一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法和系统，包括：S1.电路设计：通过block design设计出调试板的硬件电路模型；S2.软硬结合：使用S1生成的HDF文件创建并配置Petalinux工程，编写异步socket网络服务端，加入异常断网处理，服务端配置启动项、设备树完成调试板的程序烧写；S3.远程调试：将烧写完成的调试板与无人机设备装配成载荷，实现基于4G网络的调试模型；S4.集群组网：重复构建S3所述的调试载荷，并通过4G组网将多个无人机载荷构成集群；通过单个地面调试站登录多个搭载于无人机上的调试板，对与调试板连接的FPGA进行调试。本发明专利技术解决了在无人机执行任务期间无法对FPGA做实时监控调试和无人机在高空飞行途中时常遇到信号盲区后连接失效的问题。行途中时常遇到信号盲区后连接失效的问题。行途中时常遇到信号盲区后连接失效的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法和系统


[0001]本专利技术涉及FPGA、无人机、VPN等
，尤其是涉及一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法和系统。

技术介绍

[0002]本专利技术设计为适应当前飞速发展的无人机技术。随着无人机技术的不断发展及无人机载重与续航能力的不断提升。无人机承担的任务也越来越多，在军事、巡检、测绘等方面的功能扩展也与日俱增。同时也带来了诸多需要解决的技术问题，无人机扩展实现的诸多功能主要取决于载荷的功能。其中FPGA因其在通信、图像、数字信号处理等领域的突出优势而被广泛应用在无人机载荷上。对无人机内部的FPGA以及其他设备的远程调试技术也需要不断的升级优化。
[0003]现有的赛灵思FPGA远程调试技术主要是基于XVC协议实现的，通过实体线缆连接到上位机使用，对于远距离调试没有具体实现方法。而且对于无人机高空飞行这样的场景显得无所适从，对于多架无人机载荷的FPGA状态也不能很好的监控和调试。
[0004]现有技术中的服务器基本均是使用verilog语言完成，一方面实现方式比较繁琐，另一方面verilog语言在调试的技巧上与一般的编程语言有较大差异，需要通过功能仿真波形分析，难度较大，调试不方便；其次对于无人机集群载荷这样的应用场景没有合适的调试方法；最后对于因为网络中断重连没有应对措施。
[0005]针对以上问题提出以下四点：1.现有技术采用Verilog语言设计硬件电路，技术门槛较高，实现复杂。本专利技术无需verilog语言实现，调试板的硬件设计主要是对Processing System(PS端)的IP核进行互连通过block design实现硬件电路设计。同时可以基于vivado软件实现电路综合验证和仿真。服务端是位于调试板的PS(Processing System)上运行的TCP服务端程序。在程序运行时可以通过网络对服务端进行调试和监测。
[0006]2.现有技术对远距离调试没有解决方案，本专利技术基于4G网络实现远程调试，借助4G网络的超远覆盖范围使得FPGA的调试可以在任意有蜂窝网络的地方，将原本在实验室中的应用升级推广。基于4G网络的先进技术，比如MIMO和OFDM使得4G网络的容量和覆盖范围完全满足无人机远程调试需求，尤其是覆盖范围相比5G网络更广，可支持无人机在一些较为偏远或者人口密度较低的地区工作。
[0007]3.现有技术对集群这样的多目标应用场景没有解决方案，本专利技术基于4G网络搭建VPN组网环境，允许远程用户访问局域网（4G路由器）中的被调试设备将被调试设备加入组网环境中，为每个被调试设备分配一个IP地址，调试时根据设备选择连接至对应IP地址的设备上，解决了一台电脑不能远程调试多个FPGA设备的问题。
[0008]4.传统的远程调试技术都是基于网络良好的环境下实现的，对于网络不稳定的情况没有考虑，而在无人机载荷这样的应用场景下，会因无人机飞到信号盲区而导致网络和调试中断的情况出现，并且等到无人机飞行至信号良好区域仍然无法连接。针对此问题，本
专利技术在后文详细阐述了一种异步socket通信的服务端搭建步骤，通过异步socket通信模式可以轻松处理大量连接，实现非阻塞I/O可以使程序支持多个请求，并且可以使网络连接异常中断后自动重连。
[0009]本专利技术详细描述了一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法,主要用于对无人机集群上飞行载荷内部FPGA进行实时调试、监控以及bit流文件的更换。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法和系统，解决在无人机执行任务期间无法对FPGA做实时监控调试的技术问题和无人机在高空飞行途中时常遇到信号盲区后连接失效的问题。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法，所述方法包括以下步骤：S1.电路设计：通过block design设计出调试板的硬件电路模型，实现RTL级到比特流，并生成硬件描述文件(HDF)；S2.软硬结合：使用S1生成的HDF文件创建并配置Petalinux工程，编写异步socket网络服务端，加入异常断网处理，服务端配置启动项和设备树完成调试板的程序烧写；S3.远程调试：将烧写完成的调试板与无人机设备装配成载荷，实现基于4G网络的调试模型；S4.集群组网：重复构建S3所述的调试载荷，并通过4G组网将多个无人机载荷构成集群；
[0012]完成上述步骤之后，通过单个地面调试站登录多个搭载于无人机上的调试板，进而对与调试板连接的FPGA进行调试。
[0013]进一步，步骤S2中，软件部分实现如下：S2.1.安装配置Petalinux；安装版本与生成HDF的vivado版本保持一致；S2.2.使用HDF文件创建并配置Petalinux工程；S2.3.编写TCP/IP网络服务端，加入异常断网处理；S2.4.加入xvcserver.bb 代码， makefile代码， 服务器自启动配置代码，设备树配置代码；S2.5.编译生成elf和bin文件，然后使用SDK烧写调试板。
[0014]进一步，步骤S2.3中,实现一个TCP/IP服务端程序，为了避免多个客户端对同一FPGA操作，只允许一个服务端的客户端挂载数为1；通过修改客户端服务端套接字程序逻辑，添加对read函数的处理，当服务端在设定时间内read不到客户端的信息来主动诊断网络连接是否断开，若设定时间内收不到则判定为网络连接已断开，主动释放socket资源，然后重新启动等待下一次连接，以此解决网络频繁中断和无人机飞行中经过信号盲区后无法重新连接的问题。
[0015]进一步，步骤S2.4中，进一步包括：步骤S2.4.1.编写xvc
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init脚本，所述xvc
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init脚本在/usr/bin目录自动创建一个精灵线程，自动化配置服务端程序所需要的UIO驱动模块；并模仿linux系统服务脚本形式，为其添加start、stop和restart功能，当开机启动异常时进行诊断；
S2.4.2.使用gcc编译的makefile和bitbake文件代码编写，bitbake中包含md5加密序列，源文件和makefile文件的URI；S2.4.3.编写为硬件设备分配内存地址的设备树代码；包含内容为根节点和各设备节点的配置。
[0016]进一步，步骤S2.5中，编译Petalinux工程，生成zynq_fsbl.elf文件和BOOT.BIN文件，然后使用xilinx SDK工具固化功能在调试板上；选择将程序烧写在SD卡或者Flash上；烧写成功后开始初步的调试，vivado连接后，在Hardware Devices找到被调试的FPGA芯片。
[0017]另一方面，本专利技术提供一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试系统，所述系统用于实现根据本专利技术所述的基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法。
[0018]进一步，通过4G无线组网打通无人机集群内的网络本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1.电路设计：通过block design设计出调试板的硬件电路模型，并生成硬件描述文件；S2.软硬结合：使用S1生成的HDF文件创建并配置Petalinux工程，编写异步socket网络服务端，加入异常断网处理，服务端配置启动项和设备树完成调试板的程序烧写；S3.远程调试：将烧写完成的调试板与无人机设备装配成载荷，实现基于4G网络的调试模型；S4.集群组网：重复构建S3所述的调试载荷，并通过4G组网将多个无人机载荷构成集群；完成上述步骤之后，通过单个地面调试站登录多个搭载于无人机上的调试板，进而对与调试板连接的FPGA进行调试。2.根据权利要求1所述的一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法，其特征在于，步骤S1中，硬件部分实现如下：S1.1.调试板硬件电路设计通过Xilinx Vivado Design Suite中的Block Design构建调试板卡的硬件逻辑系统；S1.2. 基于AXI4总线协议的接口信号进行时序分析；S1.3.基于AXI4总线信号的时序分析将Block Design中的IP核连接；S1.4.编写.xdc约束文件，编写完成后用vivado进行综合验证、生成bit流文件和导出硬件描述文件。3.根据权利要求2所述的一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法，其特征在于，AXI4协议具有五个独立的通道：读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道和写回应通道。4.根据权利要求1所述的一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法，其特征在于，步骤S2中，软件部分实现如下：S2.1.安装配置Petalinux；安装版本与生成HDF的vivado版本保持一致；S2.2.使用HDF文件创建并配置Petalinux工程；S2.3.编写TCP/IP网络服务端，加入异常断网处理；S2.4.加入xvcserver.bb 代码， makefile代码， 服务器自启动配置代码，设备树配置代码；S2.5.编译生成elf和bin文件，然后使用SDK烧写调试板。5.根据权利要求4所述的一种基于4G网络的无人机集群载荷远程调试方法，其特征在于，步骤S2.3中,实现一个TCP/IP服务端程序，为了避免多个客户端对同一FPGA操作，只允许一个服务端的客户端挂载数为1；通过修改客户端服务端套接字程序逻辑，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，刘新群，刘少杰，李创，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：