一种无人机无线激光遥控系统和遥控方法与流程

本发明涉及无人机遥控技术，具体为一种无人机无线激光遥控系统和遥控方法。

背景技术：

近些年随着无人机技术的快速发展，无人机在民用、军用等领域广泛应用，目前大多数无人机使用无线电通信技术，控制信号大多在1.2ghz、2.4ghz、5.8ghz等常规频段，这些波段无线电信号的较容易被干扰，使无人机失控。甚至可能被他人控制无人机，即无人机被劫持。如果不法分子利用无线电信号进行反无人机活动，将会对无人机使用产生很大破坏性影响，甚至会产生严重的灾难性后果。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种无人机无线激光遥控系统，包括地面激光通信终端和无人机激光通信终端，地端的主控中心连接控制两轴转台及其上的光信号收发组件和图像跟踪器，主控中心连接遥控器和/或上位机。机端的主控电路连接无人机机身上的靶标、信号探测器、双轴转台和其上的信号光发送组件和信号追踪器，主控电路连接无人机飞行状态控制仪和业务数据端口。

本发明的另一目的是设计一种无人机无线激光遥控方法，使用本发明的无人机无线激光遥控系统，机端的主控电路打开靶标；地端的主控中心控制两轴转台扫描，图像跟踪器在扫描过程中识别无人机的靶标图像特征，一旦发现无人机的靶标、停止扫描，持续跟踪该靶标；并向无人机发射地端控制指令；无人机底部的信号探测器接收控制指令，无人机按此控制无人机飞行，同时信号追踪器精确瞄准地端收发天线，机端的光信号发送组件向地端发送业务数据。

本发明采用无线激光传输无人机控制指令。与无线电传输相比，无线激光通信具有通信容量大、抗干扰、保密性强等特点，很难被干扰和窃取，同时无线激光传输容量大，可以传输大量业务数据。

本发明设计的一种无人机无线激光遥控系统包括地面激光通信终端和无人机激光通信终端。

地面激光通信终端包括安装于两轴转台上的光信号收发组件和图像跟踪器，主控中心连接控制光信号收发组件和图像跟踪器，还连接两轴转台的俯仰角控制器和方位角控制器，主控中心经所述俯仰角控制器和方位角控制器控制两轴转台的俯仰角和方位角。主控中心连接遥控器和/或上位机。所述光信号收发组件包括光电变换器和光信号接收器，电光变换器和光信号发射器，光信号接收器和光信号发射器共用地端收发天线。光电变换器连接主控中心的信号输入端，电光变换器连接主控中心的信号输出端。所述图像跟踪器为带有望远光路的跟踪器。所述图像跟踪器和地端收发天线的光路平行。

无人机激光通信终端包括安装于无人机机身的一个或多个靶标和固定于机身的双轴转台，较佳方案为机身对称安装2～8个靶标。双轴转台上安装有信号光发送组件和信号追踪器，多个信号探测器呈圆周阵列排布于无人机机身底部，且每个信号探测器均有其位置编号存储于主控电路，信号探测器的圆周阵列半径大于双轴转台半径；所述信号探测器为8～32个。主控电路连接控制靶标、信号光发送组件、信号追踪器和信号探测器，还连接双轴转台的俯仰角控制电路和方位角控制电路。主控电路经所述俯仰角控制电路和方位角控制电路控制双轴转台的俯仰角和方位角。主控电路连接无人机飞行状态控制仪和业务数据端口。所述靶标为恒定温度热源，或波长为0.4μm～12μm的led光源，或波长为0.4μm～12μm的激光源。所述光信号发送组件包括电光变换电路、光信号发射电路和机端发送天线，电光变换器连接主控中心的信号输出端。所述信号探测器为带有光电转换电路的探测器。所述信号追踪器为带有望远光路的追踪器。所述信号追踪器和机端发送天线的光路平行。

作为靶标恒定温度热源与飞行器的环境温度要有明显差别，以便地面探测。综合考虑耗电量，器件成本及维护成本等因素，靶标恒定温度热源的温度为0～80℃。

驱动所述地面激光通信终端的两轴转台和无人机激光通信终端的双轴转台转台转动的为分别控制方位和俯仰的2台步进电机或2台伺服电机。

所述伺服电机驱动的两轴转台和双轴转台为陀螺稳定转台，以隔离基座的扰动，使安装于转台上的光轴保持稳定，同时转台还具备自动跟踪的功能。

本发明一种无人机无线激光遥控方法，使用上述本发明的无人机无线激光遥控系统，主要步骤如下：

ⅰ、打开靶标

无人机激光通信终端的主控电路打开靶标；

ⅱ、地端控制信号发送

地面激光通信终端的主控中心控制两轴转台的俯仰角控制器和方位角控制器开启扫描，扫描俯仰角0°～90°、方位角n×360°，n为－3～3的整数。图像跟踪器在扫描过程中识别无人机的靶标图像特征，一旦发现无人机的靶标、主控中心即停止扫描，控制两轴转台持续跟踪该靶标；

与此同时，地端主控中心的控制信号通过电光变换器电信号调制加载于光信号，通过光信号发射器由地端收发天线发射；地端控制指令向无人机的传输过程即上行数据传输；

ⅲ、无人机接收控制指令

步骤ⅱ地端的图像跟踪器瞄准了无人机的靶标，与地端的图像跟踪器平行的地端收发天线的光路也就瞄准了无人机，地端光信号发射器经地端收发天线发射的光信号照射到无人机底部的信号探测器，信号探测器接收的光信号经光电转换电路光电变换、信号解调后，送入机端主控电路，接入无人机飞行状态控制仪，无人机按地端主控中心的指令控制无人机飞行。

ⅳ、无人机发送业务数据

步骤ⅱ上行数据传输链路建立后，主控电路通过接收到上行数据的信号探测器位置判断地端发送的激光信号的方向，主控中心控制双轴转台的俯仰角控制电路和方位角控制电路开启在该方向范围内扫描，扫描俯仰角0°～90°、方位角小于10°，同时信号追踪器精确瞄准地端收发天线的光斑，即控制双轴转台，使其捕获的地端收发天线的光斑处于信号追踪器屏幕的中心；此时与信号追踪器光路平行的机端发送天线也应精确地对准了地端收发天线；机端的光信号发送组件将主控电路传送的业务数据经电光转换、调制加载于激光，通过机端发送天线发射，机端发送天线发射的激光照射到地端收发天线，地端光信号收发组件接收并通过光电变换、解调后将下行信号送入地端主控中心，传输到上位机。

与现有技术相比，本发明一种无人机无线激光遥控系统和遥控方法的优点为：1、采用无线激光进行上行控制信号及下行业务数据的传输，和无线电信号传输相比，具有通信容量大、抗干扰、保密性强等特点，不存在干扰和窃取的风险，在复杂电磁环境下也能可靠地控制无人机；2、采用无线激光对业务信号进行回传，速率可达1.25g乃至更高速率，和无线电通信手段相比，还具有不占用宝贵的无线电频率资源、电磁兼容信号、抗干扰能力强、保密性强。

附图说明

图1为本无人机无线激光遥控系统实施例的地面激光通信终端的电路框图；

图2为本无人机无线激光遥控系统实施例的无人机激光通信终端的电路框图；

图3为本无人机无线激光遥控系统实施例的无人机激光通信终端的无人机底部的信号探测器阵列布置示意图；

图4为本无人机无线激光遥控方法实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案更加清晰，下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

无人机无线激光遥控系统实施例

本无人机无线激光遥控系统实施例包括地面激光通信终端和无人机激光通信终端。

本例地面激光通信终端如图1所示，包括安装于两轴转台上的光信号收发组件和图像跟踪器，主控中心连接控制光信号收发组件和图像跟踪器，还连接两轴转台的俯仰角控制器和方位角控制器，主控中心经所述俯仰角控制器和方位角控制器控制两轴转台的俯仰角和方位角。主控中心连接遥控器和/或上位机。本例光信号收发组件包括光电变换器和光信号接收器，电光变换器和光信号发射器，光信号接收器和光信号发射器共用地端收发天线。光电变换器连接主控中心的信号输入端，电光变换器连接主控中心的信号输出端。所述图像跟踪器为带有望远光路的跟踪器。本例图像跟踪器和地端收发天线的光路平行。本例地端收发天线的发射光信号的发散角为1～20mrad，发射功率一定的前提下，发散角越小，传输距离越远。

本例两轴转台的俯仰角控制器和方位角控制器中驱动两轴转台转动的为分别控制方位和俯仰的2台步进电机。

本例无人机激光通信终端如图2所示，包括对称安装于无人机机身的4个led光源靶标和固定于机身的双轴转台。双轴转台上安装有信号光发送组件和信号追踪器，如图3所示，本例16个信号探测器呈圆周阵列排布于无人机机身底部，且每个信号探测器均有其位置编号，以表示在机身上的方位，该位置编号存储于主控电路，信号探测器的圆周阵列半径大于双轴转台半径，以保证在任意角度都能接收到地面激光通信终端发送的信号光。主控电路连接控制靶标、信号光发送组件、信号追踪器和信号探测器，还连接双轴转台的俯仰角控制电路和方位角控制电路。主控电路经所述俯仰角控制电路和方位角控制电路控制双轴转台的俯仰角度和方位角。主控电路连接无人机飞行状态控制仪和业务数据端口。所述靶标为波长8μm的led光源。所述光信号发送组件包括电光变换电路、光信号发射电路和机端发送天线，电光变换器连接主控中心的信号输出端。所述信号探测器为带有光电转换电路的探测器。所述信号追踪器为带有望远光路的追踪器。所述信号追踪器和机端发送天线的光路平行；

本例双轴转台的俯仰角控制电路和方位角控制电路中驱动双轴转台转动的为分别控制方位和俯仰的2台步进电机。

无人机无线激光遥控方法实施例

本无人机无线激光遥控方法实施例，使用上述无人机无线激光遥控系统实施例，其流程图如图4所示，地面激光通信终端向无人机激光通信终端发送上行控制信号后者接受，无人机受地面控制进行飞行和数据的收集发送；无人机激光通信终端向地面激光通信终端发送下行数据信号，后者接受，地面掌握无人机的当前状态并接收无人机收集的数据。主要步骤如下：

ⅰ、打开靶标

无人机激光通信终端的主控电路打开靶标；

ⅱ、地端控制信号发送

地面激光通信终端的主控中心控制两轴转台的俯仰角控制器和方位角控制器开启扫描，扫描俯仰角0°～90°、方位角n×360°，n为－3～3的整数。图像跟踪器在扫描过程中识别无人机的靶标图像特征，一旦发现无人机的靶标、主控中心即停止扫描，控制两轴转台持续跟踪该靶标；

与此同时，地端主控中心的控制信号通过电光变换器电信号调制加载于光信号，通过光信号发射器由地端收发天线发射；地端控制指令向无人机的传输过程即上行数据传输；

ⅲ、无人机接收控制指令

步骤ⅱ地端的图像跟踪器瞄准了无人机的靶标，与地端的图像跟踪器平行的地端收发天线的光路也就瞄准了无人机，地端光信号发射器经地端收发天线发射的光信号照射到无人机底部的信号探测器，信号探测器接收的光信号经光电转换电路光电变换、信号解调后，送入机端主控电路，接入无人机飞行状态控制仪，无人机按地端主控中心的指令控制无人机飞行。

ⅳ、无人机发送业务数据

步骤ⅱ上行数据传输链路建立后，主控电路通过接收到上行数据的信号探测器位置判断地端发送的激光信号的方向，主控中心控制双轴转台的俯仰角控制电路和方位角控制电路开启在该方向范围内扫描，扫描俯仰角0°～90°、方位角小于5°，同时信号追踪器精确瞄准地端收发天线的光斑，此时与信号追踪器光路平行的机端发送天线也应精确地对准了地端收发天线；机端的光信号发送组件将主控电路传送的业务数据经电光转换、调制加载于激光，通过机端发送天线发射，机端发送天线发射的激光照射到地端收发天线，地端光信号收发组件接收并通过光电变换、解调后将下行信号送入地端主控中心，传输到上位机。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。