CN103974327A - 小型无人直升机点对点数据链系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型无人直升机点对点数据链系统，包括基站模块、地面站模块、遥控模块、无线发送与接收模块和无人直升机主控制器模块；本发明还公开了一种小型无人直升机点对点数据链系统的实现方法，包括下述步骤：步骤1、基站模块采集飞控数据和任务数据，并与地面站模块进行通信；步骤2、基站模块将采集到的飞控数据和任务数据传输给无人直升机主控制器模块；步骤3、无人直升机主控制器模块提取出数据部分中的飞控数据和任务数据，输出给机载应用系统；步骤4、无人直升机主控制器模块采集各种传感器数据，传输给基站模块；步骤5、基站模块接收下行的数据包，显示无人直升机实时状态。具有可靠性高、通信成本低和传输效率高等优点。

Description

小型无人直升机点对点数据链系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种无人直升机数据通信技术，特别涉及一种小型无人直升机点对点数据链系统及实现方法，本发明是一种利用低成本设备来实现无人直升机与地面站之间超视距范围的无线数据传输方案。

背景技术

数据链系统是无人直升机自主飞行控制系统的重要组成部分，担负着各种飞行状态信息和任务载荷数据的采集与传送任务，以便地面监控系统对无人直升机的飞行状态进行监控。当前，随着无人直升机技术的快速发展，如何实现无人直升机与地面之间实时、准确的数据交换已成为无人直升机自主系统设计中的关键问题。数据链技术，较之其他的通信方式，具有传输速率快、抗干扰能力强、误码率低等诸多优点。将其作为无人直升机通信手段可以达到高效、安全、可靠的效果，是当前国内外无人直升机技术的发展趋势。

目前，在民用小型无人直升机数据链领域，还没有形成一种通用有效的数据链通信系统。针对无人直升机数据信息传输的实时性和可靠性要求，数据链系统必须有十分可靠的无线传输设备和完善合理的数据链协议标准。并且这条数据链还具有极强的非对称性，下行链路传输的数据量比较大，包括姿态、方位、速度、高度等无人直升机本身的状态信息以及各种机载设备的状态信息，而上行链路传输的数据量就相对较少，包括控制信息、规划信息和参数信息等。无人直升机本身的飞行控制就有一定的难度，而且要在各种恶劣环境中完成作业，必须保证有抗干扰能力强的通信设备和可以应对各种复杂情况的数据链控制协议。因此，无人直升机数据链是一个复杂的通信系统，其应用研究很有必要。本发明的小型无人直升机点对点数据链系统，是一套接口通用、轻便可靠、安全性强、可扩展的无人直升机数据通信系统。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种小型无人直升机点对点数据链系统，该系统通过构建空中部分的无人直升机主控制器模块、无线收发模块和地面部分的无线收发模块、基站模块、地面站模块，实现了点对点链路的两个通信端点处的数据处理、数据编码、数据融合以及数据解析等操作，具有可靠性高和通用性强的特点。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种小型无人直升机点对点数据链系统的实现方法，该实现方法既保证了对小型无人直升机导航控制的实时性和可靠性要求，也能满足机载应用系统的需要，具有极大的灵活性，具有复杂性低、通信成本低和传输效率高的特点。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种小型无人直升机点对点数据链系统，包括基站模块、地面站模块、遥控模块、无线发送与接收模块、无人直升机主控制器模块以及在基站模块与地面站模块之间、基站模块与遥控器模块之间、基站模块与无人直升机主控制器模块之间定义的数据链传输信息标准格式的消息标准和负责链路传输控制的通信协议；

遥控模块通过2.4G频率的无线收发器x-ctu与基站的串口1连接，基站模块与地面站模块由各自的无线网卡通过2.4G的无线WIFI路由器相互连接，基站的串口0与无线发送模块通过串口线相连，无线发送模块中的无线电台通过900M的无线信号与无线接收模块相连，无线接收模块通过RS232串口与无人直升机主控制器的串口相连；

遥控模块将无人直升机各通道的手控信号发送给基站，基站通过串口0读取遥控器的手控信号，地面站将无人直升机控制器的参数与无人直升机的路径规划控制信号发送给基站模块，基站模块通过对手控信号、控制器的参数、路径规划控制信号进行数据处理、融合，对其进行压缩编码，以字节流的形式通过基站模块的串口1发送给无线发送模块，无线发送模块对数据进行加密，通过900M的无线天线发送出去，基站的无线接收模块通过对接收到的加密信息进行解密还原，通过其串口发送给无人直升机主控制器，无人直升机主控制器对接收到的信息进行解码，将手控信号与控制器的参数和路径规划控制信号分离出来。

优选的，所述无线传输设备的工作方式、工作时序和各种与传输相关的参数设定，以及在传输延时、丢包和带宽方面的应用层优化方法。

优选的，所述消息标准包括对数据链传输数据的帧结构、数据类型、数据内容、数据发送/接收规则的完整定义，形成标准格式，以便于空中部分的无人机主控制器和地面部分的基站与地面站的生成、解析与处理。

优选的，所述的数据链通信协议详细规定数据的传输时序、传输流程、传输条件及传输控制方式。

优选的，所述无人直升机主控制器模块包括CPU处理器模块，与CPU处理器连接的传感器单元、电源单元、接口转换单元以及控制电机，构成整个无人直升机自主飞行的控制系统。

优选的，还包括供电装置，所述供电装置为两个12V锂电池，根据需要稳压到8V、5V以及3.3V三种电压。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种小型无人直升机点对点数据链系统的实现方法，包括下述步骤：

步骤1、基站模块采集飞控数据和任务数据，飞控数据主要包括手控和自控状态下的各种命令参数，其中手控状态下的各通道控制参数由遥控器输出和地面底面站模块输出，遥控器输出的PPM信号经过内嵌的AVR解码电路处理后通过无线串口传送给基站模块，地面站模块给出控制器的参数通过UDP网络协议传输给基站模块；自控状态下的控制参数和任务数据均由地面站模块给出，通过UDP网络协议传输给基站模块；

步骤2、基站模块将采集到的飞控数据和任务数据封装在一个数据帧中，数据帧中的数据部分为分段结构，前段固定字节为由遥控器输出的飞控数据，后段固定字节为控制器的控制参数和任务数据。采用固定字段的方法方便解析与处理，同时，基站模块负责将该数据帧通过无线射频模块传输给无人直升机主控制器模块；

步骤3、无人直升机主控制器模块接收到上行的数据帧后，通过解析算法，分别提取出数据部分中的飞控数据和任务数据，飞控数据用作控制运算，任务数据通过串口输出给机载应用系统；

步骤4、无人直升机主控制器模块采集各种传感器数据，主要有IMU、电子罗盘、气压计、Ublox的数据，并将这些数据打包成自定义的字符形式数据包，通过全双工无线射频模块传输给基站模块，该数据包含无人直升机的姿态、位置、速度等各种信息；

步骤5、基站模块接收到下行的数据包后，通过UDP网络协议传输转发给地面站模块，用于显示无人直升机实时状态，从而进行监控。地面站系统是一套带界面的能实时显示无人直升机状态的应用软件，是基于Linux系统下基于GTK与C语言开发的一套软件系统，包括显示界面，数据处理和数据收发。

优选的，步骤1中，在无人直升机处于手控状态下，利用遥控器自带的晶振模块和接收机进行手动遥控信号的发送与接收，会导致传输距离受限(通常情况下不超过1km)，并且极易受到外界电磁环境的干扰，因此可靠性极低，针对这一情况，去掉这一不可靠的收发系统，通过在遥控器里内嵌一个AVR单片机，将PPM信号解码后输出给基站模块，从而将不可靠的手控链路融合到了飞控链路之中，减少一条无线传输链路，并提高了系统可靠性。

优选的，步骤2中，通信数据报文的设计采用点对点协议，数据帧包含起始段、帧头、数据段、帧尾和结束段五部分，具体格式如下：

格式说明：

1、起始段大小占一个字节，由一组二进制序列组成，内容为10011001，ASCII显示为“$”，当接收端收到数据，首先检测起始段是否为“$”，如果不是则说明有信息丢失，进行相应处理。结束段大小占两个字节，也由一组二进制序列组成，内容为0000110100001010，ASCII对应为“\r\n”，同样接收端检测到该标志位则表示完成该段信息帧的接收，如果没有检测到该标志位则说明没有接收完整，进行相应处理。

2、帧头由分类标志、目的地址和源地址三部分组成。分类标志是为了区别传输信息的内容所设定的，大小为一个字节，高五位为00000，低三位不同的数值代表不同的信息内容：

000表示无人直升机状态数据；

001表示无人直升机确认信息；

010表示控制数据；

011表示参数信息；

100表示地面确认信息；

101，110和111作为保留段未使用，如果出现则丢弃该帧数据。

3、目的地址即表示该信息将要发送的节点地址，源地址为发送信息的节点地址。地址大小为一个字节，高四位为0000，低四位区分不同的节点，地址分配方式如下：

0000表示无人直升机地址；

0001表示地面站1地址；

0010表示地面站2地址；

1111表示广播地址，无人直升机同时给两个地面站发送数据时，目的地址设为该广播地址；

4、数据段部分为传输的业务数据，根据内容的大小分配不同长度的字节。帧尾则根据数据链网络物理层的校验算法产生一个字节的校验码。

优选的，所述的数据帧格式的编码解码方法，在试验调试阶段，采用面向字节的编码方式，在交付应用阶段，采用面向比特的编码方式。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明构建了基于小型无人直升机平台的点对点数据链系统，实现了无人直升机远距离飞行过程中数据的稳定可靠传输，具有通信成本低、传输效率高、实时性较好等优点。

2、本发明自主实现多路数据的生成、融合、解析与处理，只利用一个无线信道有效的传输各种数据，提高了信道利用率，节省了通信成本。

3、本发明自主定义了无人直升机与地面站之间所传输数据的通用标准格式，提高了互操作性。

4、本发明的点对点数据链系统具有极大的灵活性，可以方便的扩展机载应用的功能。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本实施例中使用的无人直升机主控制器结构图。

图3是本实施例中使用的无线射频模块参数配置图。

图4是本实施例中基站模块数据流图。

图5是本实施例中基站模块数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种小型无人直升机点对点数据链系统，包括基站模块、地面站模块、遥控模块、无线发送与接收模块、无人直升机主控制器模块以及在基站模块与地面站模块之间、基站模块与遥控器模块之间、基站模块与无人直升机主控制器模块之间定义的数据链传输信息标准格式的消息标准和负责链路传输控制的通信协议；遥控模块通过2.4G频率的无线收发器x-ctu与基站的串口1连接，基站模块与地面站模块由各自的无线网卡通过2.4G的无线WIFI路由器相互连接，基站的串口0与无线发送模块通过串口线相连，无线发送模块中的无线电台通过900M的无线信号与无线接收模块相连，无线接收模块通过RS232串口与无人直升机的主控制器的串口相连；遥控模块将无人直升机各通道的手控信号发送给基站，基站通过串口0读取遥控器的手控信号，地面站将无人直升机控制器的参数与无人直升机的路径规划控制信号发送给基站模块，基站模块通过对手控信号、控制器的参数、路径规划控制信号进行数据处理、融合，对其进行压缩编码，以字节流的形式通过基站模块的串口1发送给无线发送模块，无线发送模块对数据进行加密，通过900M的无线天线发送出去，基站的无线接收模块通过对接收到的加密信息进行解密还原，通过其串口发送给无人直升机主控制器，无人直升机主控制器对接收到的信息进行解码，将手控信号与控制器的参数和路径规划控制信号分离出来。

如图2所示，本实施例的无人直升机主控制器模块的处理器采用ATMEL公司的AT91SAM7SE(512)处理器，该处理器基于ARM7TDMI内核设计，拥有两个通用的同步/异步串行接口USART，可以充分满足无人直升机数据处理和传输的要求，无人直升机主控制器的主要功能有两个：一个是用来对无人直升机自主飞行的导航控制，另一个是接收并解析基站上传的数据链路信息，以及打包下传无人直升机的状态信息，本节内容即是对这一功能进行讨论。无人直升机主控制器ARM7的串行接口USART1经过双通道的RS232芯片AMD3202ARN与无线射频模块的RS232异步串行口进行数据通讯，串口上传输的都是字节流信息，链路数据按传输方向可分为下行数据和上行数据。下行数据为无人直升机状态信息，包括IMU姿态信息、航向角、经纬高信息、GPS位置和速度等信息，无人直升机主控制器的处理器在程序中将采集到的各传感器模块数据打包成一个自定义的字符形式数据包，通过串口USART1以中断方式输出，考虑到无线传输模块的带宽限制，以及链路数据的丢包率和传输延时的影响，ARM7主程序中将下行数据频率设定为30HZ，串口波特率设为19200bps，每一个周期内下传的数据包最大字节数为70个字节数据，这对于目前应用来说是足够的，主程序中有严格的针对链路数据的差错处理程序和拥塞避免机制。ARM7的USART1是全双工的，无人直升机主控制器模块同样使用中断的方式接收地面传送的上行数据报文，并在中断服务子程序中解析报文信息，获得手控状态下各控制通道的PWM值、自控状态下的PID参数及指令、机载应用的任务参数等信息，中断处理程序首先检测数据包的字头，接着按字节读取每个数据，读完字尾后即得到一帧完整上行数据，用于飞行控制的数据存入相应的内存缓冲区中，用于机载应用的任务参数通过串口USART0输出给机载应用模块。

本实施例中，基站模块与无人直升机主控制器模块之间的无线传输设备选用DIGI公司的XTEND无线射频器，工作频段为900MHZ，工作方式为全双工，发射功率可调，这里设定为最大发射功率1W，接收灵敏度为-110dBm，连接接口为RS-232标准，串口波特率设定为19200bps。在具体应用过程中，为构建实用的轻小型系统，空中机载部分的无线射频模块选择重量轻、体积小的XTEND-OEM模块，其供电电压为5V，输出信号为TTL电平，为解决电平匹配问题，在XTEND-OEM模块与无人直升机主控制器ARM7之间设计MAX232电平转换电路，地面部分选用内置外围接口电路及带有工业外壳的XTEND-PKG调制解调器，其供电电压为12V锂电池供电，RS232串口直接与基站模块处理器的串口UART相连接。XTEND无线射频模块的相关参数设定过程如图3所示。

本实施例的基站模块采用Compulab公司的CM-T3530嵌入式核心板，它以基于Cortex-A8架构的OMAP3530处理器为其核心，拥有强大的计算处理能力和丰富的外围设备资源，其3个RS232串口及内置支持WiFi802.11b/g协议的无线网卡，完全可以满足数据传输要求，基站模块有两种供电电压，分别为5V和3.3V。基站模块的主要作用是进行数据的融合、封装、解析与转发，并负责各种数据在不同情况下的传输时序、传输流程、传输条件及传输控制方式。基站模块处理器预装一个内核版本为2.6.24的Linux操作系统，基于此平台上运行一个多线程程序，程序中的数据流如图5所示，在主线程中接收并解析从子线程中读取来的各种数据，对于上行数据会调用无线发送函数通过无线数传模块上传至无人直升机主控制器，对于下行数据则直接通过UDP网络传输转发至底面站模块。3个子线程只用来读取数据，其中：⑴子线程pthread_pcm_tid用来读取来自遥控器的pcm信号，原始格式形如“$250250250250250250250250/r/n”，“$”为起始字符，“/r/n”为结束字符，中间每3位八进制数为一组，分别代表8个通道的PWM值；⑵子线程pthread_socket_tid用来读取底面站模块需要上传的PID参数等控制信息以及目标航点信息，在主线程中，根据手自控情况，将子线程pthread_pcm_tid读取的数据和子线程pthread_socket_tid读取的数据重新编码封装在一个数据帧中，然后一次性通过无线发送函数上传至无人直升机主控制器模块；⑶子线程pthread_helistate_tid用来读取无人直升机主控制器模块下传的下行数据，格式形如：

$DATA，1，0.001，0.001，0.001，0.001，0.001，0.001，0.1，0.1，0.1，5，2，1，1，1，1\r\n，

中间数据部分分别表示无人直升机的控制模式、姿态角、位置、速度、GPS星数、飞行模式、标志位信息，在主线程中，将pthread_helistate_tid读取的数据通过UDP转发至地面的基站模块，主线程的程序流程如图4所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型无人直升机点对点数据链系统，其特征在于，包括基站模块、地面站模块、遥控模块、无线发送与接收模块、无人直升机主控制器模块以及在基站模块与地面站模块之间、基站模块与遥控器模块之间、基站模块与无人直升机主控制器模块之间定义的数据链传输信息标准格式的消息标准和负责链路传输控制的通信协议；

遥控模块通过2.4G频率的无线收发器x-ctu与基站的串口1连接，基站模块与地面站模块由各自的无线网卡通过2.4G的无线WIFI路由器相互连接，基站的串口0与无线发送模块通过串口线相连，无线发送模块中的无线电台通过900M的无线信号与无线接收模块相连，无线接收模块通过RS232串口与无人直升机的主控制器的串口相连；

遥控模块将无人直升机各通道的手控信号发送给基站，基站通过串口0读取遥控器的手控信号，地面站将无人直升机控制器的参数与无人直升机的路径规划控制信号发送给基站模块，基站模块通过对手控信号、控制器的参数、路径规划控制信号进行数据处理、融合，对其进行压缩编码，以字节流的形式通过基站模块的串口1发送给无线发送模块，无线发送模块对数据进行加密，通过900M的无线天线发送出去，基站的无线接收模块通过对接收到的加密信息进行解密还原，通过其串口发送给无人直升机主控制器，无人直升机主控制器对接收到的信息进行解码，将手控信号与控制器的参数和路径规划控制信号分离出来。

2.根据权利要求1所述的小型无人直升机点对点数据链系统，其特征在于，所述地面基站模块是用于对手控信号，地面站发出的控制信号和路径规划控制信号的数据融合，编码和发送及其方法，电压保护方法，以及在传输延时、抑制丢包、网络接连和带宽方面的应用层优化方法。

3.根据权利要求1所述的小型无人直升机点对点数据链系统，其特征在于，所述消息标准包括对数据链传输数据的帧结构、数据类型、数据内容、数据发送/接收规则的完整定义，形成标准格式，以便于发送方和接收方生成、解析与处理。

4.根据权利要求1所述的小型无人直升机点对点数据链系统，其特征在于，所述的数据链通信协议详细规定数据的传输时序、传输流程、传输条件及传输控制方式。

5.根据权利要求1所述的小型无人直升机点对点数据链系统，其特征在于，所述无人直升机主控制器模块包括CPU处理器模块，与CPU处理器连接的传感器单元、电源模块、接口转换模块以及控制电机，构成整个无人直升机自主飞行的控制系统。

6.根据权利要求1所述的小型无人直升机点对点数据链系统，其特征在于，所述地面站系统安装有linux系统的计算机，以及基于linux操作系统的地面站软件，用于无人直升机控制器参数的设定、路径规划控制参数和实时监控平台。

7.根据权利要求1所述的小型无人直升机点对点数据链系统的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1、基站模块采集飞控数据和任务数据，飞控数据主要包括手控和自控状态下的各种命令参数，其中手控状态下的各通道控制参数由遥控器输出和地面底面站模块输出，遥控器输出的PPM信号经过内嵌的AVR解码电路处理后通过无线串口传送给基站模块，地面站模块给出控制器的参数通过UDP网络协议传输给基站模块；自控状态下的控制参数和任务数据均由地面站模块给出，通过UDP网络协议传输给基站模块；

步骤2、基站模块将采集到的飞控数据和任务数据封装在一个数据帧中，数据帧中的数据部分为分段结构，前段固定字节为由遥控器输出的飞控数据，后段固定字节为控制器的控制参数和任务数据；采用固定字段的方法方便解析与处理，同时，基站模块负责将该数据帧通过无线射频模块传输给无人直升机主控制器模块；

步骤3、无人直升机主控制器模块接收到上行的数据帧后，通过解析算法，分别提取出数据部分中的飞控数据和任务数据，飞控数据用作控制运算，任务数据通过串口输出给机载应用系统；

步骤4、无人直升机主控制器模块采集各种传感器数据，主要有IMU、电子罗盘、气压计、Ublox的数据，并将这些数据打包成自定义的字符形式数据包，通过全双工无线射频模块传输给基站模块，该数据包含无人直升机的姿态、位置、速度等各种信息；

步骤5、基站模块接收到下行的数据包后，通过UDP网络协议传输转发给地面站模块，用于显示无人直升机实时状态，从而进行监控；地面站系统是一套带界面的能实时显示无人直升机状态的应用软件，是基于Linux系统下基于GTK与C语言开发的一套软件系统，所述地面站系统包括显示界面，数据处理和数据收发。

8.根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、在无人直升机处于手控状态下，利用遥控器自带的晶振模块和接收机进行手动遥控信号的发送与接收，会导致传输距离受限，并且会受到外界电磁环境的干扰，通过在遥控器里内嵌一个AVR单片机，将PPM信号解码后输出给基站模块；

步骤12、地面站将数据发送到基站之前，建立无线网络和配置地面站与基站的网络IP地址，在基站中，配置IP是通过命令配置的，命令为ifconfig wlan0ip；同时令地面站IP和基站IP在同一网段内。

9.根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21、通信数据报文的设计采用点对点协议，所述数据帧包含起始段、帧头、数据段、帧尾和结束段；

步骤22、在每一次数据报文的发送端数据帧的发送频率要与无人直升机主控制器的工作频率相对应，如果发送端数据帧的发送频率与主控制器的工作频率对应出错，则接收方的数据会有错误。