CN107204130A - 民用无人机空管系统及采用该系统实现对无人机进行飞行控制的方法 - Google Patents

Abstract

民用无人机空管系统及采用该系统实现对无人机进行飞行控制的方法，涉及一种民用无人机空中管制领域。解决了目前没有民用无人机空管系统，且现有通信网络覆盖范围小的问题。民用无人机空管系统，它包括后台管理控制器、局部基站和节点单元；每个节点单元对应安装在一个无人机上，且每个节点单元对应设有一个身份ID，用于标识其所属的无人机的身份；节点单元，用于实时的与无人机上的控制器进行通信，并打包无人机飞行数据发送到局部基站；局部基站，用于对其管理半径内的每个节点单元所对应的无人机进行线路规划和调度，还用于与后台管理控制器进行通信；后台管理控制器，用于核验所有无人机的飞行权限。本发明主要用于对民用无人机进行管控。

Description

民用无人机空管系统及采用该系统实现对无人机进行飞行控 制的方法

技术领域

本发明涉及一种民用无人机空中管制领域。

背景技术

民用无人机技术正快速发展，在越来越多的民用领域无人机的应用也越来越广泛，有效的对空中越来越多的无人机进行管理，不仅能提高无人机执行任务的效率，也能减小无人机事故对人影响。并且目前无人机的控制系统较为成熟能保证稳定的飞行。但并没有与民航或军用相似的空中管理系统。一部分原因是由于相关的法律法规体系没有建立起来，另一部分原因是目前民用无人机仍属于发展阶段，现在的使用数量还是不多。但在未来，一个无人机空管系统是很有必要的。现阶段通信设备已经十分成熟，但各种通信设备也存在不足点，将不同的通信设备结合在一起的链路可以弥补不同设备的不足，并构成一个覆盖范围广，负载能力足够大的通信网络，这样的网络作为整个空管系统基础才能实现预期的管理效果。

发明内容

本发明是为了解决目前没有民用无人机空管系统，且现有通信网络覆盖范围小的问题，本发明提供了一种民用无人机空管系统及采用该系统实现对无人机进行飞行控制的方法。

民用无人机空管系统，它包括后台管理控制器、局部基站和节点单元；

每个节点单元对应安装在一个无人机上，且每个节点单元对应设有一个身份ID，用于标识其所属的无人机的身份；

节点单元，用于实时的与无人机上的控制器进行通信，并将获取的无人机的飞行数据打包后，从通信链路发送到局部基站；

局部基站，用于对其管理半径内的每个节点单元所对应的无人机进行线路规划和调度，还用于与后台管理控制器进行通信，将无人机的飞行数据传输到后台管理控制器的数据库内；

后台管理控制器，用于核验所有无人机的飞行权限，并根据核验结果发送基站控制帧对局部基站进行管控。

所述的通信链路包括3G/4G网络、Mesh网络、UHF无线射频通信网络。

所述的当局部基站的管理半径内节点单元的数量大于或等于3时，局部基站将其管理半径内任意一节点单元预警范围内的其它节点单元的ID发送至所述任意一该节点单元，并通过Mesh网络建立路由表，所述任意一节点单元直接接收其预警范围内的其它节点单元的位置信息。

所述的节点单元与其所属局部基站的距离大于其所属局部基站的管理半径的2/3时，节点单元通过UHF无线射频通信网络与其所属局部基站进行通信。

当无人机在城镇区域作业时，使用3G/4G网络与局部基站进行通信。

当无人机遇到紧急情况时，无人机上的节点单元发送紧急通信帧，使局部基站及时处理紧急情况，且紧急通信帧在通信链路中的传输优先级最高。

当无人机跨越两个局部基站的管理区时，两个局部基站通过后台管理控制器交换无人机的飞行数据。

采用所述的民用无人机空管系统实现对无人机进行飞行控制的方法，该方法包括如下步骤：

首先，每个局部基站以固定周期发送基站广播帧，处于准备起飞状态的无人机上的节点单元接收基站广播帧，从该基站广播帧中获取局部基站的ID和位置信息，使得处于准备起飞状态的无人机与其所属的局部基站建立通信关系；

其次，准备起飞状态的无人机上的节点单元向其所属的局部基站发送注册请求帧，其所属的局部基站接收到注册请求帧后，向后台管理控制器请求处于准备起飞状态的无人机的信息，后台管理控制器对接收的信息核对权限后，向准备起飞状态的无人机发送控制帧；

准备起飞状态的无人机上的节点单元通过局部基站接收后台管理控制器发出的控制帧，并通过该节点单元解析控制帧中无人机是否被允许起飞的信息，当被告知允许起飞时，准备起飞状态的无人机进行起飞，并根据其所属的局部基站发出的指定任务，自主导航至局部基站指定的高度和位置范围，向目标飞行，无人机在飞行期间以设定的频率向局部基站报告无人机的飞行参数，任务完成后，无人机降落至指定位置，从而完成了对无人机的飞行控制。

对于航线有重叠的两架无人机，局部基站根据无人机的优先等级制定避让策略，并向后台管理控制器的操作人员发送预警和警告信息。

本发明带来的有益效果是，无人机上携带的空管节点单元与无人机控制器物理层面上独立，两者之间使用有线总线进行数据通信，无人机上的控制器可采用某种容错控制(如FDI控制器)，并将无人机状态及时的周期性的传输给节点单元，当无人机飞行状态出现异常时，节点单元可以将异常发送给局部基站。节点单元与局部基站通信方式多样化。节点单元与局部基站之间具备三种物理层通信链路，分别是3G/4G网络、mesh网络(如zigbee等)、UHF无线射频通信、可以根据不同的应用场合切换合适的方式，3种不同的通信方式结合在一起的链路，可以弥补不同通信网络的不足，并构成一个覆盖范围广，负载能力足够大的通信网络，网络覆盖范围扩大了30％以上。

附图说明

图1为本发明所述的无人机空管系统的原理示意图；

图2为局部基站和节点单元间进行通信的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的民用无人机空管系统，它包括后台管理控制器1、局部基站2和节点单元3；

每个节点单元3对应安装在一个无人机上，且每个节点单元3对应设有一个身份ID，用于标识其所属的无人机的身份；

节点单元3，用于实时的与无人机上的控制器进行通信，并将获取的无人机的飞行数据打包后，从通信链路发送到局部基站2；

局部基站2，用于对其管理半径内的每个节点单元3所对应的无人机进行线路规划和调度，还用于与后台管理控制器1进行通信，将无人机的飞行数据传输到后台管理控制器1的数据库内；

后台管理控制器1，用于核验所有无人机的飞行权限，并根据核验结果发送基站控制帧对局部基站2进行管控。

本实施方式，无人机上携带的空管节点单元与无人机控制器物理层面上独立，两者之间使用有线总线进行数据通信，无人机上的控制器可采用某种容错控制如FDI控制器，并将无人机状态及时的周期性的传输给节点单元，当无人机飞行状态出现异常时，节点单元可以将异常发送给局部基站。

通信可采用特定的帧协议格式，以保证系统可以对足够多数量的无人机进行有效的监控。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的民用无人机空管系统的区别在于，所述的通信链路包括3G/4G网络、Mesh网络、UHF无线射频通信网络。

本实施方式，节点单元与局部基站通信方式多样化。节点单元与局部基站之间具备三种物理层通信链路，分别是3G/4G网络、mesh网络(如zigbee等)、UHF无线射频通信、可以根据不同的应用场合切换合适的方式，比如在城镇区域可以使用3G/4G移动网络，在移动网络信号不佳且航程较近的情况下采用mesh网络，在距离局部基站较远的情况下使用UHF射频通信。

对于距离基站较近的无人机可采用mesh网络(如zigbee等)进行传输数据，这种网络的拓扑结构可以实现较多无人机的管理，网络中距离基站较近通信状况较好的节点根据负载情况自适应的作为协调器接收来自其它节点的数据并转发给基站，这样不仅可以一定程度上的扩展基站的管理区域，也减轻了基站对并发接收事件处理的压力。

具体实施方式三：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的民用无人机空管系统的区别在于，所述的当局部基站2的管理半径内节点单元3的数量大于或等于3时，局部基站2将其管理半径内任意一节点单元3预警范围内的其它节点单元3的ID发送至所述任意一该节点单元3，并通过Mesh网络建立路由表，所述任意一节点单元3直接接收其预警范围内的其它节点单元3的位置信息。

具体实施方式四：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的民用无人机空管系统的区别在于，所述的节点单元3与其所属局部基站2的距离大于其所属局部基站2的管理半径的2/3时，节点单元3通过UHF无线射频通信网络与其所属局部基站2进行通信。

具体实施方式五：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的民用无人机空管系统的区别在于，当无人机在城镇区域作业时，使用3G/4G网络与局部基站2进行通信。

具体实施方式六：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的民用无人机空管系统的区别在于，当无人机遇到紧急情况时，无人机上的节点单元3发送紧急通信帧，使局部基站2及时处理紧急情况，且紧急通信帧在通信链路中的传输优先级最高。

具体实施方式七：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的民用无人机空管系统的区别在于，当无人机跨越两个局部基站2的管理区时，两个局部基站2通过后台管理控制器1交换无人机的飞行数据。

本实施方式中，和相关的策略等用于调度的信息。管理核心上记录着全部注册飞行器的权限数据和一定时间内的飞行数据，方便相关部门对飞行记录的查询等。

具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，本实施方式采用具体实施方式一所述的民用无人机空管系统实现对无人机进行飞行控制的方法，该方法包括如下步骤：

首先，每个局部基站2以固定周期发送基站广播帧，处于准备起飞状态的无人机上的节点单元3接收基站广播帧，从该基站广播帧中获取局部基站2的ID和位置信息，使得处于准备起飞状态的无人机与其所属的局部基站2建立通信关系；

其次，准备起飞状态的无人机上的节点单元3向其所属的局部基站2发送注册请求帧，其所属的局部基站2接收到注册请求帧后，向后台管理控制器1请求处于准备起飞状态的无人机的信息，后台管理控制器1对接收的信息核对权限后，向准备起飞状态的无人机发送控制帧；

准备起飞状态的无人机上的节点单元3通过局部基站2接收后台管理控制器1发出的控制帧，并通过该节点单元3解析控制帧中无人机是否被允许起飞的信息，当被告知允许起飞时，准备起飞状态的无人机进行起飞，并根据其所属的局部基站2发出的指定任务，自主导航至局部基站2指定的高度和位置范围，向目标飞行，无人机在飞行期间以设定的频率向局部基站2报告无人机的飞行参数，任务完成后，无人机降落至指定位置，从而完成了对无人机的飞行控制。

本实施方式中，(1)空管节点单元通用化。无人机控制器与空管节点单元物理层面独立，通过某种标准数据总线遵循特定的协议进行数据交换，以获取无人机的位置、姿态信息和飞行状态，并把来自基站的调度信息传输给控制器。

(2)通信系统结构(见图2)及链路切换策略。当无人机距离局部基站较远时采用UHF射频通信方式，当无人机在基站Mesh网络(如Zigbee等类似网络)信号范围内时，通过Mesh网络进行数据交换，并且如果该范围内无人机数量较多，在某一无人机的预警范围内的所有无人机将通过Mesh网络自组织路由，并根据各无人机的位置信息、高度信息，在没有基站介入的情况下，快速完成路线规划，完成规避。

(3)局部基站的作用。无人机根据操控方式的不同可分为两种。一种是有人操控，操作员实时的观测并控制无人机当前飞行状态。特点是稳定性高，可以有人干预的处理异常情况，但航线不确定。另一种是无人机全自主的完成某项任务。该种方式有人干预较少，特点是航线目的地已知，方便路径规划，无人机有一定的自导航能力，但可能无法有效的处理异常状态。局部基站对在基站信号覆盖范围内的无人机的起降进行注册记录，并实时的接收各个无人机的位置、高度信息。将可能发生碰撞或进入禁飞区的无人机相关信息及时发送给该无人机的操作员，或命令无人机控制器进行规避动作。

(4)后台管理控制器(1)记录全部无人机的飞行权限，禁飞区数据和无人机相关信息(所属者，归属地，国籍等)，并决定无人机能否起飞。

具体实施方式九：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八所述的民用无人机空管系统的区别在于，对于航线有重叠的两架无人机，局部基站(2)根据无人机的优先等级制定避让策略，并向后台管理控制器(1)的操作人员发送预警和警告信息。

本实施方式中，通信可采用特定的帧协议格式，以保证系统可以对足够多数量的无人机进行有效的监控。

(1)基站广播帧的具体形式可为：

内容

帧头

帧标识

时间戳

基站ID

基站信息

校验位

字节数

2字节

2字节

4字节

8字节

16字节

2字节

功能：基站周期性向外广播该帧，向无人机节点单元发送基站的坐标信息、通信频段的使用情况等，无人机在起飞和降落的时候需根据该广播帧向该基站发送注册或注销指令，当无人机跨越两个基站的管理范围时无人机上节点单元可以根据基站的坐标信息和信号强度(如Mesh网络的RSSI值)决定在哪个基站注册，并接受该基站的预警控制等信息。

(2)节点数据帧

内容

帧头

帧标识

路由段

ID

长度

通信类型

数据段

校验位

字节数

2字节

2字节

8字节

8字节

1字节

3字节

2～24字节

2字节

功能：通信类型不同对应不同功能。(a)节点向基站发送飞机的状态，包括当前时间戳、能源状态、GPS的定位信息、位置信息的可信度、导航坐标系下无人机速度、无人机故障状态和目标地坐标信息等。(b)节点向基站发送注册、注销请求，请求禁飞区和路由数据等。注册信息需要包含无人机的控制状态(是否有人控制)和目标坐标。(c)在路由模式下除可实现上述两点功能外，数据段包含无人机的飞行等级(由无人机的功能和任务决定)，路由段为发送的目标ID(可以为基站也可以为节点)，可在正常飞行状态发生航线重叠情况下，由Mesh网络路由传输到目标，并由飞行等级低的飞机做出避让。

(3)紧急通信帧

内容	帧头	情况标识	ID	校验位
					字节数	2字节	1字节	8字节	2字节

功能：当无人机遇到紧急情况时，如发生动力设备损坏，能源不足，外界干扰等，节点单元立即向基站发送该帧，该帧在链路层的传输优先级最高，使基站可以及时的处理紧急情况。

(4)基站控制帧

功能：基站对无人机的调度控制，对于有人操作无人机，该帧为预警或警告信息。在注册时，该帧返回给无人机起飞权限。

Claims (9)

1.民用无人机空管系统，其特征在于，它包括后台管理控制器(1)、局部基站(2)和节点单元(3)；

每个节点单元(3)对应安装在一个无人机上，且每个节点单元(3)对应设有一个身份ID，用于标识其所属的无人机的身份；

节点单元(3)，用于实时的与无人机上的控制器进行通信，并将获取的无人机的飞行数据打包后，从通信链路发送到局部基站(2)；

局部基站(2)，用于对其管理半径内的每个节点单元(3)所对应的无人机进行线路规划和调度，还用于与后台管理控制器(1)进行通信，将无人机的飞行数据传输到后台管理控制器(1)的数据库内；

后台管理控制器(1)，用于核验所有无人机的飞行权限，并根据核验结果发送基站控制帧对局部基站(2)进行管控。

2.根据权利要求1所述的民用无人机空管系统，其特征在于，所述的通信链路包括3G/4G网络、Mesh网络、UHF无线射频通信网络。

3.根据权利要求1所述的民用无人机空管系统，其特征在于，所述的当局部基站(2)的管理半径内节点单元(3)的数量大于或等于3时，局部基站(2)将其管理半径内任意一节点单元(3)预警范围内的其它节点单元(3)的ID发送至所述任意一该节点单元(3)，并通过Mesh网络建立路由表，所述任意一节点单元(3)直接接收其预警范围内的其它节点单元(3)的位置信息。

4.根据权利要求1所述的民用无人机空管系统，其特征在于，所述的节点单元(3)与其所属局部基站(2)的距离大于其所属局部基站(2)的管理半径的2/3时，节点单元(3)通过UHF无线射频通信网络与其所属局部基站(2)进行通信。

5.根据权利要求1所述的民用无人机空管系统，其特征在于，当无人机在城镇区域作业时，使用3G/4G网络与局部基站(2)进行通信。

6.根据权利要求1所述的民用无人机空管系统，其特征在于，当无人机遇到紧急情况时，无人机上的节点单元(3)发送紧急通信帧，使局部基站(2)及时处理紧急情况，且紧急通信帧在通信链路中的传输优先级最高。

7.根据权利要求1所述的民用无人机空管系统，其特征在于，当无人机跨越两个局部基站(2)的管理区时，两个局部基站(2)通过后台管理控制器(1)交换无人机的飞行数据。

8.采用权利要求1所述的民用无人机空管系统实现对无人机进行飞行控制的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

首先，每个局部基站(2)以固定周期发送基站广播帧，处于准备起飞状态的无人机上的节点单元(3)接收基站广播帧，从该基站广播帧中获取局部基站(2)的ID和位置信息，使得处于准备起飞状态的无人机与其所属的局部基站(2)建立通信关系；

其次，准备起飞状态的无人机上的节点单元(3)向其所属的局部基站(2)发送注册请求帧，其所属的局部基站(2)接收到注册请求帧后，向后台管理控制器(1)请求处于准备起飞状态的无人机的信息，后台管理控制器(1)对接收的信息核对权限后，向准备起飞状态的无人机发送控制帧；

准备起飞状态的无人机上的节点单元(3)通过局部基站(2)接收后台管理控制器(1)发出的控制帧，并通过该节点单元(3)解析控制帧中无人机是否被允许起飞的信息，当被告知允许起飞时，准备起飞状态的无人机进行起飞，并根据其所属的局部基站(2)发出的指定任务，自主导航至局部基站(2)指定的高度和位置范围，向目标飞行，无人机在飞行期间以设定的频率向局部基站(2)报告无人机的飞行参数，任务完成后，无人机降落至指定位置，从而完成了对无人机的飞行控制。

9.根据权利要求8所述的采用民用无人机空管系统实现对无人机进行飞行控制的方法，其特征在于，对于航线有重叠的两架无人机，局部基站(2)根据无人机的优先等级制定避让策略，并向后台管理控制器(1)的操作人员发送预警和警告信息。