一种基于蜂窝网络控制飞行的方法及系统与流程
本申请涉及飞行控制的技术领域，尤其涉及一种基于蜂窝网络控制飞行的方法及系统。
背景技术：
lte(longtermevolution，长期演进)是通用移动通信系统技术标准的长期演进，而lte-m，即lte-machine-to-machine，是基于lte演进的物联网技术，在r12中叫low-costmtc，在r13中被称为lteenhancedmtc，即emtc(增强机器类通信)，旨在基于现有的lte载波满足物联网设备需求。emtc(增强机器类通信)基于蜂窝网络进行部署，支持上下行最大1mbps的峰值速率，属于物联网中速率，其用户设备通过支持1.4mhz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的lte网络。lte在不断演进的过程中，最新的emtc(增强机器类通信)和nbiot都进一步优化了系统的成本、增强了续航能力、扩大了覆盖范围。emtc(增强机器类通信)的最关键能力在于支持移动性并可以定位，成本只有cat1芯片的25％，相比于gprs速率要高四倍。
无人机飞行技术现已成为热门研究领域，而现有技术中基于蜂窝网络连接条件控制下的无人机飞行具有诸多的问题，在其设定的场景下基本体现了两点之间无人机使用蜂窝网络控制飞行的问题。但仍存在以下两方面问题：1、没有明确的无人机蜂窝网络通信技术，蜂窝网络有多个版本的技术，不同版本的技术针对于对于不同的应用场景，合理的技术才能实现无人机飞行控制的安全有效性，因此在场景中蜂窝网络版本的选择是一个较为复杂的问题。2、没有多个固定航点飞行方案，在现实生活中，很少只进行单一的两个位置之间的作业，研究多个固定航点飞行距离最短的飞行方案有重要的现实意义，因此现有两个位置之间的飞行控制具有较大的局限性。
因此，如何提供一种可靠性强、具有多个航点飞行通信控制的飞行方案是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本申请的目的在于提供一种基于蜂窝网络控制飞行的方法及系统，解决现有技术中飞行通信控制可靠性低且无法实现多个航点飞行通信控制的技术问题。
为达到上述目的，本申请提供一种基于蜂窝网络控制飞行的方法，包括：
接收飞行航点坐标信息、邻点范围信息及通信基站位置信息；
通过增强机器类通信蜂窝网络连接飞行器，利用所述飞行器与通信基站之间信号传输的保证通信服务质量的信道增益关系得出所述增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围；
在所述增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围内，根据邻点范围确定区域内每一点的邻点数量，通过所述邻点范围信息得出到所述各个所述邻点之间的距离，利用最小距离循环演化得到所述固定航点之间的最小距离；
利用人工蚁群算法及所述固定航点之间的最小距离得到所述飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离、航点飞行顺序及飞行轨迹顺序；
利用所述飞行航点坐标的最小距离、航点飞行顺序及飞行轨迹顺序控制所述飞行器飞行，并实时展现所述飞行器的位置及与起始飞行点之间的飞行距离。
可选地，其中，该方法还包括：
利用所述飞行器与通信基站之间信号传输的信道增益关系得到包含所有的所述飞行航点坐标的所述通信基站；当无所述通信基站包含所有的所述飞行航点坐标时，利用所述飞行器与通信基站之间信号传输的信道增益关系得到需要基站数量最少且覆盖所有所述飞行航点坐标的通信基站得出所述增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围。
可选地，其中，该方法还包括：
在飞行范围内所有通信基站组合都未能包含所有的所述飞行航点坐标时，生成不完整飞行控制信息并显示；同时，根据现有通信基站信息找出需要新增通信基站最少的通信基站组合进行展现。
可选地，其中，利用所述飞行器与通信基站之间信号传输的保证通信服务质量的信道增益关系得出所述增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围，包括：
所述飞行器与所述通信基站之间信号传输的信道增益表示为：
其中h为飞行器的飞行高度，hg表示通信基站的高度。u(t)表示飞行器在水平面上的坐标，gm表示任意一个通信基站的水平坐标，m表示所有的通信基站数量,β0表示信号在1m的距离时的信道增益；
飞行器与通信基站进行通信的信噪比表示为：
其中p表示每个通信基站的发射功率，σ2表示飞行器接收机的噪声；
蜂窝网络的覆盖范围指的是飞行器和基站间保证通信服务质量的最大通信距离，表示为：
smin表示飞行器与通信基站间通信的最小信噪比。
可选地，其中，该方法还包括：
展现所述固定航点之间的最小距离及所述飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离及飞行轨迹顺序；
接收针对所述固定航点之间的最小距离及所述飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离的飞行控制指令，从所述飞行控制指令中获取指定的飞行航点坐标及飞行顺序控制所述飞行器飞行。
另一方面，本发明还提供一种基于蜂窝网络控制飞行的系统，包括：飞行信息接收器、通信蜂窝网络覆盖范围分析器、邻点距离分析器、飞行轨迹分析器及飞行控制器；其中，
所述飞行信息接收器，与所述通信蜂窝网络覆盖范围分析器相连接，用于在飞行控制设备上，接收起始飞行点信息、飞行航点坐标信息、邻点范围信息及通信基站位置信息；
所述通信蜂窝网络覆盖范围分析器，与所述飞行信息接收器及邻点距离分析器相连接，用于通过增强机器类通信蜂窝网络连接飞行器，利用所述飞行器与通信基站之间信号传输的保证通信服务质量的信道增益关系得出所述增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围；
所述邻点距离分析器，与所述通信蜂窝网络覆盖范围分析器及飞行轨迹分析器相连接，用于在所述增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围内，根据邻点范围内的邻点数量，通过所述邻点范围信息得出到所述各个所述邻点之间的距离，利用最小距离循环演化得到所述固定航点之间的最小距离；
所述飞行轨迹分析器，与所述邻点距离分析器及飞行控制器相连接，用于利用人工蚁群算法及所述邻点之间的最小距离得到所述飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离及飞行轨迹顺序；
所述飞行控制器，与所述飞行轨迹分析器相连接，用于利用所述飞行航点坐标的最小距离、固定航点飞行顺序和飞行轨迹控制所述飞行器飞行，并实时展现所述飞行器的位置及与起始飞行点之间的飞行距离。
可选地，其中，所述通信蜂窝网络覆盖范围分析器，用于通过以下方式计算蜂窝网络的覆盖范围：
所述飞行器与所述通信基站之间信号传输的信道增益表示为：
其中h为飞行器的飞行高度，hg表示通信基站的高度。u(t)表示飞行器在水平面上的坐标，gm表示任意一个通信基站的水平坐标，m表示所有的通信基站数量,β0表示信号在1m的距离时的信道增益；
飞行器与通信基站进行通信的信噪比表示为：
其中p表示每个通信基站的发射功率，σ2表示飞行器接收机的噪声；
蜂窝网络的覆盖范围指的是飞行器和基站间保证通信服务质量的最大通信距离，表示为：
smin表示飞行器与通信基站间通信的最小信噪比。
可选地，其中，该系统还包括：飞行指令控制器，与所述飞行控制器相连接，用于：
展现所述邻点之间的最小距离及所述飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离及飞行轨迹顺序；
接收针对所述邻点之间的最小距离及所述飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离的飞行控制指令，从所述飞行控制指令中获取指定的飞行航点坐标及飞行顺序控制所述飞行器飞行。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请的基于蜂窝网络控制飞行的方法及系统，利用emtc增强机器类通信有效地弥补了传统无人机点对点通信模式速率低、延迟高、可靠性弱的缺陷，除此之外，该发明还可以实现无人机在蜂窝网络控制下遍历多个固定任务点时的飞行距离最小化，提升了飞行的效率。
(2)本申请的基于蜂窝网络控制飞行的方法及系统，根据环境条件自动选取控制飞行最合适的蜂窝网络版本，实现了在各种不同环境下的无人飞行控制，提升了飞行控制的适用性。
(3)本申请的基于蜂窝网络控制飞行的方法及系统，基于emtc增强机器类通信，自动检测可用的通信基站范围，在飞行之前设定好飞行航线和控制线路，能够更加稳定有效地控制飞行器的飞行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中第一种基于蜂窝网络控制飞行的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中图1所述基于蜂窝网络控制飞行的方法的原理流程示意图；
图3为本发明实施例中第二种基于蜂窝网络控制飞行的方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中第三种基于蜂窝网络控制飞行的方法的流程示意图；
图5为本发明实施例中第三种基于蜂窝网络控制飞行的方法的流程示意图；
图6为本发明实施例中第一种基于蜂窝网络控制飞行的系统的结构示意图；
图7为本发明实施例中第二种基于蜂窝网络控制飞行的系统的结构示意图；
图8为本发明实施例中第三种基于蜂窝网络控制飞行的系统的结构示意图；
图9为本发明实施例中第四种基于蜂窝网络控制飞行的系统的示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1所示，为本实施例中第一种基于蜂窝网络控制飞行的方法流程示意图，通过emtc增强机器类通信有效地弥补了传统无人机点对点通信模式速率低、延迟高、可靠性弱的缺陷，提升了飞行器的飞行控制效率。emtc(增强机器类通信)技术支持移动性、可定位。能够实时监控及定位，将信息记录及上传。基于新的物理层技术以及低功耗的要求重新设计的无人机控制单元，能够进一步提高无人机飞控的响应速率，降低无人机通信功耗；同时，通过emtc(增强机器类通信)蜂窝网络的在线控制，可以摒弃手持遥控器对飞手操控的要求，利用运营商提供的高速，低时延，稳定的网络，能够利用手机app在线对无人机进行飞控操作。该方法包括如下步骤：
步骤101、接收飞行航点坐标信息、邻点范围信息及通信基站位置信息。
飞行器起始点位置信息、所要经过的航点坐标信息在设定范围内的邻点范围及用于为飞行器提供控制网络覆盖的通信基站坐标等信息都是在飞行器飞行控制过程中需要用到的基于emtc增强机器类通信的基础数据，通过这些数据预先分析出飞行器所要经过的地点及通信覆盖状况，为飞行器的实际飞行提供路线控制条件，提升了飞行器飞行控制的稳定性和适用性。
步骤102、通过增强机器类通信蜂窝网络连接飞行器，利用飞行器与通信基站之间信号传输的保证通信服务质量的信道增益关系得出增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围。
可选地，利用飞行器与通信基站之间信号传输的信道增益关系得出增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围，包括：
飞行器与通信基站之间信号传输的信道增益表示为：
其中h为飞行器的飞行高度，hg表示通信基站的高度。u(t)表示飞行器在水平面上的坐标，gm表示任意一个通信基站的水平坐标，m表示所有的通信基站数量,β0表示信号在1m的距离时的信道增益；
飞行器与通信基站进行通信的信噪比表示为：
其中p表示每个通信基站的发射功率，σ2表示飞行器接收机的噪声；
蜂窝网络的覆盖范围指的是无人机和基站间保证通信服务质量最大通信距离，表示为：
smin表示飞行器与通信基站间通信的最小信噪比。
增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围涉及到飞行器飞行的控制网络覆盖情况，通过网络覆盖范围内的网络能够平稳、远程地控制飞行器的航行，无需像传统无人机一样需要在一定范围内才能实现控制功能，如此，可以实现移动终端的无线远程控制飞行器的飞行，同时，还可以通过通信基站设置预约飞行时间、预约飞行地点控制，甚至还可以设置自动飞行和自动飞行至预设位置进行充电、上传数据等功能，进一步地实现飞行器的智能化自动控制。
步骤103、在增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围内，根据邻点范围内确定区域内每一点的邻点数量，通过邻点范围信息得出到各个邻点之间的距离，利用最小距离循环演化得到固定航点之间的最小距离。
通过以下具体步骤筛选合适的邻点，确定出航点之间的最佳轨迹。假设无人机在空中都是以同一高度飞行。设某点的平面位置为(a,b)，则该点产生的邻点坐标(x,y)范围是a-nr<x<a+nr,b-nr<y<b+nr,到范围内点的距离可以表示为：
步骤104、利用人工蚁群算法及固定航点之间的最小距离得到飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离、航点飞行顺序及飞行轨迹顺序。
根据上面流程得到的所有固定航点之间的最小距离，采用人工蚁群算法，求出无人机遍历航点的顺序和飞完所有固定航点的最短距离。此处所用人工蚁群算法近似于解决旅行商问题的人工蚁群算法，但此处遍历所有航点时，无人机不回到起始点。
步骤105、利用飞行航点坐标的最小距离、航点飞行顺序及飞行轨迹顺序控制飞行器飞行，并实时展现飞行器的位置及与起始飞行点之间的飞行距离。
输出无人机在emtc(增强机器类通信)蜂窝网络连接下多个固定航点飞行的最小距离和最短轨迹。利用蜂窝网络进行实时控制的无人机飞行系统，引入emtc(增强机器类通信)技术，通过蜂窝网络通信取代传统的点对点通信方式，将大幅度提升无人机在空中飞行的安全性。另外更重要的是，本发明提出在蜂窝网络控制条件下，遍历多个航点的飞行轨迹优化策略，能使无人机完成任务时间最短。总的来说，本发明有效克服了现有相似技术方案的缺点和不足，本发明的基于蜂窝网络连接保持条件下多航点飞行距离最小化策略主要由两个部分组成，如图2所示，包括如下步骤：
步骤201、初始化，输入开始坐标、邻点范围、基站位置等相关参数，然后进行下一步。
步骤202、emtc蜂窝网连接，根据进行正常的保证通信服务质量的通信的最小信噪比来确定无人机与基站通信的最大距离，确定区域内所有基站的覆盖范围。
步骤203、确定蜂窝网覆盖范围，根据邻点范围确定区域内每一点的邻点数量，并计算其到邻点的距离。
步骤204、确定邻点数量和到邻点的距离，最小化蜂窝网络连接条件下从起始点到某一点的距离。
步骤205、最小化固定航点之间的距离和轨迹。
步骤206、如果满足航点之间的距离全部最小化终止条件，则跳出流程图，不满足终止条件，则继续循环。
步骤207、人工蚁群算法，计算最优航线。
步骤208、输出最优航线：流图完成，输出优化结果。
采用emtc(增强机器类通信)蜂窝网络技术方案，实现无人机飞行的实时控制，减少了以往使用点对点通信所带来的弊端。实现无人机在emtc(增强机器类通信)蜂窝网络控制下遍历多个固定任务点时的飞行距离最小化，如在货物定点投递等方面有着重要意义。
在一些可选的实施例中，如图4所示，为本实施例中第三种种基于蜂窝网络控制飞行的方法的流程示意图，与图1中不同的是，该方法包括如下步骤：
步骤401、在飞行范围内所有通信基站组合都未能包含所有的飞行航点坐标时，生成不完整飞行控制信息并显示。
步骤402、根据现有通信基站信息找出需要新增通信基站最少的通信基站组合进行展现。
可选地，如图5所示，为本发明实施例中第四种基于蜂窝网络控制飞行的方法的流程示意图，与图1中不同的是，还包括：
步骤501、展现固定航点之间的最小距离及飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离及飞行轨迹顺序。
步骤502、接收针对固定航点之间的最小距离及飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离的飞行控制指令，从飞行控制指令中获取指定的飞行航点坐标及飞行顺序控制飞行器飞行。
图6为本实施例中一种基于蜂窝网络控制飞行的系统600的结构示意图，该系统用于实施上述的基于蜂窝网络控制飞行的方法，该系统包括：飞行信息接收器601、通信蜂窝网络覆盖范围分析器602、邻点距离分析器603、飞行轨迹分析器604及飞行控制器605；其中，
飞行信息接收器601，与通信蜂窝网络覆盖范围分析器602相连接，用于在飞行控制设备上，接收飞行航点坐标信息、邻点范围信息及通信基站位置信息。
通信蜂窝网络覆盖范围分析器602，与飞行信息接收器601及邻点距离分析器603相连接，用于通过增强机器类通信蜂窝网络连接飞行器，利用飞行器与通信基站之间信号传输的信道增益关系得出增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围。
可选地，通信蜂窝网络覆盖范围分析器，用于通过以下方式计算蜂窝网络的覆盖范围：
飞行器与通信基站之间信号传输的信道增益表示为：
其中h为飞行器的飞行高度，hg表示通信基站的高度。u(t)表示飞行器在水平面上的坐标，gm表示任意一个通信基站的水平坐标，m表示所有的通信基站数量,β0表示信号在1m的距离时的信道增益；
飞行器与通信基站进行通信的信噪比表示为：
其中p表示每个通信基站的发射功率，σ2表示飞行器接收机的噪声；
蜂窝网络的覆盖范围指的是无人机和基站间最大通信距离，表示为：
smin表示飞行器与通信基站间通信的最小信噪比。
邻点距离分析器603，与通信蜂窝网络覆盖范围分析器602及飞行轨迹分析器604相连接，用于在增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围内，根据邻点范围确定区域内每一点的邻点数量，通过邻点范围信息得出到各个邻点之间的距离，利用最小距离循环演化得到固定航点之间的最小距离和轨迹。
飞行轨迹分析器604，与邻点距离分析器603及飞行控制器605相连接，用于利用人工蚁群算法及固定航点之间的最小距离得到飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离及飞行轨迹顺序。
飞行控制器605，与飞行轨迹分析器604相连接，用于利用飞行航点坐标的最小距离及飞行顺序控制飞行器飞行，并实时展现飞行器的位置及与起始飞行点之间的飞行距离。
在一些可选地实施例中，如图7所示，为本实施中的第二种基于蜂窝网络控制飞行的系统700的结构示意图，与图6不同的是，还包括：通信基站覆盖分析器701，与通信蜂窝网络覆盖范围分析器602相连接，用于利用飞行器与通信基站之间信号传输的保证通信服务质量的信道增益关系得到包含所有的飞行航点坐标的通信基站；当无通信基站包含所有的飞行航点坐标时，利用飞行器与通信基站之间信号传输的保证通信服务质量的信道增益关系得到需要基站数量最少且覆盖所有飞行航点坐标的通信基站得出增强机器类通信蜂窝网络的覆盖范围。
在一些可选地实施例中，如图8所示，为本实施中的第二种基于蜂窝网络控制飞行的系统800的结构示意图，与图7不同的是，还包括：通信基站组合判定器801，与通信基站覆盖分析器701相连接，用于在飞行范围内所有通信基站组合都未能包含所有的飞行航点坐标时，生成不完整飞行控制信息并显示。
在一些可选地实施例中，如图9所示，为本实施中的第二种基于蜂窝网络控制飞行的系统900的结构示意图，与图6不同的是，还包括：飞行指令控制器901，与飞行控制器605相连接，用于：展现固定航点之间的最小距离及飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离及飞行轨迹顺序；接收针对邻点之间的最小距离及飞行器遍历所有飞行航点坐标的最小距离的飞行控制指令，从飞行控制指令中获取指定的飞行航点坐标及飞行顺序控制飞行器飞行。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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