一种无人机通讯链路及其控制方法与流程

本发明属于警用无人机技术领域，特别涉及一种无人机通讯链路及其控制方法。

背景技术：

最近十年，随着轻型复合材料的广泛应用、全球卫星定位系统的日益成熟、电子与无线电控制技术逐渐微型化，以及无人机结构技术的进步，无人机技术及其设备越来越成熟，应用领域不断扩大。

无人机作为一个空中飞行平台，其机动性、灵活性、适应性是其它交通工具难以比拟的，配载相关吊舱和工具，无人机可以完成巡查、遥测、监控、运输、执法取证、空中作业等任务，除在军事领域得到广泛应用外，在农业植保、电力巡检、警用执法、交通巡查、地质勘探、环境监测、森林防火及影视航拍等民用领域也得到广泛应用。

公安交警担负着辽阔国土上高速公路、县乡道路、城市道路的巡查、警情发布、拥堵疏导、违章取证等管理任务，保障着道路交通的畅通和安全；无人机的使用大大提高了公安交警对道路巡查的全局性和及时性，不会遗漏巡查不到的死角，对突发交通事故和道路灾害可以及时发现、及时处置；在处理交通拥堵和事故现场时不再受道路环境制约，可以立体地观察交通、疏导交通，对违法违章人员进行调查取证；也可以把救援器材空投到救援人员难以到达的现场，对受伤人员进行及时救治和救援。

公安交警承担的任务较多、较复杂，在无人机上需要挂载的设备种类较多，如可见光摄像机、红外摄像机、云台、高音喇叭、探照灯、声光警示器、投送机构等，以前这些设备根据使用功能需要对应专用的无人机，限制了无人机的通用性；经过改进后，虽然在一架无人机上可以挂载多个设备，但挂载设备多了以后，大大减少了无人机的航程和空中作业时间，所以，人们会根据不同的使用目的，挂载不同的装备，如在巡查时挂载云台、可见光摄像机或红外摄像机，在处理道路拥堵时挂载可见光摄像机、高音喇叭、探照灯、声光警示器，在救援时挂载可见光摄像机、投送机构、救援包等，但由于各种设备之间的接口缺少通用性，挂载每种设备时都需要对无人机应用系统进行设置和初始化，如挂载摄像机需要使用图传设备、挂载探照灯需要使用数传设备、挂载高音喇叭需要使用高频对讲设备等，这种状况大大延长了无人机的出警时间，影响到无人机使用时的灵活性和及时性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无人机通讯链路，确保无人机在搭载常用的工作设备时，都能快速建立通讯链路，增加无人机使用时的灵活性和及时性。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无人机通讯链路，包括无人机通讯单元及地面通讯单元，所述的无人机通讯单元、地面通讯单元分别设置有建立无线通讯连接的无线网桥一、无线网桥二，所述的无线网桥二与交换机连接；

所述的无线网桥一与工业级交换机连接，所述的工业级交换机设置有通讯接口分别与可见光网络摄像机、红外网络摄像机、网络喇叭连接，所述的工业级交换机还设置有通讯接口分别与rs485/以太网转换器、rs232/以太网转换器一及rs232/以太网转换器二连接，所述的rs485/以太网转换器与云台连接，所述的rs232/以太网转换器一与声光警示器、探照灯、投送机构连接，所述的rs232/以太网转换器二与无人机飞控器连接。

所述的无线网桥一采用ddl2450模块，所述的无线网桥二采用ddl2450主机，所述的ddl2450模块与ddl2450主机之间对应建立无线网络连接。

所述的工业级交换机采用摩莎moxaeds-308，所述的摩莎moxaeds-308包括8个以太网通讯接口，所述的交换机采用h3cs1024r。

所述的可见光网络摄像机与云台均选用海康威视uav-g3v0230a，所述的红外网络摄像机选用海康威视ds-2td2136，所述的网络喇叭选用广州新悦的na744。

所述的rs485/以太网转换器、rs232/以太网转换器一及rs232/太网转换器二皆采用广东致远iport-3，所述的rs232/以太网转换器一通过开关控制电路分别与声光警示器、探照灯、投送机构连接。

所述的开关控制电路包括与rs232/以太网转换器一连接的串口电路，所述的串口电路与arm芯片stm32f103连接；

所述的串口电路包括与rs232/以太网转换器一的通讯接口连接的插座p3，插座p3的引脚1接地，插座p3的引脚2、3通过印制线路stx、srx分别与串口芯片sp3232e的引脚14、13连接，串口芯片sp3232e的引脚16接入5v电压，串口芯片sp3232e的引脚2、6与地之间依次连接有电容c12、c13，串口芯片sp3232e的引脚1、2之间连接有电容c14，串口芯片sp3232e的引脚11、12通过印制线路tx1、rx1分别与单片机stm32f103c8t6的引脚30、31连接，单片机stm32f103c8t6的引脚5、6与地之间依次连接有电容c1、c2，电容c1、c2之间还连接有晶振y1，单片机stm32f103c8t6的引脚44与电阻r6连接，电阻r6另一端接地，单片机stm32f103c8t6的引脚18、19、20通过印制线路sw1、sw2、sw3分别与声光警示器的启动开关s1、探照灯的启动开关s2、投送机构的启动开关s3连接。

所述的引脚18、19、20通过印制线路sw1、sw2、sw3分别与光电耦合器o1、o2、o3连接；

光电耦合器o1的输入端通过电阻r12接入3.3v电压，光电耦合器o1的输出端经电阻r13接地、经电阻r14与三极管t1的基极连接，三极管t1的发射极连接地线，三极管t1的集电极分别与继电器j1、二极管dt1的正极、二极管dt2的负极连接，二极管dt1的负极经电阻r15与二极管dt2的正极连接，二极管dt1的负极同时与继电器j1连接，继电器j1通过插座p4与声光警示器的启动开关s1连接；

光电耦合器o2的输入端通过电阻r16接入3.3v电压，光电耦合器o2的输出端经电阻r17接地、经电阻r18与三极管t2的基极连接，三极管t2的发射极连接地线，三极管t2的集电极分别与继电器j2、二极管dt3的正极、二极管dt4的负极连接，二极管dt3的负极经电阻r19与二极管dt4的正极连接，二极管dt3的负极同时与继电器j2连接，继电器j2通过插座p5与探照灯的启动开关s2连接；

光电耦合器o3的输入端通过电阻r20接入3.3v电压，光电耦合器o3的输出端经电阻r21接地、经电阻r22与三极管t3的基极连接，三极管t3的发射极连接地线，三极管t3的集电极分别与继电器j3、二极管dt5的正极、二极管dt6的负极连接，二极管dt5的负极经电阻r23与二极管dt6的正极连接，二极管dt5的负极同时与继电器j3连接，继电器j3通过插座p6与投送机构的启动开关s3连接。

本发明的目的还在于提供一种无人机通讯链路的控制方法，确保无人机在搭载常用的工作设备时，都能快速建立通讯链路，增加无人机使用时的灵活性和及时性。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无人机通讯链路的控制方法，还包括地面监管系统，步骤如下：

a、地面监管系统通过交换机与无线网桥二构成通讯连接；无线网桥一与工业级交换机构成通讯连接，工业交换机分别与rs485/以太网转换器、rs232/以太网转换器一及rs232/以太网转换器二连接，rs232/以太网转换器二与无人机飞控器连接；巡查模式下，装载可见光网络摄像机、红外网络摄像机、云台及声光警示器；协查模式下，装载可见光网络摄像机、网络喇叭、云台、声光警示器及探照灯；救援模式下，装载可见光网络摄像机、云台、声光警示器及投送机构；

b、可见光网络摄像机与工业级交换机通过网线连接，地面监管系统传送控制命令和设置参数使可见光网络摄像机进行工作，可见光网络摄像机采集的监控视频流再通过工业级交换机回传至地面监管系统；

c、红外网络摄像机与工业级交换机通过网线连接，地面监管系统传送控制命令和设置参数使红外网络摄像机进行工作，红外网络摄像机采集的红外监控视频流再通过工业级交换机回传至地面监管系统回传至地面监管系统；

d、网络喇叭与工业级交换机通过网线连接，接收地面监管系统传送的控制命令、设置参数、语音及音频信息；

e、rs485/以太网转换器一端通过rs485串口电缆与云台连接，另一端通过网线与工业级交换机连接，rs485/以太网转换器把串口rs485数据转换为网络数据，以及把网络数据转换为串口rs485数据，rs485/以太网转换器用于传送地面监管系统对云台的控制命令，及将云台的工作参数信息反馈至地面监管系统；

f、rs232/以太网转换器一一端通过rs232串口电缆与开关控制电路连接，另一端通过网线与工业级交换机连接，rs232/以太网转换器一把串口rs232数据转换为网络数据，以及把网络数据转换为串口rs232数据，rs232/以太网转换器一用于传送地面监管系统对声光警示器、探照灯、投送机构的开关控制命令，通过开关控制电路控制声光警示器、探照灯、投送机构启闭；

g、rs232/以太网转换器二一端通过rs232串口电缆与无人机飞控器连接，另一端通过网线与工业级交换机连接，rs232/以太网转换器二把串口rs232数据转换为网络数据，以及把网络数据转换为串口rs232数据，rs232/以太网转换器二用于传送地面监管系统对无人机飞控器的控制命令，实现控制无人机进行飞行，及将无人机飞控器的采集的位置数据、飞行姿态数据、速度数据及各工作部件工作参数反馈至地面监管系统。

无线网桥实现多码流视频、语音、数据信息的动态融合、传送和分配，实现异构数据的远距离透传；无人机上的无线网桥一和地面站的无线网桥二在无人机和地面站之间构建一个远程无线通讯链路，实现高清视频、高保真语音、控制命令及飞行状态数据的实时传送；无线网桥一通过网线与工业级交换机连接；工业级交换机具有较宽的环境适应性，为接入设备提供快速的以太网组网设计，实现以太网各设备之间信息、数据的高速传送，为接入的可见光网络摄像机、红外网络摄像机、网络喇叭、rs485/以太网转换器、rs232/以太网转换器一、rs232/以太网转换器二与无线网桥一之间的信息数据传送提供一个高速局域网，即“机联网”，实现了无人机上设备的互联互通，可以根据任务需要的功能及时挂载相关设备，并通过工业级交换机做到即插即用，快速与设备建立通讯链路，无需对无人机应用系统进行设置和初始化，缩短警用无人机出警时间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用网络无线通讯技术实现无人机与地面控制站之间的双向通讯，其工作带宽大，实现了高清视频流、高清抓拍图像、高保真语音和高速数据的实时传送，可以全方位满足公安交通管理部门对警用无人机多功能、多任务的需要；

(2)本发明对无人机挂载设备进行局域网组网，实现“机联网”功能，技术成熟，保证了视频、图片、语音和数据高可靠性传送，提高了无人机的飞行和设备工作的可靠性；

(3)本发明对每个无人机挂载的设备赋予固定的ip地址或端口号，使地面站和无人机上各设备之间实现了视频、图片、语音和数据的透明传送，无需在每次工作前进行设置和初始化，大大减少了无人机工作前的准备时间；

(4)本发明采用无线网桥完成无人机与地面控制站之间的通讯，无线网桥通常有多个工作频率范围，可以根据无人机工作区域内的电磁环境，选择使用工作环境中没有用到的无线电频率，可以有效提高无人机的抗电磁干扰能力，提高无人机对工作环境的适应性；

(5)本发明不需要在无人机工作时，对无人机和地面站进行专业的设置和初始化，大大简化了无人机操作流程，降低了对地面管理操控人员的专业技术能力要求和操作劳动强度。

附图说明

图1为本发明连接示意图；

图2为本发明开关控制电路连接图。

具体实施方式

结合附图1～2对本发明做出进一步的说明：

无线网桥一11选用华夏盛ddl2450模块，该模块采用自适应动态码流分集技术，可以实现多码流的动态集合和动态分配，提供一种超低延时、远距离、双向多通道的数据、语音、视频图像综合无线网络传输链路，其发射频率为2.4ghz，发射功率可达5w，数据带宽12mhz，传输距离超过10km；它和地面站的无线网桥二21选用的华夏盛ddl2450电台一起构建了无人机与地面站之间的通讯链路，实现高清视频、高保真语音、飞行控制命令及无人机检测数据、飞行状态数据的实时传送；无线网桥ddl2450模块通过网线与工业级交换机12moxaeds-308连接。

华夏盛ddl2450电台与机载ddl2450模块相比，其具有更大的发射功率；可以覆盖更大的范围，具有增益更高的天线，可以接收无人机从更远距离传来的信号；该电台其它功能、性能与ddl2450模块相同，同样采用自适应动态码流分集技术，实现多码流的动态集合和动态分配，提供超低延时、远距离、双向多通道的数据、话音、视频图像综合无线网络传输链路，发射频率为2.4ghz，发射功率可达10w，数据带宽12mhz，传输距离超过30km；无线网桥ddl2450电台通过网线与交换机h3cs1024r连接，并与地面监管系统30连接。在此需强调的是地面监管系统30为现有技术中地面站常用的操控平台，通过此操控平台对无人机发送控制指令及接受无人机工作状态、设备数据信息。

地面通讯单元20的交换机22选用h3cs1024r，提供24个符合ieee802.3u标准的10/100m自适应以太网接口，所有端口都支持全线速无阻塞交换以及端口自动翻转功能，为无人机地面通讯单元20、以及地面监管系统30的设备组网提供一个高效、便捷的通讯链接。

在工作时，将地面站的ddl2450电台设置为主机，工作于局域网模式，并根据地面监管系统30的网络配置设定好通讯地址；同时，将无人机上的ddl2450模块设置为从机，工作于局域网模式，并选择与主机相同的网络识别号；这样就在无人机与地面站之间构建起一条通讯链路，实现了无人机与地面站之间高清视频、高保真语音、飞行控制命令及无人机检测数据、飞行状态数据的实时传送。

工业级交换机12选用摩莎的moxaeds-308，该型号交换机内嵌智能报警功能，可以帮助系统维护者监控网络的运行状况；该交换机工作温度为-40～75℃，具有较好的环境适应性；该交换机具有8个以太网接口，满足警用无人机机上设备的联网通讯要求，为警用无人机各种机载设备提供一个高速局域网，即“机联网”，实现了无人机上设备的互联互通，并通过无线网桥一11与地面站进行通讯。

可见光网络摄像机1及云台4选用海康威视uav-g3v0230a，可见光网络摄像机1采用progressivescancmos图像传感器，支持1080p高清视频采集，支持h.264、h.265、mjpeg视频压缩标准，30倍光学变倍，便于无人机在高空对地面细节的捕捉；其通过网线与交换机moxaeds-308连接，在无人机“机联网”内，其端口编号为1。挂载的云台4用来安装可见光网络摄像机，改变云台4的水平旋转角度和垂直旋转角度可以调解摄像机的观察角度，通过云台4可以改变摄像机镜头的变焦倍数，实现对道路交通场景的大范围观察或场景细节的观察。

红外网络摄像机2选用海康威视ds-2td2136，该红外摄像机具有agc自动增益调节、3d降噪、dde图像细节增强功能，分辨率为384×288，具有极佳的热成像图像效果，可在夜间实现对机动车、行人的检测；其通过网线与交换机moxaeds-308连接，在无人机“机联网”内，其端口编号为2。

网络喇叭3选用广州新悦的na744，从网络接收音频数据后播放，采用音频dsp对音频数据流解码，使广播音频达到cd音质，其广播功率可达50w，穿透力强；其通过网线与交换机moxaeds-308连接，在无人机“机联网”内，其端口编号为3。

挂载的可见光网络摄像机1用于无人机白天巡查时或出警时使用，用于观察道路交通情况，或出现交通事故、道路拥堵、桥梁垮塌等异常情况下的近距离视频观察和拍照取证。挂载的红外网络摄像机2用于无人机夜间巡查时使用，用于观察道路交通的夜间情况。挂载的网络喇叭3用于无人机出警时使用，可以把地面控制站管理人员的喊话和语音信息在异常交通现场广播，用于现场交通疏导、威慑违法违章人员等。

rs485/以太网转换器和rs232/以太网转换器选用广州致远的iport-3，该嵌入式串口/以太网转换模块内部集成tcp/ip协议栈，可以完成嵌入式设备的网络功能，实现串口与以太网之间的数据传输，为串口设备拓展出标准的的以太网接口；该嵌入式串口/以太网转换模块可以外接串口类型，自动完成rs485/以太网转换或rs232/以太网转换。

本发明选用3个iport-3模块，第1个iport-3模块为rs485/以太网转换器13完成rs485/以太网转换，实现地面站对云台4的控制，其一端通过rs485串口电缆与云台4连接，另一端通过网线与交换机moxaeds-308连接，在无人机“机联网”内，其端口编号为4；

第2个iport-3模块为rs232/以太网转换器二15完成rs232/以太网转换，实现地面站与无人机飞控器8的双向通讯，把地面站控制无人机飞行的控制命令和数据传送到无人机飞控器8，同时把无人机的位置数据、姿态数据、速度及各工作部件的状态传回地面站；其一端通过rs232串口电缆与无人机飞控器8的串口连接，另一端通过网线与交换机moxaeds-308连接，在无人机“机联网”内，其端口编号为5；无人机飞控器8，是现有技术中无人机正常工作时的核心设备，主要有陀螺仪(飞行姿态感知)，加速计，地磁感应，气压传感器(悬停高度粗略控制)，超声波传感器(低空高度精确控制或避障)，光流传感器(悬停水平位置精确确定)，gps模块(水平位置高度粗略定位)，以及控制电路组成。无人机飞控器8主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态，需要与地面监管系统30完成实时双向通讯，它一方面接收地面监管系统30的指令和数据对飞行目的地和飞行姿态进行实时调整，另一方面将无人机的空间位置、飞行速度、姿态和挂载的设备工作状态传送回地面监管系统30。

第3个iport-3模块为rs232/以太网转换器一14完成rs232/以太网转换，实现地面站与开关控制电路的通讯，实现对3个启动开关的远程遥控；其一端通过rs232串口电缆与开关控制电路串口连接，另一端通过网线与交换机moxaeds-308连接，在无人机“机联网”内，其端口编号为6。

开关控制电路通过对地面监管系统30送来的串行数据进行解码，控制三组启动开关的通断，开关控制电路核心为高性能arm芯片stm32f103c8t6，通过串口电路从“机联网”接收地面站的控制命令，再去控制3个启动开关s1、s2、s3的通断；s1连接无人机的声光警示器5，声光警示器5选用风向标公司的n3071型小型警示灯，s1通电，声光警示器5工作，否则，处于静默状态，声光警示器4用于无人机出警时警用设备的提示，可以在交通事故现场、交通拥堵现场起到稳定人心、震慑犯罪人员的作用；s2连接无人机的探照灯6，探照灯6选用海康威视的uav-at3030a，s2通电，探照灯6打开，s2断开，探照灯6关闭，探照灯6可以在无人机夜间出警时照亮出警现场，便于地面控制站管理人员清晰观察现场情况和拍照取证；s3连接无人机的投送机构7，投送机构7选用海康威视的uav-at2010a，s3通电，投送机构7打开挂架将携带物质投送到地面，s3断开，投送机构7挂架关闭。

最终需说明的是，可见光网络摄像机1、红外网络摄像机2、网络喇叭3、云台4、声光警示器5、探照灯6及投送机构7均是现有技术中无人机常用的挂载设备，无人机飞控器8也是现有技术中常用的无人机必备核心部分，其中地面监管系统30也是现有技术中常用的对无人机发送控制指令、传递语音消息及采集无人机状态信息的操控平台，本发明的主体思想是利用无线网桥一11、无线网桥二21建立地面站与无人机的无线通讯连接，然后利用工业级交换机12及以太网转换器在无人机内部建立“机联网”，从而使得各设备通过对应的以太网接口完成通讯连接实现信息传递，并且本申请还额外的设置开关控制电路控制声光警示器5、探照灯6及投送机构7的开启，声光警示器5、探照灯6及投送机构7并不涉及具体的电路部分，本领域技术人员能够实现将开关控制电路接入上述三个设备的启动开关，从而实现开闭，并且本发明全部的技术方案除却开关控制电路之外并不涉及具体的电路控制，而是对现有技术的设备在通讯连接方式上进行改进，本领域技术人员有能力采用上述各设备根据本申请技术方案实现设备之间的通讯连接。

本发明有三种工作模式：巡查模式，协查模式，救援模式。

(1)巡查模式，警用无人机挂载可见光网络摄像机1或红外网络摄像机2，前者用于白天巡查，后者用于夜间巡查，以及挂载云台4、声光警示器5；声光警示器5固定安装于无人机机身，其电源电缆与开关控制电路的启动开关s1相连；白天巡查时，无人机挂载云台4，并在云台4上安装可见光网络摄像机1，云台4控制电缆连接到rs485/以太网转换器13的串口，可见光网络摄像机1通过网线与工业级交换机12连接；夜间巡查时，无人机挂载红外网络摄像机2，红外网络摄像机2通过网线与工业级交换机12连接。

在巡查模式下，警用无人机按规定航线自动飞行，地面工作人员通过本发明提供的通讯链路可以实时观察可见光网络摄像机1采集的道路交通高清视频图像，或实时观察红外网络摄像机2采集的道路交通热成像画面，同时可以通过本发明提供的通讯链路对云台4观察角度、摄像机镜头焦距进行调整，以便对感兴趣的情况和地段详细观察，同时可以对声光警示器5的开启进行控制，若是在夜间巡查，挂载设备仅为红外网络摄像机2，无需操控云台4和镜头。

(2)协查模式，警用无人机挂载可见光网络摄像机1、云台4、网络喇叭3、探照灯6、声光警示器5；声光警示器5固定安装于无人机机身，其电源电缆与开关控制电路的启动开关s1相连；云台4控制电缆连接到rs485/以太网转换器13的串口，可见光网络摄像机1、网络喇叭3通过网线与工业级交换机12连接，探照灯6电源电缆与开关控制电路的启动开关s2相连。

在协查模式下，警用无人机在地面工作人员操控下飞行，机上挂载的设备在地面工作人员控制下工作。地面工作人员通过本发明提供的通讯链路可以实时观察可见光网络摄像机1采集的道路交通高清视频图像；可以通过本发明提供的通讯链路对云台4观察角度、摄像机镜头焦距进行调整，以便对感兴趣的情况和地段详细观察；通过本发明提供的通讯链路可以把地面工作人员的喊话或其它语音信息传送到网络喇叭3进行广播；通过本发明提供的通讯链路可以控制机载探照灯6的开启或关闭，以及控制声光警示4的开启或关闭。

(3)救援模式，警用无人机挂载可见光网络摄像机1、云台4、投送机构7、声光警示器5；声光警示器5固定安装于无人机机身，其电源电缆与开关控制电路启动开关的s1相连；云台4控制电缆连接到rs485/以太网转换器13的串口，可见光网络摄像机1通过网线与工业级交换机12连接，投送机构7电源电缆与开关控制电路的启动开关s3相连。

在救援模式下，警用无人机在地面工作人员操控下飞行，机上挂载的投送机构7在地面工作人员控制下工作。地面工作人员通过本发明提供的通讯链路可以实时观察可见光网络摄像机1采集的道路交通高清视频图像；可以通过本发明提供的通讯链路对云台4观察角度、摄像机镜头焦距进行调整，以便发现需要救援的人员、对救援现场的情况进行详细观察；通过本发明提供的通讯链路可以控制投送机构7的开启或关闭，以便把投送机构7上挂载的救援器材准确投送给需要救援的人员。