一种基于云的无人机集群通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于云的无人机集群通信系统，在该系统中，集群云控制器是基于云的无人机集群通信系统的核心，负责实时监测集群系统拓扑变化，链路状态和飞行状态。本系统采用集中式部署的方式，即一个集群云控制器实例对整个集群网络状态进行维护和全局配置。该基于云的无人机集群通信系统可以适应快速变化的拓扑结构，节约有限的机载计算资源和提高续航时间，以及克服无线信道质量的不稳定，以及提高集群通信性能特别是路由协议的可靠性。本发明针对无人机集群特点设计自组网通信架构，提高路由运算性能，续航能力及无线信道利用率。
【专利说明】
一种基于云的无人机集群通信系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于云的无人机集群通信系统，属于无人机控制领域。
【背景技术】
[0002]现有的无人机组网技术依赖于传统的由移动节点组成的自组网(adhoc)，其包括移动自组网(Mobile Ad Hoc Network，MANET)和车载网(vehicular ad hoc network,VANET)，为无人机集群分布式通信提供了理论和技术依据。MANET和VANET网络为无人机集群提供分布式组网协议和数据通信架构(包括网络接入机制，信道访问机制，路由协议等)，使得数据包在无人机之间分发。
[0003]然而MANET和VANET网络的路由协议性能受到很多因素影响(包括:节点移动性，计算资源，能耗限制，无线信道质量等)对无人机节点组成的集群自组网带来新的挑战。例如，传统MANET网络针对小型嵌入式系统无线节点，计算资源和电池能耗有限并且节点一般处于低速运动(0-2m/sec);而VANET网络支持更高的节点移动速度(如20-30m/s的汽车高速场景)，节点的数据处理由性能较高的车载计算平台完成，并且通常依靠车载供电系统。而无人机节点组成的集群自组网的特点是:移动速度高(0-100m/S)、小型无人机机载计算资源有限、飞行控制系统占去主要的CPU和内存资源以保障飞行姿态稳定、续航时间有限。此外，集群密度的变化，外界环境因素的影响(如风速，障碍物等)也会带来额外的计算资源和电量消耗。因此，传统MANET和VANET网络不能直接应用在无人机集群通信系统。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于云的无人机集群通信系统，在该系统中，集群云控制器是基于云的无人机集群通信系统的核心，负责实时监测集群系统拓扑变化，链路状态和飞行状态。本系统采用集中式部署的方式，即一个集群云控制器实例对整个集群网络状态进行维护和全局配置。该基于云的无人机集群通信系统可以适应快速变化的拓扑结构，节约有限的机载计算资源和提高续航时间，以及克服无线信道质量的不稳定，以及提高集群通信性能特别是路由协议的可靠性。本发明针对无人机集群特点设计自组网通信架构，提高路由运算性能，续航能力及无线信道利用率。
[0005]为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]本发明提供了一种基于云的无人机集群通信系统，包括集群云控制器和多个无人机，其中:
[0007]所述集群云控制器与运营商的通信网络建立数据连接；
[0008]所述无人机设置有GPS模块、WIFI通信模块、蜂窝通信模块和应用数据采集模块；所述GPS模块用于实时获取无人机的位置信息；不同无人机上的WIFI通信模块之间可建立WIFI通信连接，从而建立一个基于WIFI的通信数据网络;所述蜂窝通信模块用于与运营商的通信网络建立数据连接;所述应用数据采集模块用于在无人机的飞行过程中采集应用数据，且不同无人机利用所述基于WIFI的通信数据网络相互传输应用数据；
[0009]所述蜂窝通信模块让无人机通过运营商的通信网络与集群云控制器建立起基于运营商的数据网络;且利用所述基于运营商的数据网络，无人机向集群云控制器实时发送位置信息、飞行状态数据和与其他无人机的WIFI数据链路的状态，集群云控制器会向无人机发送飞行控制数据；
[0010]所述集群云控制器利用路由算法、无人机的位置信息和WIFI数据链路的状态，且以每个无人机作为通信节点，计算出所述基于WIFI的通信网络的路由信息，且通过所述基于运营商的数据网络向无人机发送相应的路由信息。
[0011]作为优选，所述无人机与集群云控制器之间传输位置信息、飞行状态数据、飞行控制数据、WIFI数据链路的状态和路由信息时所使用的协议为Openflow协议。
[0012]作为优选，所述无人机还设置有存储器，当所述无人机无法将其应用数据发送给其他无人机时，暂时存储在存储器中。
[0013]作为优选，所述应用数据采集模块为摄像头，且所述应用数据为视频音频数据。
[0014]本发明的有益效果:
[0015]本发明提供了一种基于云的无人机集群通信系统，在该系统中，集群云控制器是基于云的无人机集群通信系统的核心，负责实时监测集群系统拓扑变化，链路状态和飞行状态。本系统采用集中式部署的方式，即一个集群云控制器实例对整个集群网络状态进行维护和全局配置。该基于云的无人机集群通信系统可以适应快速变化的拓扑结构，节约有限的机载计算资源和提高续航时间，以及克服无线信道质量的不稳定，以及提高集群通信性能特别是路由协议的可靠性。本发明针对无人机集群特点设计自组网通信架构，提高路由运算性能，续航能力及无线信道利用率。
【附图说明】
[0016]图1为本发明所提供的一种基于云的无人机集群通信系统的拓扑图；
[0017]图2为本发明所提供的一种基于云的无人机集群通信系统的基于运营商的数据网络的不意图
[0018]图3为本发明所提供的一种基于云的无人机集群通信系统的基于WIFI的数据网络的示意图
[0019]其中:1.集群云控制器，2.无人机，21.GPS模块，22.WIFI通信模块，23.蜂窝通信模块，24.应用数据采集模块，25.存储器；
【具体实施方式】
[0020]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0021]本发明提供了一种基于云的无人机集群通信系统，如图1、图2和图3所示，包括集群云控制器I和多个无人机2:
[0022]所述集群云控制器I与运营商的通信网络建立数据连接；
[0023]可选地，所述集群云控制器为云端server。
[0024]所述无人机2设置有GPS模块21、WIFI通信模块22、蜂窝通信模块23和应用数据采集模块24;所述GPS模块21用于实时获取无人机2的位置信息；不同无人机2上的WIFI通信模块22之间可建立WIFI通信连接，从而建立一个基于WIFI的通信数据网络;所述蜂窝通信模块23用于与运营商的通信网络建立数据连接;所述应用数据采集模块24用于在无人机2的飞行过程中采集应用数据，且不同无人机2利用所述基于WIFI的通信数据网络相互传输应用数据；
[0025]如图2所示，所有无人机都与运营商的基站建立数据连接。运营商的通信网络是由运营商维护的，因此，利用运营商的通信网络可以让无人机无人位于何处都能够与集群云控制器建立起数据连接。
[0026]所述蜂窝通信模块23让无人机2通过运营商的通信网络与集群云控制器I建立起基于运营商的数据网络;且利用所述基于运营商的数据网络，无人机2向集群云控制器I实时发送位置信息、飞行状态数据和与其他无人机2的WIFI数据链路的状态，集群云控制器I会向无人机2发送飞行控制数据；
[0027]所述集群云控制器I利用路由算法、无人机的位置信息和WIFI数据链路的状态，且以每个无人机2作为通信节点，计算出所述基于WIFI的通信网络的路由信息，且通过所述基于运营商的数据网络向无人机2发送相应的路由信息。
[0028]如图3所示，不同无人机上的WIFI通信模块相互之间可以建立通信连接，从而形成了一个通信网。由于无人机是在不停的运动中，由于信号的强弱、遮挡等原因，并不是每个无人机之间都能建立通信连接。
[0029]—般用户都是带着目的来飞无人机，比如:利用无人机来拍摄视频、获取空气质量信息等，从而这些活动所产生的数据就是应用数据。
[0030]从而无人机与集群云控制器之间的数据传送通过基于运营商的通信网络。一方面提高了数据通信吞吐量和集群云控制器对无人机节点的控制范围；另一方面减少了应用数据在无人机间传输的干扰，提高了无线信道利用率。由于基于运营商的数据网络的稳定性，从而保证了无论何时无人机都能将位置信息和飞行状态数据发送给集群云控制器。
[0031]本发明提供了一种基于云的无人机集群通信系统，在该系统中，集群云控制器是基于云的无人机集群通信系统的核心，负责实时监测集群系统拓扑变化，链路状态和飞行状态。本系统采用集中式部署的方式，即一个集群云控制器实例对整个集群网络状态进行维护和全局配置。该基于云的无人机集群通信系统可以适应快速变化的拓扑结构，有限的机载计算资源和续航时间，以及无线信道质量的不稳定，对集群通信性能特别是路由协议的可靠性带来挑战。本发明针对无人机集群特点设计自组网通信架构，提高路由运算性能，续航能力及无线信道利用率。
[0032]可选地，所述集群云控制器I会利用无人机的位置信息来计算各个无人机的距离，当各个无人机的最短距离大于2000米时，所述路由算法为基于空间距离的路由算法;否则，所述路由算法为基于链路状态的路由算法。
[0033]本基于云的无人机集群通信系统会根据各个无人机之间的距离信息来使用不同的算法，从而能够确保在不同的距离条件下都能有进行有效的通信
[0034]所述集群云控制器会维护链路状态表、飞行状态表和集群路由表。其中链路状态表和飞行状态表根据集群密度服务于单独的路由算法:基于链路状态路由算法和基于空间距离路由算法。集群路由表属于全局实例，维护无人机节点间的数据包转发路径信息包括无人机编号、数据包源IP地址、数据包目的IP地址、下一跳节点IP地址和路由跳数。经过路由算法计算得到的路由信息由集群路由更新模块发送至无人机节点，同时更新集群路由表。
[0035]优选地，所述无人机2与集群云控制器I之间传输位置信息、飞行状态数据、飞行控制数据、WIFI数据链路的状态和路由信息时所使用的协议为Openflow协议。
[0036]集群云控制器与无人机之间的控制信息通过标准openflow协议接口传输。集群云控制器的目的是承担繁重的路由逻辑运算任务并对拓扑变化作出快速响应，并不影响无人机集群的自组织功能，无人机之间依然通过编队控制算法协调彼此的飞行姿态。关于集群控制算法属于集群控制理论领域，是现有技术，在此不再赘述。
[0037]优选地，所述无人机还设置有存储器25，当所述无人机2无法将其应用数据发送给其他无人机2时，暂时存储在存储器25中。
[0038]可选的，当无人机可通过所述基于WIFI的通信网络将应用数据发送个其他无人机时，通过基于WIFI的通信网络将暂存在存储器中的应用数据发送给其他无人机。
[0039]利用存储器作为缓存，可以保证该无人机所获取的应用数据不丢失。
[0040]优选地，所述应用数据采集模块24为摄像头，且所述应用数据为视频音频数据。
[0041]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1.一种基于云的无人机集群通信系统，包括集群云控制器(I)和多个无人机(2)，其特征在于: 所述集群云控制器(I)与运营商的通信网络建立数据连接； 所述无人机(2)设置有GPS模块(21)、WIFI通信模块(22)、蜂窝通信模块(23)和应用数据采集模块(24);所述GPS模块(21)用于实时获取无人机(2)的位置信息;不同无人机(2)上的WIFI通信模块(22)之间可建立WIFI通信连接，从而建立一个基于WIFI的通信数据网络；所述蜂窝通信模块(23)用于与运营商的通信网络建立数据连接;所述应用数据采集模块(24)用于在无人机(2)的飞行过程中采集应用数据，且不同无人机(2)利用所述基于WIFI的通信数据网络相互传输应用数据； 所述蜂窝通信模块(23)让无人机(2)通过运营商的通信网络与集群云控制器(I)建立起基于运营商的数据网络;且利用所述基于运营商的数据网络，无人机(2)向集群云控制器(I)实时发送位置信息、飞行状态数据和与其他无人机(2)的WIFI数据链路的状态，集群云控制器(I)会向无人机(2)发送飞行控制数据； 所述集群云控制器(I)利用路由算法、无人机的位置信息和WIFI数据链路的状态，且以每个无人机(2)作为通信节点，计算出所述基于WIFI的通信网络的路由信息，且通过所述基于运营商的数据网络向无人机(2)发送相应的路由信息。2.根据权利要求1所述的基于云的无人机集群通信系统，其特征在于: 所述无人机(2)与集群云控制器(I)之间传输位置信息、飞行状态数据、飞行控制数据、WIFI数据链路的状态和路由信息时所使用的协议为Openflow协议。3.根据权利要求1或2所述的基于云的无人机集群通信系统，其特征在于: 所述无人机还设置有存储器(25)，当所述无人机(2)无法将其应用数据发送给其他无人机(2)时，暂时存储在存储器(25)中。4.根据权利要求1-3任一项所述的基于云的无人机集群通信系统，其特征在于: 所述应用数据采集模块(24)为摄像头，且所述应用数据为视频音频数据。
【文档编号】H04W40/02GK105979558SQ201610242349
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】袁振珲
【申请人】杭州若联科技有限公司