无人直升机中继数据链系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无人机数据通信技术域，尤其特别设计一种无人直升机中继数据 链系统及其控制方法，本发明适用于一种利用可移动的低成本的中继平台来实现目标无人 机与地面站模块之间超视距范围的无线数据传输方案。
【背景技术】
[0002] 无人直升机是一种基于无线遥控系统或者自动控制系统来完成自主飞行的飞行 器，与载人飞机相比，无人直升机具有体积小、成本低、重量轻、方便操作控制、飞行灵活等 很多优点，并且能适应许多载人飞机不能适应的恶劣环境，能够代替人工执行高危险、高辐 射地区的任务，各行各业都有其应用的涉及，因此，近年来许多主流国家都在重点研究无人 直升机系统。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。
[0003] 数据链技术是一种传输速率快、误码率低、抗干扰能力强等诸多优点的数据传输 技术。用在无人机通信系统中可以达到安全、可靠的效果，是以后无人通信技术的发展趋 势。作为无人直升机的重要组成部分之一，无人直升机数据链系统主要负责飞机与地面设 施之间的通信，是地面人工或者监控室控制飞机的唯一通路，其性能好坏直接关系到无人 直升机系统的安全性。随着无线网络技术和无线通信技术的迅速发展，无人机数据传输的 性能也在快速提升，但是目前还普遍存在以下局限因素：首先是数据可靠性的问题，无人直 升机的控制编码数据很容易受到电磁环境的干扰，很难稳定可靠的传输数据；其次是传输 效率较低，由于硬件一旦确定，在一次飞行的过程中不能再次改变，无人直升机传输数据的 工作频率和带宽采用预分配的方式，这就导致无人直升机会长期占用固定的资源，通信信 道利用率过低；最后是传输距离受到了限制，目前很多无人机与地面的通信采用的是WiFi 无线网络，WiFi传输数据量很大，可以传输实时数据和实时图像，使用高增益的定向天线 可以扩大通信范围，但是采用WiFi传输有几个明显的缺点，第一是传输距离收到了很大限 制，使用WiFi组网不仅仅成本很高，从本质上也改变不了距离的限制，第二是使用定向天 线无人机的通信范围是受到天线的限制的，这是一种缩小范围来扩大距离的方法。
[0004] 无人直升机超视距通信一直是现在的难题，目前可以采用的方案有几个，例如租 用电信运营商的公网或者使用卫星或者采用基于短波等低数据率的中继通信技术。前者不 仅由于造价成本过高，而且电信运营商的网络覆盖率和网络质量得不到可靠的保障，在无 人机系统中使用会有很大的不便，使用卫星不仅仅成本过高，而且会由于目前卫星通信可 能会对卫星其他的功能造成影响，单单采用基于短波的中继通信技术，由于中继系统的复 杂性，若要实现较长的飞行距离，则不仅成本高昂，而且多路中继必会减弱地面站模块发出 的信号强度。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，公开一种无人直升机中继数 据链系统，该无人直升机中继数据链系统的复杂性低、通用性强。
[0006] 本发明的另一个目的在于，提供一种控制所述无人直升机中继数据链系统的控制 方法，该控制方法的可靠性高。
[0007] 本发明的首要目的通过以下技术方案实现：
[0008] 无人直升机中继数据链系统，包括：中继无人机模块、基站模块、地面站模块、遥控 器模块、无线发送模块、无线接收模块、无人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、基站模块与中继无人机主控制器模块之间、中继无人机 主控制器模块与目标无人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；
[0009] 遥控器模块通过2. 4G频率的无线收发器与基站模块的第一串口（即串口 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 模块的第二串口（即串口 〇)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串口与中继无人机主 控制器的串口相连，中继无人机主控制器的串口通过工作频率为900M的无线收发模块与 目标无人机主控制器的串口相连；
[0010] 遥控器模块将无人直升机各通道的手控信号发送给基站模块，基站模块通过第二 串口读取遥控器的手控信号，地面站模块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第一串口发送 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，基站模 块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机。无 人机主控制器对接收到的信息进行解码，首先判断数据帧的目的地址是否和无人机本地地 址一致，如果一致，则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，如果不一 致，则将数据帧中继转发给目标无人机模块。
[0011] 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。
[0012] 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，以便于地面站模块与无人机生成、解析与处 理。
[0013] 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。
[0014] 优选的，所述无人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，构成整个无人机自主飞行的控制系统。
[0015] 所述中继无人机模块用于对地面站模块发送的数据包进行判断，处理功率方法与 转发，使地面站模块与目标无人直升机之间进行通信。所述地面站模块用于对遥控器手控 信号、地面站模块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、电压保 护，以及在传输延时、抑制丢包、网络连接和带宽方面的应用层优化。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，使发送方和接收方生成、解析与处理。所述的通信协议规定数据的传输时序、传输 流程、传输条件以及传输控制方式。所述地面站模块安装有linux操作系统的计算机以及 基于linux操作系统的地面站控制平台，所述基于linux操作系统的地面站控制平台用于 无人直升机的控制器参数的设定、路径规划控制参数和实时监控。
[0016] 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。
[0017] 本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种控制所述无人直升机中继数据链 系统的控制方法，包括下述步骤：
[0018] 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