无人机、遥控器及其控制方法与流程

本发明提出了无人机及其遥控器的控制方法、及相应的无人机和遥控器。本发明涉及双通信模式的协同遥控，特别是使用移动通信网络增强普通无线遥控的方法，主要涉及无线数据传输、移动通信等技术领域。

背景技术：

随着技术的进步和成本的降低，越来越多的用户开始使用无人机、航模、无人车进行航拍、竞技、娱乐等活动。使用以上设备时，操作者操纵遥控端向被遥控端发送遥控信号，控制其运动或者运行；被遥控端将自身的运行状态或者摄录到的图像、声音等发送到遥控端，便于操作者观察被遥控端的运行状况，以及决定下一步运行的动作。遥控端和被遥控端之间无线链路的稳定性、实时性直接影响运行安全和使用体验，是遥控领域至关重要的环节。

遥控端和被遥控端之间有两种主要的方式来建立无线连接。第一种方式如图1所示，遥控端和被遥控端之间不依赖于第三方，直接互相向对方发送无线信号，从而建立直接连接。第二种方式如图2所示，遥控端和被遥控端之间不直接建立连接，而是各自带有一个移动通信模块，二者分别向移动通信网络注册，注册成功后，二者通过移动通信网络建立间接连接。

现今绝大多使用无人机、航模、无人车使用的是第一种方式，它们一般使用2.4/5.8ghz的免费频段直接建立连接。这种方式的优点是系统复杂度低，容易维护，使用成本很低，在没有干扰、遮挡的情况下，延时低，带宽高，具有较好的使用体验。

随着移动通信技术发展到第三代和第四代(3g/4g)，移动网络可以提供较大的带宽和较低的延时。通过移动通信网络传输控制、图像、声音在技术上是可行的。少部分无人机、航模、无人车等设备开始使用移动通信网络来和遥控端之间建立间接连接，这种方式的优点是频段专用，干扰少，只要有移动通信网络存在，可以实现非常远的传输距离，即使遥控端和被遥控端之间有遮挡，仍然不影响遥控或数据传输，可以实现超视距、异地遥控、传输视频、图像等功能。

由于法律法规的要求，免费频段的无线发射功率是受到限制的，再加上wifi也工作在这两个频段，2.4/5.8ghz的免费频段拥挤不堪，干扰严重，一般情况下只实现数百米到数公里的传输距离。另外，由于高频无线电波绕射性能和穿透性能都比较差，当遥控端和被遥控端之间出现障碍物阻挡时，往往会出现信号中断的情况。对于无人机、航模、无人车等设备来说，遥控信号不好或者中断是非常危险的，很容易发生损毁事故，造成财产损失或者生命伤害。

遥控端和被遥控端之间通过移动通信网络建立间接连接的方式使用的是专有频段，虽然有干扰少，距离远等优点，但是移动通信网络的流量费很高，使用成本极高；另外在数据传输的延时上，由于需要经过移动通信网络转发，其数据延时也会比直接连接方式的延时大。

由此可见，直接连接的方式虽然成本低，延时小，但是容易受到干扰，距离短，遇到遮挡容易丢失信号；通过移动网络间接连接的方式虽然距离远，覆盖广，但延时大，成本高。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供了一种无人机的控制方法，所述无人机用于与遥控器通信，其特征在于，所述方法包括：通过第一通信网络向所述遥控器发送信号；接收第一信号切换指令；以及根据所述第一信号切换指令，从所述第一通信网络切换至第二通信网络以向所述遥控器发送所述信号。

本发明的另一个方面提供一种遥控器的控制方法，所述遥控器用于与无人机通信，其特征在于，所述方法包括：通过第一通信网络向所述无人机发送信号；接收第一信号切换指令；以及根据所述第一信号切换指令，从所述第一通信网络切换至第二通信网络以向所述无人机发送所述信号。

本发明的再一方面还提供一种无人机，用于与遥控器通信，所述无人机包括：第一收发器，用于与所述遥控器通过第一通信网络通信；第二收发器，用于与所述遥控器通过第二通信网络通信；一个或多个处理器，用于：通过所述第一收发器向所述遥控器发送信号；接收第一信号切换指令；根据所述第一信号切换指令，从所述第一收发器切换至所述第二收发器以向所述遥控器发送所述信号。

本发明的再一方面还提供一种遥控器，用于控制无人机，所述遥控器包括：第一收发器，用于与所述无人机通过第一通信网络通信；第二收发器，用于与所述无人机通过第二通信网络通信；一个或多个处理器，用于：通过第一收发器向所述无人机发送信号；接收第一信号切换指令；以及根据所述第一信号切换指令，从所述第一收发器切换至所述第二收发器以向所述遥控器发送所述信号。

本发明提出的方法基于双通信模式协同遥控，将遥控端和被遥控端通过无线直接连接的方式和通过移动通信网络间接连接的方式结合在一起使用，根据无线信号状态进行动态切换，从提高被遥控端和遥控端之间通信的稳定性，扩展被遥控端的活动范围，提高被遥控端的安全性，降低使用成本。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1是现有技术中遥控端和被遥控端通过无线连接建立直接连接的示意图；

图2是现有技术中遥控端和被遥控端通过移动通信网络建立间接连接的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的遥控系统的通信连接示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的遥控系统的模块框架图；

图5是根据本发明的一个实施例的遥控端的工作流程图；

图6是根据本发明的一个实施例的被遥控端的工作流程图；

图7显示了根据本发明的一个实施例的遥控器的显示模块在提示用户进行切换时的图形界面；

图8显示了根据本发明的一个实施例的遥控器的显示模块在提示用户进行图像/音频码率设置的界面；

图9显示了根据本发明的一个实施例的遥控器的显示模块在无线通信连接恢复时提示用户的界面；

图10显示了根据本发明的一个实施例的遥控器的显示模块提示用户是否强制使用移动通信网络的界面。

具体实施方式

在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相同或相似的功能和操作。在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。

针对现有技术的优点和缺点，本发明提出一种基于双通信模式协同遥控方法，并基于该协同遥控方法衍生出无人机的控制方法、用于遥控无人机的遥控器的控制方法。本发明的方法应用于至少包括一个遥控端和一个被遥控端的遥控系统中。首先，该方法为遥控端和被遥控端之间的通信分别提供两种通信模式，以便在遥控端与被遥控端之间建立通信连接。作为一种示例性的实施方式，所述通信模式分别为无线通信和移动通信，所述无线通信是指基于无线传输协议的通信，所述移动通信是指基于移动通信网络的通信。但本发明并不限应用于何种具体的通信模式，因为本发明目的之一是旨在提供如何在两种通信模式之间进行灵活的协作，以增加对应用环境变化的适应能力。作为特例，本发明的被遥控端指是无人机，遥控端指无人机的遥控器。

但是，作为优选的实施方式，所述两种通信模式所适用的环境最好具有互补性，以便于基于两种通信模式中的一种通信模式的通信连接在某个环境下变得不可用或不可靠时，可以切换到另一种对该环境仍为可用的基于另一种通信模式的通信连接。例如，一种通信模式是遥控端和被遥控端之间不依赖于第三方，直接向对方发送无线信号而建立的直接连接。另一种通信模式是遥控端和被遥控端之间不直接建立连接，而是通过第三方建立连接(如移动通信网络)，从而在遥控端和被遥控端之间建立间接连接。

作为一种实施方式的无人机的控制方法，无人机通过一个第一通信网络向用于遥控该无人机的遥控器发送信号。并且，其能够接收第一信号切换指令，并根据该第一信号切换指令，从所述第一通信网络切换至第二通信网络以向所述遥控器发送所述信号。作为示例，无人机直接从所述遥控器接收所述第一信号切换指令。所述第一通信网络和第二通信网络泛指不同通信模式下的通信网络，包括移动通信网络、wifi通信网络、蓝牙、红外、zigbee等在各种不同通信模式下进行通信所建立的网络。所述通信网络不限于直接连接或间接连接。作为一种特例，第一通信网络为无线通信网络，第二通信网络为移动通信网络。作为优选的方式，无人机还可从所述遥控器接收第二信号切换指令，并根据所述第二信号切换指令，从所述第二通信网络切换至所述第一通信网络以向所述遥控器发送所述信号。

作为另一种实施方式的无人机遥控器的控制方法，相应的，遥控器通过第一通信网络向所述无人机发送信号，并接收第一信号切换指令；以及根据所述第一信号切换指令，从所述第一通信网络切换至第二通信网络以向所述无人机发送所述信号。

以上所述的信号切换指令，是指用于控制无人机或遥控器进行通信网络信号切换的指令，其不限于具体的指令格式，也不限于指令产生的主体。例如，无人机的信号切换指令可从遥控器获得，遥控器的信号切换指令则可以通过接收由用户的操作而产生。并且，无人机及其遥控器均需配备两个收发器，以分别通过第一通信网络和第二通信网络通信。

本发明所称的两种通信模式之间的“协作”，包括但不限于：通信模式的启动、保持、工作、断开等状态切换、针对不同类型数据在不同通信模式下的分配及分配的转换。两种通信模式之间的协作方式可以自动改变，也可以根据用户操作来手动改变。若进行自动改变，则需要检测当前通信连接的状态，以根据所检测的状态自动改变所述两种通信模式之间的协作方式。例如，当无人机(或遥控器)检测到第一通信网络上的信号中断时，则自动切换至第二通信网络，以继续与遥控器通信(或无人机)。若进行手动改变，可选择地对当前的通信连接状态通过用户操作界面向用户提示，以便用户根据需要及时进行操作。优选地，提示用户操作是在遥控端以图形界面的方式显示操作选项。

作为示例性的实施方式，所述改变两种通信模式之间的协作方式包括启动或停止其中一种通信模式的通信连接，及将在一种通信模式的通信连接上所传输的数据切换到另一通信模式的通信连接上，及通过两种通信模式同时传输数据。

当所述两种通信模式分别无线通信和移动通信时，或者说，第一通信网络和第二通信网络分别为无线通信网络和移动通信网络时，优先使用无线通信连接的无线通信网络来传输信号。即，遥控端和被遥控端优先尝试并使用无线通信。但是，作为备用，当遥控端和被遥控端建立了基于无线通信的通信连接时，检测是否存在移动通信网络，若存在移动通信网络时，则同时建立移动通信连接并保持静默。

本发明提出根据直接连接的无线信号状态进行实时判断，在直接连接的信号正常时，优先使用直接连接传输数据；当直接连接信号不稳定、断连、受到阻挡时，临时切换到基于移动通信网络的备用通信链路。从而达到提高遥控端和被遥控端之间通信的稳定性，扩展被遥控端的活动范围，提高被遥控端的安全性，降低使用成本的目的。通过这种方法，当直接连接信号正常时，可以保证遥控端和被遥控端之间低延迟、高带宽的良好使用体验；在距离远、干扰强，或者有障碍物阻挡时，遥控端仍然能够与被遥控端保持连接，保证被遥控端处于受控状态，从而可以由操作者遥控被遥控端，使被遥控端脱离危险区域；一旦直接连接信号恢复稳定，则可以切换回直接连接，以降低用户使用成本，降低传输延时。

基于这种协作方式，当无线通信连接断开或信号弱而移动通信连接正常时，将至少部分信号传输自动切换到移动通信连接。或者，当检测到无线通信连接断开或信号弱、移动通信连接正常时，提示用户进行操作，并根据用户操作维持通信连接状态或将至少部分信号传输切换到移动通信连接。并且，当使用移动通信连接进行信号传输并检测到无线通信连接正常时，将至少部分信号传输自动切换到无线通信连接。或者，当使用移动通信连接进行信号传输并检测到无线通信连接正常时，提示用户进行操作，并根据用户操作维持通信连接状态或将至少部分信号传输切换到无线通信连接。

需要说明的是，此处所指的部分信号包括控制信号或数据信号中的至少一部分信号。控制信号是指用于控制被遥控端的执行机构的动作的信号；所述数据信号一般是指被遥控端采集到的信号，例如包括图像信号、视频信号、音频信号及被遥控端的状态信号等。所述状态信号包括被遥控端的位置、速度、高度中的一种或多种。其中，为了节约信号带宽，所述图像信号、视频信号或音频信号一般是以特定码率压缩后的数据信号进行传输。优选地，当被切换的部分信号包括以特定码率压缩后的数据信号时，所述码率在切换时被自动配置或由用户操作以配置。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图3是根据本发明的一个实施例的遥控系统的通信连接示意图。该实施例中，被遥控端为无人机1，遥控端为无人机的遥控器2。如图3所示，遥控端和被遥控端之间建立无线直接连接，即通过无线通信网络连接，同时，二者还与移动通信网络3连接。应当理解，该实施例虽然以无人机1及其遥控器2构成的遥控系统为例来阐述，但该遥控系统中的遥控端和被遥控端并不限于具体的设备，被遥控端可以是任何具有可被遥控以执行相应动作的执行设备，例如机器人、无人车、无人飞行器、无人航行器等，遥控端可以是任何具有遥控功能的设备，包括专用遥控器、具有遥控功能的智能设备，如智能手机、平板电脑，或者组合在一起使用而具有遥控功能的多个电子设备，如智能手机与无线通信遥控器的组合。

当遥控端为多个电子设备的组合时，不同的电子设备可以支持不同的通信模式。例如当遥控端是智能手机与无线遥控器的组合时，无线遥控器用于直接进行无线连接，智能手机则用于和移动通信网络建立连接。

此外，在图3所示遥控系统中，还可以包括一个服务器4，该服务器连接于移动通信网络，作为遥控器2和无人机1握手、数据转发的中转站。

图4是上述实施例的遥控系统的模块框架图。如图4所示，作为被遥控端的无人机1包括处理器和与处理器连接的无线通信模块、移动通信模块、照相/录音模块和运动控制模块。无人机的无线通信模块、移动通信模块即其第一发收器和第二发收器。无人机的遥控器2则包括处理器和与处理器连接的无线通信模块、移动通信模块、显示模块和用户控制信号采集模块。类似的，遥控器的无线通信模块、移动通信模块即其第一发收器和第二发收器。无人机1与遥控器2的无线通信模块能够直接建立无线通信连接，而无人机1与遥控器2的移动通信模块则分别能够与一个移动通信网络3建立移动通信连接。此外，该遥控系统还包括连接到该移动通信网络3的服务器4。服务器4包括处理器及与处理器连接的通信模块。

可见，本发明的遥控系统在常规的无线通信连接的遥控系统的遥控端和被遥控端各增加了一个移动通信模块，使得遥控端和被遥控端既可以通过原有的无线通信链路直接通信，也可以通过移动通信网络进行间接通信。

该实施例中，由于遥控端和被遥控端支持两种通信模式的通信连接，因此，需要考虑在两种通信模式之间进行协作。并且，根据本发明，这种协作方式可以根据情况而进行自动或手动的改变。为此，遥控端和被遥控端的处理器分别执行相应的应用程序，以便分别控制各自的移动通信模块及无线通信模块，以启动、停止或改变所述的协作方式。

图5和图6分别是上述实施例的遥控系统的遥控端与被遥控端的工作流程图。在该实施例中，无线通信连接与移动通信连接之间的协作方式改变的策略(协作策略)为优先使用无线通信连接。

所谓优先使用无线通信连接的协作策略包括：只要无线通信连接正常，就使用无线通信连接；只在无线通信连接不正常时，才临时切换到移动通信连接。所谓的不正常，包括信号不稳定、信号断连等，其原因可能是无线信号受到遮挡或者距离太远。为了实现该协作方式，需要实时对无线通信连接状态进行监测和判断。通过这种协作方式，当无线通信连接正常时，可以保证遥控端和被遥控端之间低延迟、高带宽的良好使用体验；在距离远、干扰强，或者有障碍物阻挡时，保证被遥控端处于受控状态，从而可以由操作者遥控被遥控端，使被遥控端脱离危险区域；一旦直接连接的无线通信连接恢复正常，则可以切换回直接连接，以降低用户使用成本，降低传输延时。

即，通过优先使用无线通信连接，可以达到提高遥控端和被遥控端之间通信的稳定性，扩展被遥控端的活动范围，提高被遥控端的安全性，降低使用成本的目的。

如图5和图6所示，作为遥控端的遥控器2和被遥控端的无人机1的无线通信模块和移动通信模块在开机后均立即开始工作，双方的无线通信模块直接建立无线通信连接。与此同时，双方的移动通信模块均与移动通信网络3中的服务器4建立握手连接，由此可建立遥控器2与无人机1的间接连接的移动通信连接。遥控端和被遥控端亦可通过服务器4进行握手连接，这样可以跳过服务器4与对方进行通信以缩短延时。或者，遥控端和被遥控端也可以通过服务器4转发数据，以实现广播功能。

当无线通信在建立后，实时监测和判断无线通信连接的连接状态，将根据该连接状态来自动改变或提示用户以手动改变无线通信连接与移动能通信连接的协作方式。如前所述，一种协作策略是优先使用无线通信连接。

在该实施例中，当对无线通信连接的连接状态的监测显示无线通信连接(第一通信网络)正常(第一信号状态)时，移动通信连接保持静默，或者维持一个数据量极低的心跳连接。当无线通信在建立后，实时监测和判断无线通信连接的连接状态，当显示无线通信连接(第一通信网络)不正常(第二信号状态)时，则迅速切换到移动通信网络上。为此，该实施例中，遥控端的无线通信模块在处理器的控制下定时检查无线通信连接的信号强度、通信状况等，并将连接状态信息反馈给处理器，处理器根据该状态信息作出相应的判断以实现上述切换。

此外，优先使用无线通信连接的协作策略还可包括这样的协作方式改变：当无线通信连接断开或信号弱而移动通信连接正常时，将至少部分信号传输切换到移动通信连接。所述的切换包括自动切换和提示用户进行操作的手动切换。相应的，该协作策略还可包括这样的协作方式改变：当使用移动通信连接进行信号传输并检测到无线通信连接正常时，将至少部分信号传输切换到无线通信连接。当然，在手动切换时，用户也可能选择维持当前通信连接状态。

该实施例中，部分信号包括控制信号或数据信号中的至少一部分信号。控制信号是用于控制无人机2的运动控制模块的动作的控制信号，数据信号是指无人机2的照相/录信模块采集到的信号，包括图像信号、视频信号、音频信号。因此，所述的部分信号可以是部分控制信号，也可以是图像信号、视频信号或音频信号中的一者或二者。并且，所述图像信号、视频信号或音频信号是以特定码率压缩后的数据信号进行传输。优选地，当被切换的部分信号包括以特定码率压缩后的数据信号时，所述码率在切换时被自动配置或由用户操作以配置。

如图5及图6所示，在该实施例中，遥控器2实时监测和判断无线通信连接的连接状态，当无线通信连接从正常变得不正常，或者从不正常变得正常时，都通过显示模块向用户提示以使用户进行操作以进行选择两种通信模式的协作方式：

a、使用移动通信连接传输控制信号，使用无线通信连接传输图像、音频信号；

b、使用移动通信连接传输图像、音频信号，使用无线通信连接传输控制信号；

c、使用移动通信连接传输所有信号；

d、使用无线通信连接传输所有信号。

当用户做出选择后，处理器根据该选择控制无线通信模块和移动通信模块作出相应的操作以根据用户选择的协作方式进行信号传输。同时，处理器通过无线通信模块和/或移动通信模块向被控制端发送控制指令，指示被遥控端进行上应的协作方式改变。

图7显示了该实施例的遥控系统的遥控器的显示模块在提示用户进行切换时的图形界面。如图7所示，在遥控器2的图形界面上弹出窗口询问用户是否切换到移动通信网络控制，切换的选项有“仅切换控制信号到移动网络”、“仅切换图像信号到移动网络”、“图像/控制信号都切换到移动网络”、“不做切换，继续使用无线信号”，根据用户选择做出相应的切换。

优选地，当用户选择切换到移动通信网络后，由于延时变大，无人机可以根据需要降低其运动的机动性。

用户如果选择“仅切换控制信号到移动网络”，上行只传输操作者的控制信号；下行只传输无人机的状态、位置、速度等信息，数据量很少，节约流量(成本)；在图形界面上可以根据状态信息模拟画出被遥控端的姿态、方向等，使操作者有直观的感受。

图8显示了该实施例的遥控系统的遥控器的显示模块在提示用户进行图像/音频码率设置的界面。如图8所示，用户如果选择了“仅切换图像信号到移动网络”或者“图像/控制信号都切换到移动网络”的话，可以在图形界面上显示调整图像、音频码率的滑动条，使用户可以根据可承受的成本选择相应的带宽。

图9显示了该实施例的遥控系统的遥控器的显示模块在无线通信连接恢复时提示用户的界面。如图9所示，当已经切换到移动通信网络之后，遥控端仍然继续定时监测无线通信连接的信号强度和连接状况，如果发现连接正常的话，弹出窗口提示用户直接连接信号已经恢复，是否切换回去。

图10显示了该实施例的遥控系统的遥控器的显示模块提示用户是否强制使用移动通信网络的界面。如图10所示，该实施例还提供强制启用移动通信网络的选项，即使无线直接连接信号良好，仍然可以强制启用移动通信网络，并且直接连接和移动通信网络可以同时收发数据，供特殊用户使用。这样，作为被遥控端的无人机通过无线通信连接和移动通信连接发送图像、音频数据流时，可以根据二者的带宽情况，生成两路独立的、压缩比不同的图像、音频数据流，分别通过两个通道发送给遥控器。

再参照图6，该实施例中作为被遥控端的无人机1，在开机时，除了与遥控端一样的启动两种通信模式并分别建立连接之外，其照相/录音模块也被启动以作好照相或录音的准备；同时，运动控制模块也被启动以执行相应的运动。所述的照相/录音模块和运动控制模块均由处理器通过执行相应的应用程序来控制。相应的，当无人机1的无线通信模块和/或移动通信模块接收到切换两种通信连接的协作方式时，处理器一方面控制无线通信模块和移动通信模块进行相应的通信模式切换，另一方面还可根据预先设定的程序来控制运动控制模块的相应操作，以适应切换协作模式之后的通信连接方式。例如，如前所述，优选地，当切换到移动通信网络后，由于延时变大，无人机可以控制其执行机构操作以降低其运动的机动性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。