以提高多无人机监控的实时性。本专利技术为解决上述技术问题而采用的技术方案包括以下步骤：第一步，构建无人机监控系统。无人机监控系统由客户端层-云服务层-无人机层组成。客户端层包含N个客户端，N为正整数，客户端层为用户提供访问接口，由运行在浏览器的web应用和第一接口层组成。客户端层接收用户输入的注册指令，为用户提供资源访问的入口。客户端层通过WebService接口以HTTP协议的方式向云服务层发送注册指令，注册指令的数据格式是JSON格式(LanthalerM,Gütl,Christian.OnusingJSON-LDtocreateevolvableRESTfulservices[C]//InternationalWorkshoponRestfulDesign.ACM,2012.，即LanthalerM,Gütl,Christian等人在2012年RestfulDesign国际研讨会，发表的使用JSON-LD创建可进化的RESTful服务论文中公布的JSON格式)；客户端层通过WebService接口从云服务层接收无人机监控数据，接收的无人机监控数据也是JSON格式。云服务层为无人机提供计算和存储能力，并为客户端层提供访问无人机的接口。云服务层采取“自下而上”的层次化架构，依次由第二接口层、存储层、计算层组成。第二接口层是第一层，用来获取并解析来自无人机层和客户端层发送过来的数据信息，并向上与存储层进行交互。存储层是第二层，用来存储接口层传递过来的数据。计算层是第三层，用来从存储层获取监控的数据，并进行对应处理。第二接口层提供两种接口：Sockets接口和WebService接口。MAVLink协议是应用在微型飞行器(microaerialvehicle)的通讯协议，是为小型飞行器和地面站通讯时用到的数据加入了校验(checksum)功能的发送和接收的规则，其中发送规则是MAVLink指令，接收规则是MAVLink消息，无人机和外部的通信依靠MAVLink协议的传输。Sockets接口和WebService接口均可以通过存储层的数据库访问接口与存储层交互。Sockets接口接收来自无人机的MAVLink消息，对其进行解析得到无人机状态监控数据，将无人机状态监控数据存储到Redis缓存；WebService接口与客户端层相连。WebService接口从客户端层接收通过HTTP传递过来的注册指令，将注册指令发送给注册模块，并将从存储层接收的无人机监控数据封装成HTTP状态消息发送给客户端层。存储层由无人机状态数据库、无人机注册数据库和缓存Redis组成。无人机状态数据库存储无人机监控数据，具体包括无人机ID，集群ID，IP地址，端口号，飞控版本，注册日期，连接状态，无人机航向角，三维速度，高度，空速，姿态角，经纬度和电池信息14个表项，其中无人机ID是无人机的唯一标识；集群ID是该无人机所在的集群分组，同一无人机只能在一个集群分组内；一个无人机对应唯一的IP地址和端口号；飞控版本是无人机飞行控制系统的版本；注册日期是注册模块注册无人机的日期；连接状态指当前无人机监控系统是否连接无人机，若是连接无人机，记为1，否则记为0；无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于云的多无人机监控方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建无人机监控系统，无人机监控系统由客户端层‑云服务层‑无人机层组成；客户端层包含N个客户端，N为正整数，客户端层为用户提供访问接口，由运行在浏览器的web应用和第一接口层组成；客户端层接收用户输入的注册指令，为用户提供资源访问的入口；客户端层通过WebService接口以HTTP协议的方式向云服务层发送注册指令，客户端层通过WebService接口从云服务层接收无人机监控数据；云服务层为无人机提供计算和存储能力，并为客户端层提供访问无人机的接口，云服务层采取“自下而上”的层次化架构，依次由第二接口层、存储层、计算层组成；第二接口层是第一层，用来获取并解析来自无人机层和客户端层发送过来的数据信息，并向上与存储层进行交互；存储层是第二层，用来存储接口层传递过来的数据；计算层是第三层，用来从存储层获取监控的数据，并进行对应处理；第二接口层提供两种接口：Sockets接口和Web Service接口；Sockets接口接收来自无人机的MAVLink消息，对其进行解析得到无人机状态监控数据，将无人机状态监控数据存储到Redis缓存；Web Service接口与客户端层相连，WebService接口从客户端层接收通过HTTP传递过来的注册指令，将注册指令发送给注册模块，并将从存储层接收的无人机监控数据封装成HTTP状态消息发送给客户端层；存储层由无人机状态数据库、无人机注册数据库和缓存Redis组成；无人机状态数据库存储无人机监控数据，具体包括无人机ID，集群ID，IP地址，端口号，飞控版本，注册日期，连接状态，无人机航向角，三维速度，高度，空速，姿态角，经纬度和电池信息14个表项，其中无人机ID是无人机的唯一标识；集群ID是该无人机所在的集群分组，同一无人机只能在一个集群分组内；一个无人机对应唯一的IP地址和端口号；飞控版本是无人机飞行控制系统的版本；注册日期是注册模块注册无人机的日期；连接状态指当前无人机监控系统是否连接无人机，若是连接无人机，记为1，否则记为0；无人机航向角是无人机纵轴与地球北极之间的夹角；三维速度是无人机在x轴、y轴和z轴三个方向的速度；高度是无人机相对于海平面的相对高度；空速是当前飞行时候的风速；姿态角是无人机的机体坐标和地理坐标系之间的关系确定的航向角、俯仰角和横滚角三个欧拉角；经纬度是标示无人机位置的坐标；电池信息是无人机的剩余电量大小；无人机注册数据库记录无人机注册信息，包括无人机ID、客户端ID、集群ID、IP地址、端口号、飞控版本、注册日期、连接状态8个表项，客户端ID是客户端的唯一标识，一个无人机ID对应一个客户端ID，其它7个表项与无人机状态数据库中的对应表项内容一致；缓存Redis临时存储无人机状态监控数据，具体包括无人机ID，、无人机航向角、三维速度、高度、空速、姿态角、经纬度、电池信息8个数据项，这8个表项与无人机状态数据库中的对应表项内容一致；计算层由实时流数据处理框架Storm、消息队列Kafka、监控模块、注册模块、连接模块、分组模块组成；注册模块与连接模块相连，连接模块与分组模块相连，分组模块与监控模块相连，监控模块与消息队列Kafka相连，消息队列Kafka和实时数据处理框架Storm相连；计算层先收集缓存Redis存储的8项数据，并根据无人机状态监控数据中的无人机ID，在无人机注册数据库中查询该无人机的IP地址，端口号，集群ID，飞控版本，注册日期，连接状态6项数据，将这14项数据组成无人机监控数据，加载进Kafka中，然后通过Storm进行实时数据处理，将处理之后的无人机监控数据存入无人机状态数据库中；Kafka的主要作用是临时存储无人机监控数据；注册模块进行无人机注册，连接模块进行无人机连接，分组模块进行无人机分组，监控模块和客户端层配合，进行无人机监控；无人机层包含N台无人机，对应N个客户端；每台无人机的飞控固件采用MAVLink协议实现数据链路传输，并通过Sockets接口与云服务层上的Sockets接口进行交互；第二步，初始化无人机状态数据库，无人机注册数据库和缓存Redis；在云服务层部署无人机状态数据库和无人机注册数据库，并将无人机状态数据库和无人机注册数据库内容置空，在云服务层部署缓存Redis，并将缓存Redis内容置空；第三步，客户端层选取K个客户端进行注册，K为用户需要同时监控的无人机数量，1≤K≤N，方法是：3.1 客户端层在N个客户端中选取一个空闲的客户端，执行注册操作，发送注册指令；3.2 云服务层的Web Service接口从该客户端接收当前需要注册无人机的注册指令，注册指令包括无人机的IP地址、端口号和客户端ID3部分，将注册指令发送给云服务层的注册模块；3.3 注册模块根据注册指令...

【技术特征摘要】
1.一种基于云的多无人机监控方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建无人机监控系统，无人机监控系统由客户端层-云服务层-无人机层组成；客户端层包含N个客户端，N为正整数，客户端层为用户提供访问接口，由运行在浏览器的web应用和第一接口层组成；客户端层接收用户输入的注册指令，为用户提供资源访问的入口；客户端层通过WebService接口以HTTP协议的方式向云服务层发送注册指令，客户端层通过WebService接口从云服务层接收无人机监控数据；云服务层为无人机提供计算和存储能力，并为客户端层提供访问无人机的接口，云服务层采取“自下而上”的层次化架构，依次由第二接口层、存储层、计算层组成；第二接口层是第一层，用来获取并解析来自无人机层和客户端层发送过来的数据信息，并向上与存储层进行交互；存储层是第二层，用来存储接口层传递过来的数据；计算层是第三层，用来从存储层获取监控的数据，并进行对应处理；第二接口层提供两种接口：Sockets接口和WebService接口；Sockets接口接收来自无人机的MAVLink消息，对其进行解析得到无人机状态监控数据，将无人机状态监控数据存储到Redis缓存；WebService接口与客户端层相连，WebService接口从客户端层接收通过HTTP传递过来的注册指令，将注册指令发送给注册模块，并将从存储层接收的无人机监控数据封装成HTTP状态消息发送给客户端层；存储层由无人机状态数据库、无人机注册数据库和缓存Redis组成；无人机状态数据库存储无人机监控数据，具体包括无人机ID，集群ID，IP地址，端口号，飞控版本，注册日期，连接状态，无人机航向角，三维速度，高度，空速，姿态角，经纬度和电池信息14个表项，其中无人机ID是无人机的唯一标识；集群ID是该无人机所在的集群分组，同一无人机只能在一个集群分组内；一个无人机对应唯一的IP地址和端口号；飞控版本是无人机飞行控制系统的版本；注册日期是注册模块注册无人机的日期；连接状态指当前无人机监控系统是否连接无人机，若是连接无人机，记为1，否则记为0；无人机航向角是无人机纵轴与地球北极之间的夹角；三维速度是无人机在x轴、y轴和z轴三个方向的速度；高度是无人机相对于海平面的相对高度；空速是当前飞行时候的风速；姿态角是无人机的机体坐标和地理坐标系之间的关系确定的航向角、俯仰角和横滚角三个欧拉角；经纬度是标示无人机位置的坐标；电池信息是无人机的剩余电量大小；无人机注册数据库记录无人机注册信息，包括无人机ID、客户端ID、集群ID、IP地址、端口号、飞控版本、注册日期、连接状态8个表项，客户端ID是客户端的唯一标识，一个无人机ID对应一个客户端ID，其它7个表项与无人机状态数据库中的对应表项内容一致；缓存Redis临时存储无人机状态监控数据，具体包括无人机ID，、无人机航向角、三维速度、高度、空速、姿态角、经纬度、电池信息8个数据项，这8个表项与无人机状态数据库中的对应表项内容一致；计算层由实时流数据处理框架Storm、消息队列Kafka、监控模块、注册模块、连接模块、分组模块组成；注册模块与连接模块相连，连接模块与分组模块相连，分组模块与监控模块相连，监控模块与消息队列Kafka相连，消息队列Kafka和实时数据处理框架Storm相连；计算层先收集缓存Redis存储的8项数据，并根据无人机状态监控数据中的无人机ID，在无人机注册数据库中查询该无人机的IP地址，端口号，集群ID，飞控版本，注册日期，连接状态6项数据，将这14项数据组成无人机监控数据，加载进Kafka中，然后通过Storm进行实时数据处理，将处理之后的无人机监控数据存入无人机状态数据库中；Kafka的主要作用是临时存储无人机监控数据；注册模块进行无人机注册，连接模块进行无人机连接，分组模块进行无人机分组，监控模块和客户端层配合，进行无人机监控；无人机层包含N台无人机，对应N个客户端；每台无人机的飞控固件采用MAVLink协议实现数据链路传输，并通过Sockets接口与云服务层上的Sockets接口进行交互；第二步，初始化无人机状态数据库，无人机注册数据库和缓存Redis；在云服务层部署无人机状态数据库和无人机注册数据库，并将无人机状态数据库和无人机注册数据库内容置空，在云服务层部署缓存Redis，并将缓存Redis内容置空；第三步，客户端层选取K个客户端进行注册，K为用户需要同时监控的无人机数量，1≤K≤N，方法是：3.1客户端层在N个客户端中选取一个空闲的客户端，执行注册操作，发送注册指令；3.2云服务层的WebService接口从...

【专利技术属性】
技术研发人员：史殿习，陈驰，杨卓越，洪臣，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43