微型无人机数据传输及控制系统设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人机编队视觉和通信技术领域，特别涉及一种微型无人机数据传输及控制系统设计方法。
【背景技术】
[0002]随着无人机系统及其相关技术的不断发展，其应用前景越来越广阔，应用场景也越来越复杂。微型无人机因其尺寸小、控制灵活、机动性好等特点，其应用尤其广泛。在多种微型无人机应用场景中，都面临着无人机数据传输控制系统的设计问题，构建稳定的无人机数据传输及控制系统具有非常重要的实际意义和应用价值。
[0003]基本的无人机数据传输和控制系统由无人机和地面站组成，无人机和地面站通过不同的无线传输链路进行无人机状态、导航数据、图像数据或其他传感器数据的传输，在地面站处理后对无人机进行控制。实际操作中，这种数据传输和控制系统设计较为复杂，需要考虑无线链路传输稳定性、无人机飞行场景的复杂性、数据传输和处理的实时性以及无人机姿态控制的鲁棒性等。
[0004]现有无人机数据传输和控制系统设计方法存在的问题是，大多数针对具体应用提出设计方案，如利用无人机进行航拍时多采用机载图像数据采集并同时存储于存储卡的方法，缺乏系统设计的整体性和前瞻性；无人机需要传输的数据种类较多，如状态信息、导航数据信息和传感器(如图像传感器)信息等，这些信息对无人机控制系统非常重要，但现有系统大多采用数传设备与图传设备分离的设计模式，将图像数据和控制数据分别传输，造成同步误差而不利于无人机控制系统的高效工作；无人机的自主飞行是其未来发展的一个重要方向，现有系统设计方法大多未加入无人机自主控制模块。因此，虽有无人机数据传输和控制系统投入使用，但这些系统设计方法考虑不够全面，缺乏普适性；另一方面，现有设计尚未考虑未来无人机的自主飞行发展，无法满足未来无人机自主导航的应用需求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
[0006]为此，本发明的目的在于提出一种微型无人机数据传输及控制系统设计方法。该方法具有实现简单，普适性好，可扩展性好的优点。
[0007]为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种微型无人机数据传输及控制系统设计方法，所述微型无人机数据传输及控制系统包括微型无人机、地面控制系统，所述包括以下步骤:S1:根据微型无人机的型号选取无线通信模块，配置地面控制系统与所述微型无人机的无线通信链路；S2:通过发送初始化信号建立地面控制系统与微型无人机的无线通信连接；S3:发送微型无人机配置指令，并在地面控制系统上接收微型无人机状态数据；S4:根据具体操作需求并按照微型无人机控制命令格式生成控制指令序列，通过无线链路发送给所述微型无人机。
[0008]另外，根据本发明上述实施例的微型无人机数据传输及控制系统设计方法还可以具有如下附加的技术特征:
[0009]在一些示例中，地面控制系统为以下任意一种类型:普通PC机或工作站系统；包含特殊数据处理器的数据处理板。
[0010]在一些示例中，所述地面控制系统与微型无人机的无线通信方式包括以下任意一种:微型无人机的通信模块作为无线链路接入点，地面控制系统利用自身无线通信模块与其建立从属通信连接关系；地面控制系统作为无线链路接入点，微型无人机利用自身无线通信模块与其建立从属通信连接关系。
[0011]在一些示例中，所述无线链路的数据包传输采用UDP协议，采用不同的通信端口发送和接收不同类型的数据。
[0012]在一些示例中，所述地面控制系统通过向微型无人机发送特定的配置指令，获取无人机的状态数据，所述状态数据包括:机载GPS导航信息；微型无人机的飞行状态，如起飞状态、悬停状态、降落状态等；微型无人机三轴加速度、角速度信息等；微型无人机续航能力信息，如电池电量等；微型无人机其他机载传感器信息，如飞行高度等；微型无人机机载摄像头，如前视摄像头和俯视摄像头的图像信息。
[0013]在一些示例中，所述地面控制系统接收到机载图像数据包之后，以无人机特定的图像压缩方式解析图像。
[0014]在一些示例中，所述地面控制系统包括:一个主控线程、GPS数据接收与处理、惯性导航数据接收与处理、机载传感器数据接收与处理和用户输入与指令发送四个子线程，以及传感器数据处理模块和控制命令生成模块。
[0015]在一些示例中，所述地面控制系统的主线程用于:初始化地面控制系统与微型无人机的无线通信端口 ；向微型无人机发送测试数据包测试连接是否正常；向微型无人机发送参数配置命令，并接收无人机发回的状态信息数据；在确定与微型无人机连接正常后，开启各子线程开始工作。
[0016]在一些示例中，所述地面控制系统的GPS数据接收与处理子线程用于:打开并设置接收GPS数据的socket ;侦听该socket ;若收到GPS信号数据，则解析GPS数据并在地面控制系统中显示更新。
[0017]在一些示例中，所述地面控制系统的惯性导航数据接收与处理子线程用于:打开并设置接收惯性导航数据的socket ;侦听该socket ;若收到惯性导航数据，则解析该数据并在地面控制系统中显示更新。
[0018]在一些示例中，所述地面控制系统的机载传感器数据接收与处理子线程用于:打开并设置接收机载传感器数据的socket ;侦听该socket ;若收到机载传感器数据包，则解析该数据并在地面控制系统中显示更新，并将其送入传感器数据处理模块进行处理。
[0019]在一些示例中，所述地面控制系统的用户输入与指令发送子线程用于:打开并设置指令发送socket ;侦听键盘上的用户输入；如果出现新的输入，则将输入对应到具体飞行控制命令并发送至命令生成模块；监控命令生成模块缓存，如果存在针对具体用户输入的控制命令或新的命令序列，则读出并发送给微型无人机。
[0020]在一些示例中，所述地面控制系统的传感器数据处理模块用于针对特定应用处理机载传感器数据，判断无人机起飞和避障过程中环境障碍物的距离、尺寸识别，针对跟踪应用的跟踪目标特征识别。
[0021]在一些示例中，所述地面控制系统的控制命令生成模块用于为根据飞行环境信息的分析结果及飞行目的和用户输入指令，按照无人机控制命令格式生成控制命令序列，并存入其命令缓存空间，等待用户输入与指令发送子线程读取并发送。
[0022]根据本发明实施例的微型无人机数据传输及控制系统设计方法具有以下优点:
[0023](I)适应性强，该方法综合考虑了遥控或自主飞行微型无人机数据传输和控制的多方面因素，因此可适合多种微型无人机数据传输和控制系统平台建设；
[0024](2)可扩展性好，该方法涵盖了无人机数据传输和系统控制的主体部分，针对不同场景的具体应用，可在相应模块进行二次开发，针对不同的地面控制系统实现方式具有良好的可扩展性；
[0025](3)数据同步性好，该方法将多种不同类型的数据传输方式整合在一起，克服了传统系统中将数据传输与传感器(如图像传感器)信息传输分离的设计方法，保证了数据同步性，可大幅提尚系统控制的准确性和鲁棒性。
[0026]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0027]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
[0028]图1为本发明实施例的微型无人机数据传输及控制系统设计框图；
[0029]图2为本发明一个实施例的地面控制系统主线程工作流程；
[0030]图3为本发明一个实施例的地面控制系统四个子线程工作流程；
[0031]图4为本发明一个实施例的微型无人机数据传输及控制系统设计方法的流程图。
[0032]附图标记说明，微型无人机1、无线通信链路2、地面控制系统3、GPS数据接收模块4、惯性导航数据接收模块5、机载传感器数据接收模块6、传感器数据处理模块7、控制命令序列生成模块8、用户输入9和控制命令发送模块10。
【具体实施方式】
[0033]下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或