一种无人机与云巢图传通信方法

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，特别涉及一种无人机与云巢图传通信方法。

背景技术

自动无人机机场又称无人机机场、无人机机库或无人机机巢，是指专门为无人机设计的专用停放场所。无人机可以直接部署到作业现场，解决人工携带无人机上下班的问题。现场部署最大的好处是增强了无人机的应急作业能力，作业效率也有了很大的提高。不运行时，无人机在自动机场待命；工作时，机场大门打开，升降台升至顶部，无人机自动飞出作业。目前无人机的飞行范围可能较远，特别是在一些专业应用中，无人机与云巢之间长距离传输需要克服信号衰减和数据包丢失的问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种无人机与云巢图传通信方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种无人机与云巢图传通信方法，包括如下步骤：

步骤1多路径传输设置：在机巢和无人机上装备多个通信模块，机巢和无人机之间预先建立多个通信路径，每个通信路径采用不同的通信频段，以增加通信的冗余性；

步骤2信号质量监测：机巢和无人机之间的通信模块实时监测各个通信路径的信号质量；

步骤3自适应码率调整：根据信号质量监测的结果，机巢和无人机之间动态调整通信的码率，当信号质量较好时，使用较高的码率以提高数据传输速率；当信号质量较差时，降低码率以保证数据的可靠传输；

步骤4数据分包和冗余：将要传输的图像或视频数据分成多个小数据包，每个数据包携带部分图像或视频信息，在每个数据包中增加冗余信息，以增强数据包的纠错能力；

步骤5多路径传输和数据包重组：数据包通过预先建立的多个通信路径传输，接收端收到所有通信路径上传输的数据包后，对数据包进行重组和解码，接收端对接收到的多个数据包进行重组，恢复原始图像或视频数据，如果某个通信路径上传输的数据包丢失，接收端通过其他通信路径上传输的冗余数据包进行纠错和恢复。

进一步的：所述步骤1包括：

通信模块装备：在机巢和无人机上分别安装多个通信模块，通信模块包括不同频段的无线电设备、不同类型的移动网络模块；

通信路径预先建立：机巢和无人机之间预先建立多个通信路径，通信路径为不同的无线信道或不同的网络运营商提供的通信链路：

a选择通信频段或通信网络：确定机巢和无人机所使用的通信频段或网络类型，根据应用环境和需求，选择适当的频段或网络；

b网络规划：根据通信频段或网络类型，规划并设置通信路径；

c建立通信连接：机巢和无人机之间在启动时，通过预先规划的通信路径建立通信连接；

d通信路径管理：在通信过程中，监控各个通信路径的状态，如果某个通信路径出现信号衰减或数据包丢失的情况，自动切换到其他可用的通信路径，以保持通信的稳定性和可靠性。

进一步的：所述步骤3包括：

设置码率范围：设置通信的码率范围；

监测信号质量：通信模块实时监测各个通信路径的信号质量；

信号质量评估：根据信号质量监测的结果，系统对通信质量进行评估；

码率调整：根据信号质量评估结果，系统动态调整通信的码率，如果信号质量较好，选择较高的码率以提高数据传输速率，如果信号质量较差，降低码率以保证数据的可靠传输；

码率切换：在信号质量发生变化时，根据评估结果自动切换到合适的码率。

进一步的：所述步骤4包括：

数据分包：将要传输的图像或视频数据分成多个小数据包，数据包的大小根据通信模块的能力、信道状况和通信需求进行设置；

前向纠错码添加：在每个数据包中增加冗余信息，以增强数据包的纠错能力；

编码和解码：在发送端，对每个数据包进行前向纠错码编码，生成冗余校验数据，并将原始数据包和冗余校验数据一起发送，在接收端，对接收到的数据包进行解码，根据冗余校验数据进行纠错；

纠错和重传：如果在接收端发现某个数据包存在错误，根据冗余校验数据进行纠错，如果无法纠错，接收端向发送端请求进行重传；

自适应纠错：根据信号质量监测的结果和前向纠错码的冗余程度，动态调整冗余信息的添加量，在信号质量较好时，适度降低冗余信息的添加，减少数据包的冗余开销，在信号质量较差时，增加冗余信息的添加，提高数据包的纠错能力。

进一步的：步对每个数据包进行前向纠错码编码，生成冗余校验数据包括：

生成矩阵G：

校验矩阵H：

生成矩阵G将输入数据转换为编码数据，给定一个4位的输入向量I＝[i_1,i_2,i_3,i_4]，编码操作可示为：

C＝I·G

其中，C是7位的编码向量；

校验矩阵H和接收到的编码数据一起用于错误检测和纠正，给定一个接收到的7位编码向量R＝[r_1,r_2,r_3,r_4,r_5,r_6,r_7]，解码操作表示为：

S＝R·H

其中S是3位的校验位向量，校验位用于检测和纠正错误，

进一步的：所述步骤5包括：

多路径传输：发送端根据预先建立的多个通信路径，将数据包同时发送到多个通信路径上，每个通信路径都携带部分数据包；

数据包接收：接收端同时监听多个通信路径，接收从多个通信路径上传输的数据包；

数据包重组：接收端根据数据包的序号或标识信息对接收到的数据包进行重组；

前向纠错解码：对接收到的数据包进行前向纠错解码，如果数据包中的某些部分出现错误，前向纠错码根据冗余信息进行纠错，恢复原始的数据；

数据包丢失处理：在数据包重组和解码过程中，如果发现某些数据包缺失，接收端根据其他通信路径上传输的冗余数据包进行纠错，或者请求发送端进行重传。

本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

多路径传输：采用多路径传输设置，利用不同频段的无线电设备或移动网络，预先建立多个通信路径。这样做增加了通信的冗余性，即使某个通信路径受到信号衰减或数据包丢失，其他通信路径仍然可以传输数据，从而有效地克服了长距离传输可能遇到的信号衰减问题。

自适应码率调整：通过信号质量监测和自适应码率调整，根据实时的信号质量评估动态调整通信的码率。在信号质量较好的情况下，采用较高的码率以提高数据传输速率；在信号质量较差的情况下，降低码率以保证数据的可靠传输。这样的自适应调整可以有效地应对信号衰减和数据包丢失问题，优化传输效率和可靠性。

数据分包和冗余：将要传输的图像或视频数据分成多个小数据包，并在每个数据包中添加冗余信息(采用前向纠错码)。这样做有助于提高数据包的纠错能力，即使部分数据包丢失或受损，接收端可以通过其他通信路径上传输的冗余数据包进行纠错和恢复，从而克服长距离传输可能出现的数据包丢失问题。

多路径传输和数据包重组：通过在接收端对从多个通信路径上传输的数据包进行重组，保证接收到的数据能够正确解码并恢复原始的图像或视频数据。多路径传输提高了数据的冗余性，数据包重组确保了数据的完整性，共同应对长距离传输中可能出现的信号衰减和数据包丢失问题。

提高应急作业能力：由于在现场部署自动无人机机场，无人机可以直接部署到作业现场，解决了人工携带无人机上下班的问题。这样的应急作业能力使得无人机能够更灵活地应对专业应用中的远程或难以到达的区域，从而克服了无人机飞行范围较远的问题。

本方法通过多路径传输、自适应码率调整、数据分包和冗余以及数据包重组等技术手段，充分考虑了无人机飞行范围较远和长距离传输可能遇到的信号衰减和数据包丢失问题。这样的设计优化了通信质量和数据可靠性，在一些专业应用场景中可以更可靠地实现无人机与机巢之间的图传通信，提高了应急作业能力和工作效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

如图1所示的，本发明公开一种无人机与云巢图传通信方法，包括如下步骤：

步骤1多路径传输设置：在机巢和无人机上都装备多个通信模块，例如，可以使用不同频段的无线电设备(Wi-Fi、蓝牙等)或者采用移动网络(4G、5G)等。机巢和无人机之间预先建立多个通信路径(链接)，每个通信路径采用不同的通信模块或频段，以增加通信的冗余性。

步骤2信号质量监测：机巢和无人机之间的通信模块实时监测各个通信路径的信号质量。信号质量监测包括信号强度、信噪比、数据包丢失率等参数。

步骤3自适应码率调整：根据信号质量监测的结果，机巢和无人机之间动态调整通信的码率。当信号质量较好时，可以使用较高的码率以提高数据传输速率；当信号质量较差时，降低码率以保证数据的可靠传输。

步骤4数据分包和冗余：将要传输的图像或视频数据分成多个小数据包，每个数据包携带部分图像或视频信息。在每个数据包中增加冗余信息，例如采用前向纠错码方式，以增强数据包的纠错能力。

步骤5多路径传输和数据包重组：数据包通过预先建立的多个通信路径传输接收端(机巢或无人机)收到所有通信路径上传输的数据包后，对数据包进行重组和解码，接收端对接收到的多个数据包进行重组，恢复原始图像或视频数据。如果某个通信路径上传输的数据包丢失，接收端可以通过其他通信路径上传输的冗余数据包进行纠错和恢复。

通过这种多路径传输和自适应码率调整的方法，无人机与机巢之间可以实现更稳定、可靠的图传通信。当某些通信路径受到信号衰减或数据包丢失时，其他通信路径可以提供冗余数据，使得数据传输的效率和可靠性得到显著提高，同时也能克服长距离传输的问题。

具体的，步骤1包括：

通信模块装备：在机巢和无人机上分别安装多个通信模块。这些通信模块可以是不同频段的无线电设备(如Wi-Fi、蓝牙)、不同类型的移动网络模块(如4G、5G)或者其他通信设备。这些通信模块需要支持数据传输和与对方建立通信连接的功能。

通信路径预先建立：机巢和无人机之间需要预先建立多个通信路径(链接)。通信路径可以是不同的无线信道或不同的网络运营商提供的通信链路。以下是具体的步骤：

a.选择通信频段或通信网络：确定机巢和无人机所使用的通信频段或网络类型。根据应用环境和需求，选择适当的频段或网络。

b.网络规划：根据通信频段或网络类型，规划并设置通信路径。这可能涉及到配置不同的无线信道、分配IP地址等。

c.建立通信连接：机巢和无人机之间在启动时，通过预先规划的通信路径建立通信连接。这可能涉及到握手过程、网络认证等。

d.通信路径管理：在通信过程中，监控各个通信路径的状态。如果某个通信路径出现信号衰减或数据包丢失的情况，系统可以自动切换到其他可用的通信路径，以保持通信的稳定性和可靠性。

具体的，步骤2包括：

在步骤1中，已经在机巢和无人机之间建立了多个通信路径，每个通信路径采用不同的通信模块或频段。为了在通信过程中实时监测各个通信路径的信号质量，需要在通信模块和系统中实现信号质量监测功能。以下是具体的实现步骤：

信号强度监测：每个通信模块都能够监测当前接收到的信号强度。在无线通信中，信号强度表示无线信号的接收强度，一般以dBm为单位。每个通信模块都会周期性地获取当前信号强度，并记录下来。

信噪比监测：信噪比是指信号与噪声的比值，是衡量信号质量的重要指标。在通信过程中，每个通信模块会获取当前信号的功率(信号强度)以及周围的噪声水平，然后计算信噪比。信噪比越高，表示信号质量越好，数据传输的可靠性越高。

数据包丢失率监测：在通信过程中，每个通信模块会记录发送和接收的数据包数量，并监测数据包的丢失情况。数据包丢失率是指发送的数据包中在传输过程中丢失的比例。数据包丢失率越低，表示数据传输越稳定可靠。

具体的，步骤3包括：

设置码率范围：首先，系统需要设置通信的码率范围。这个范围根据通信模块的能力和应用需求来确定。通常，较高的码率可以提高数据传输速率，但在信号质量较差的情况下可能导致数据包丢失，较低的码率则可以保证数据传输的稳定性和可靠性，但传输速率较低。

监测信号质量：通信模块实时监测各个通信路径的信号质量，包括信号强度、信噪比和数据包丢失率等参数。

信号质量评估：根据信号质量监测的结果，系统对通信质量进行评估。可以设置一些阈值，例如，当信号强度大于某个值，信噪比高于某个阈值，丢包率低于某个阈值时，认为信号质量较好。

码率调整：根据信号质量评估结果，系统动态调整通信的码率。如果信号质量较好，系统可以选择较高的码率以提高数据传输速率。如果信号质量较差，系统可以降低码率以保证数据的可靠传输。

码率切换：为了实现自适应码率调整，通信模块或系统需要支持在运行时切换码率。在信号质量发生变化时，系统可以根据评估结果自动切换到合适的码率。

避免频繁调整：为了避免频繁的码率调整，系统可以设置一些冷却时间。在进行码率调整后，系统可以暂时不再进行新的调整，等待一段时间后再根据新的信号质量评估进行调整。

具体的，假设无人机与机巢之间的通信系统支持多个码率选项，分别为码率A、码率B和码率C。通信系统在初始化时，可以根据应用场景和通信需求预先设置这些码率选项。

自适应码率调整：

系统会定期进行信号质量评估，通过监测信号强度、信噪比和数据包丢失率等参数来衡量通信质量。

在通信过程中，系统会实时监测信号质量，并根据评估结果动态调整通信的码率。

如果信号质量较好，系统可以选择较高的码率以提高数据传输速率。例如，如果信号强度和信噪比都在良好范围内，并且数据包丢失率很低，系统可以选择码率B或码率C。

如果信号质量较差，系统可以降低码率以保证数据的可靠传输。例如，如果信号强度和信噪比较低，且数据包丢失率较高，系统可以选择较低的码率A。

码率切换：

在运行时，系统会根据实时的信号质量评估结果来判断是否需要进行码率切换。

如果信号质量发生变化，超过了预先设定的阈值，系统会触发码率切换的操作。

如果信号质量恶化，系统会根据评估结果自动切换到合适的码率。例如，如果当前使用码率C，但信号质量下降到无法维持该码率的水平，系统会自动切换到码率B或码率A，以保证数据传输的稳定性。

如果信号质量改善，系统同样会根据评估结果切换到更高的码率，以提高数据传输速率。

在进行码率切换时，通信模块或系统需要支持快速切换功能，以保证通信的连续性和流畅性。

通过实时监测信号质量，动态调整通信的码率，并在信号质量发生变化时自动切换到合适的码率，无人机与机巢之间的通信系统可以根据实际情况优化数据传输效率和可靠性。这样的自适应码率调整和码率切换功能能够有效地克服长距离传输可能遇到的信号衰减和数据包丢失问题，提高通信的稳定性和性能。

具体的，步骤4包括：

数据分包：将要传输的图像或视频数据分成多个小数据包。数据包的大小可以根据通信模块的能力、信道状况和通信需求来设置。较小的数据包有利于提高数据传输的稳定性，因为如果一个数据包丢失，只需要重新传输该数据包而不是整个大的图像或视频数据。

前向纠错码添加：在每个数据包中增加冗余信息，以增强数据包的纠错能力。这里采用前向纠错码来实现。前向纠错码是一种在发送端根据数据进行编码，在接收端可以根据收到的编码数据进行纠错的技术。

编码和解码：在发送端，对每个数据包进行前向纠错码编码，生成冗余校验数据，并将原始数据包和冗余校验数据一起发送。在接收端，对接收到的数据包进行解码，根据冗余校验数据进行纠错。

步对每个数据包进行前向纠错码编码，生成冗余校验数据包括：

生成矩阵G：

校验矩阵H：

生成矩阵G将输入数据转换为编码数据，给定一个4位的输入向量I＝[i_1,i_2,i_3,i_4]，编码操作可示为：

C＝I·G

其中，C是7位的编码向量；

校验矩阵H和接收到的编码数据一起用于错误检测和纠正，给定一个接收到的7位编码向量R＝[r_1,r_2,r_3,r_4,r_5,r_6,r_7]，解码操作表示为：

S＝R·H

其中S是3位的校验位向量，校验位用于检测和纠正错误。

纠错和重传：如果在接收端发现某个数据包存在错误，可以根据冗余校验数据进行纠错。如果无法纠错，接收端可以向发送端请求进行重传。

自适应纠错：根据信号质量监测的结果和前向纠错码的冗余程度，可以动态调整冗余信息的添加量。在信号质量较好时，可以适度降低冗余信息的添加，减少数据包的冗余开销。在信号质量较差时，可以增加冗余信息的添加，提高数据包的纠错能力。

数据分包和冗余的实现涉及到数据包的划分、前向纠错码的编码和解码过程。通过添加冗余信息，可以提高数据包的纠错能力，从而增强数据传输的稳定性和可靠性。这样的实现可以在克服长距离传输可能出现的信号衰减和数据包丢失等问题的同时，有效地保证图传通信的数据完整性。

具体的，步骤5包括：

多路径传输：发送端根据前面步骤1中预先建立的多个通信路径，将数据包同时发送到多个通信路径上。每个通信路径都携带部分数据包。这样做的目的是增加通信的冗余性，确保即使某个通信路径出现信号衰减或数据包丢失，其他通信路径仍然可以传输数据。

假设有N个通信路径可用，每个通信路径的信号质量可以表示为Quality_1,Quality_2,...,Quality_N。

将要传输的数据包分割成M个小数据块，每个小数据块称为一个数据片。数据片的大小可以根据通信需求和信道状况来设置。

为每个通信路径分配一个权重，权重可以根据信号质量来确定，通常信号质量越好，权重越大。权重可以表示为Weight_1,Weight_2,...,Weight_N。

对于每个数据片，根据权重分配策略，将该数据片的一部分同时发送到多个通信路径上。权重越大的通信路径发送的数据片越多。

在接收端，根据通信路径上收到的数据片和权重，重组数据片，恢复原始的数据包。

权重分配示例：

可以使用信号质量的倒数作为权重，因为信号质量越好，倒数越大，表示该通信路径传输的数据片越多。

Weight_i＝1/Quality_i

具体的步骤如下：

对于每个通信路径，计算其信号质量的倒数，得到对应的权重。

对所有权重进行归一化，以确保总和为1，以便能够有效分配数据片。

将数据片根据归一化后的权重分配到各个通信路径上。

数据包接收：接收端同时监听多个通信路径，接收从多个通信路径上传输的数据包。

数据包重组：接收端对接收到的数据包进行重组。由于数据包在发送端进行了分包，并采用了前向纠错码，接收端需要将各个通信路径上的数据包进行合并，组成完整的图像或视频数据。这一步骤需要根据数据包的序号或标识信息进行合理的重组。

前向纠错解码：对接收到的数据包进行前向纠错解码。如果数据包中的某些部分出现错误，前向纠错码可以根据冗余信息进行纠错，恢复原始的数据。

数据包丢失处理：在数据包传输过程中，由于信号质量等因素，可能会有部分数据包丢失。在数据包重组和解码过程中，如果发现某些数据包缺失，接收端可以根据其他通信路径上传输的冗余数据包进行纠错，或者请求发送端进行重传。

综上所述，多路径传输和数据包重组需要在接收端(机巢或无人机)进行实现。通过同时监听多个通信路径，接收并重组从多个通信路径上传输的数据包，采用前向纠错码解码和纠错等技术，确保接收到的数据能够正确解码并恢复原始的图像或视频数据。这样的实现可以增强数据传输的稳定性和可靠性，有效地克服长距离传输可能出现的信号衰减和数据包丢失等问题，保证无人机与机巢之间的图传通信质量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同替换、改进，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。