无人机泛光通信的云台控制系统、无人机及组网方法

技术领域

本申请涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机泛光通信的云台控制系统、无人机及组网方法。

背景技术

无人机光通信系统是通过无人机搭载转台的光学天线装置对地面或者无人机光通信终端发射的激光信号进行捕获、对准和跟踪，使两台光通信设备进行连接形成通信链路。现有无人机光通信系统使用的捕获、对准和跟踪技术主要使用APT(Acquisition，pointing and Tracking)系统实现。APT系统一般包括伺服转台、反射镜、图像跟踪器等。APT指的是激光通信中光束的捕获、对准和跟踪技术。

现有的APT方案主要包括基于反射镜的APT以及复合轴APT方案。但是基于反射镜的APT运动角度范围相对较小，设备转角小，不适用于实时运动变化的无人机，因此无人机与无人机之间的定向光通信需要搭载对准设备。复合轴APT方案的硬件体积大重量大复杂度高，无人机在飞行状态下通常存在机身实时抖动以及飞行姿态进行较大变化的情况，更适合空地系统，不适合空空系统和中小型无人机。

发明内容

本申请实施例提供一种无人机泛光通信的云台控制系统、无人机及组网方法，用于解决当前基于反射镜的APT运动角度范围相对较小，设备转角小，不适用于实时运动变化的无人机；复合轴APT方案的硬件体积大重量大复杂度高，导致机身实时抖动以及飞行姿态不稳定的技术问题。

本申请实施例提供一种无人机泛光通信的云台控制系统，包括光通信模块、二维云台及上位机；

所述二维云台包括支架、俯仰舵机及扫描舵机，所述支架上设置所述扫描舵机，所述俯仰舵机设于所述扫描舵机上，所述光通信模块设于所述俯仰舵机上，所述俯仰舵机用于控制所述光通信模块的转动角度，所述扫描舵机用于控制所述俯仰舵机旋转，所述光通信模块用于发出和接收光通信信号；

所述上位机电性连接至所述俯仰舵机及所述扫描舵机，所述上位机用于驱动所述俯仰舵机及所述扫描舵机来控制所述光通信模块的扫描角度。

进一步的，所述支架呈几字型，所述支架的中部安装所述扫描舵机，所述支架的两端为固定部。

进一步的，所述无人机泛光通信的云台控制系统还包括USB接口电路板，所述上位机电性连接至所述USB接口电路板，所述USB接口电路板电性连接至所述二维云台。

进一步的，所述USB接口电路板包括Arduino Mega2560单片机。

进一步的，所述上位机发送脉冲宽度调制信号来驱动所述俯仰舵机及所述扫描舵机。

进一步的，所述光通信模块相对所述支架的转动角度为0°至180°。

进一步的，所述光通信模块的光通信信号发散角为20°，每转动20°后所述二维云台停顿1.5秒，在扫描过程中所述光通信模块的步进角度小于等于15°。

本申请实施例还提供一种无人机，其包括前文所述的无人机泛光通信的云台控制系统。

本申请实施例还提供一种无人机组网方法，采用前文所述的无人机，所述无人机组网方法包括：

生成脉冲宽度调制信号来驱动所述俯仰舵机及所述扫描舵机，通过改变所述脉冲宽度调制信号的脉冲时间宽度控制所述扫描舵机的步长以及所述俯仰舵机的步进角度；

控制所述光通信模块用于发出和接收光通信信号，实时检测所述光通信模块是否接收到光通信信号，响应于所述光通信模块接收到光通信信号时，控制所述二维云台停止运动；

检测无人机是否与目标无人机是否完成连接组网，若是则保持所述光通信模块的扫描角度。

进一步的，所述无人机组网方法还包括：

在无人机与目标无人机进行连接组网时，控制所述无人机采用二分法进行扫描确定所述目标无人机的位置，并根据所述目标无人机的位置确定所述光通信模块的扫描边界；

当无人机与目标无人机断开连接后，以所述光通信模块的扫描中位线呈第一角度的方向进行左右扫描，再逐渐增大第一角度进行左右扫描。

本申请实施例提供的无人机泛光通信的云台控制系统、无人机及组网方法，使用小型二维云台，体积小重量轻复杂度低，易搭载于中小型无人机；同时该设备转角大，适合飞行状态实时变化的无人机，以及协助无人机编队组网。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供的一种无人机泛光通信的云台控制系统的部分结构示意图。

图2为本申请实施例提供的无人机与目标无人机进行连接组网后的原理图。

图3为本申请实施例提供的一种无人机组网方法的流程图。

图4为本申请实施例提供的脉冲宽度调制信号的示意图。

图5为本申请实施例提供的二维云台搜索锁定的流程图。

图6为本申请实施例提供的初始建立连接时的扫描示意图。

图7为本申请实施例提供的确定通信中心的扫描示意图。

图8为本申请实施例提供的失锁重连的扫描示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

如图1、图2所示，本申请实施例1提供一种无人机泛光通信的云台控制系统，包括光通信模块1、二维云台2及上位机；所述二维云台2包括支架21、俯仰舵机22及扫描舵机23，所述支架21上设置所述扫描舵机23，所述俯仰舵机22设于所述扫描舵机23上，所述光通信模块1设于所述俯仰舵机22上，所述俯仰舵机22用于控制所述光通信模块1的转动角度，所述扫描舵机23用于控制所述俯仰舵机22旋转，所述光通信模块1用于发出和接收光通信信号；所述上位机电性连接至所述俯仰舵机22及所述扫描舵机23，所述上位机用于驱动所述俯仰舵机22及所述扫描舵机23来控制所述光通信模块1的扫描角度。

进一步的，所述支架21呈几字型，所述支架21的中部安装所述扫描舵机23，所述支架21的两端为固定部。

进一步的，所述无人机泛光通信的云台控制系统还包括USB接口电路板，所述上位机电性连接至所述USB接口电路板，所述USB接口电路板电性连接至所述二维云台2。

进一步的，所述USB接口电路板包括Arduino Mega2560单片机。

进一步的，所述上位机发送脉冲宽度调制信号来驱动所述俯仰舵机22及所述扫描舵机23。

进一步的，所述光通信模块1相对所述支架21的转动角度为0°至180°。

进一步的，所述光通信模块1的光通信信号发散角为20°，每转动20°后所述二维云台2停顿1.5秒，在扫描过程中所述光通信模块1的步进角度小于等于15°。

本申请实施例还提供一种无人机，其包括前文所述的无人机泛光通信的云台控制系统。

如图3所示，本申请实施例还提供一种无人机组网方法，采用前文所述的无人机，所述无人机组网方法包括：

S1、生成脉冲宽度调制信号来驱动所述俯仰舵机22及所述扫描舵机23，通过改变所述脉冲宽度调制信号的脉冲时间宽度控制所述扫描舵机23的步长以及所述俯仰舵机22的步进角度；

S2、控制所述光通信模块1用于发出和接收光通信信号，实时检测所述光通信模块1是否接收到光通信信号，响应于所述光通信模块1接收到光通信信号时，控制所述二维云台2停止运动；

S3、检测无人机是否与目标无人机是否完成连接组网，若是则保持所述光通信模块1的扫描角度。

进一步的，所述无人机组网方法还包括：

在无人机与目标无人机进行连接组网时，控制所述无人机采用二分法进行扫描确定所述目标无人机的位置，并根据所述目标无人机的位置确定所述光通信模块1的扫描边界；

当无人机与目标无人机断开连接后，以所述光通信模块1的扫描中位线呈第一角度的方向进行左右扫描，再逐渐增大第一角度进行左右扫描。

如图2所示，图2为无人机与目标无人机进行连接组网后的原理图。

本申请实施例提供的无人机泛光通信的云台控制系统、无人机及组网方法，使用小型二维云台2，体积小重量轻复杂度低，易搭载于中小型无人机；同时该设备转角大，适合飞行状态实时变化的无人机，以及协助无人机编队组网。亦即二维云台2体积小重量轻，易于中小型无人机搭载；结构简单复杂度低，适用于无人机蜂群；云台扫描角度大抗抖动，适用于运动状态的无人机。

实施例2

一、无人机云台任务

搭载在无人机上的二维云台2主要任务包括：

(1)构建网络：无人机起飞后，通过控制无人机上二维云台2的运动，从而实现搭载在云台上的光通信设备实现与另一架目标无人机上的光通信设备建立网络连接。

(2)网络重组：部分无人机遭受损毁后，重新寻找新的光通信设备进行连接，协助无人机光通信系统进行新网络构建，保证无人机蜂群网络的稳定性。

(3)编队飞行：协助无人机蜂群进行队形变换和编队飞行。

二、无人机云台构成

二维云台2由Arduino Mega2560单片机控制，上位PC机作为数据显示部分，光电探测电路为光光学接收部分，接收和发射均集成化二维转台上，通过Arduino Mega2560输出不同占空比和频率的PWM波实现对云台运动姿态的控制。

搭载在无人机上的云台主要任务是协助光通信设备建立连接实现双向通信，为了实现全方位光通信覆盖、组网和编队需求，每台无人机搭载四台光通信设备和四个二维云台2，每个搭载光通信收发设备的云台负责扫描特定的区域，负责该区域的光通信连接。

二维云台2由两只伺服舵机和若干支架21构成。两路数字伺服舵机分别带动支架21向横扫和俯仰两个方向运动。舵机是一个由直流电机、电机控制器和减速器等封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。

工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动舵机转动；齿轮组将点击速度成大倍数缩小，并将点击输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。模拟舵机需要一个外部控制器产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需编码信息。

二维云台2使用北京汉库的HG14-M舵机，它采用传统的PWM协议。PWM(Pulse-widthmodulation)是脉冲宽度调制的缩写，也就是占空比可变的脉冲波形，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。根据面积等效法则，可以通过对改变脉冲的时间宽度，来等效的获得所需要合成的相应幅值和频率的波形。因此通过改变PWM信号的占空比可以实现对舵机的转动控制。该舵机的优点是已经产业化，成本低，控制精度高，旋转角度大(目前所生产的都可达到185度)。如图4所示，该舵机使用8位AT89C52CPU，其数据分辨率为256，舵机极限参数实验，得到应该将其划分为250份。将0—185分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms—2.5ms，宽度2ms。2ms÷250＝8us；所以得出：PWM信号＝1度/8us。

二维云台2使用Arduino Mega2560单片机控制。该单片机处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口(其中15路可作为PWM输出)，15路模拟输入，4路UART接口。单片机输出两路PWM信号分别控制两只舵机，使云台的横扫舵机和俯仰舵机22按照一定扫描策略进行运动。同时使用2路UART接口对光通信设备收发进行控制，1路UART接口连接光通信设备的发送端，通过串口将数据送至光通信设备的驱动模块使光通信发射端发送特定的数据；1路UART接口连接光通信设备的接收端，对光通信设备收到的数据通过串口助手进行监控。

二维云台2搜索锁定流程如图5所示，其中PWM信号由Arduino Mega2560单片机生成后发送给云台，控制云台每次的步进角度和停顿时长，当云台从0°步进到180°后会重新返回0°位置开始继续扫描。光通信模块1的信号发散角为20°，因此每转动20°后云台停顿1.5秒，在云台每次停顿期间，Arduino Mega2560单片机通过串口与光通信模块1进行数据交互，光通信模块1将Arduino Mega2560单片机发送过来的带云台ID的数据信号转换为光信号发送出去，并且接收信号串口打开，光通信模块1将接收到的光信号转换为电信号通过串口送至Arduino Mega2560单片机，由单片机送至上位机显示，同时单片机会判断接收的数据是否为要进行连接的目标云台，如果是，云台则停止转动进行连接，如果不是，云台继续转动搜索目标云台。

三、扫描策略

无人机飞行状态下伴随机身抖动和姿态变换，为了保持光通信的稳定性，针初始连接，失锁重连和确定通信中心分别制定了扫描策略。

(1)初始建立连接

系统上电后云台开始扫描，由于初始无人机的方向和位置是未知的，云台需要进行大范围横扫，需要进行连接的两台光通信设备在云台上以相同的步进角度斤相反方向的逐行扫描。泛光通信设备的发散角度为20°，为了避免机身抖动带来的漏扫问题，云台的步进角度为15°，当两台光通信设备建立连接后云台停止扫描。扫描示意图如图6所示。

(2)确定通信中心

台光通信设备建立连接后，为了保证数据链路的稳定性，需要确定通信的中心，让云台停在通信的中心位置。通信中心的位置确定的扫描流程如下，建立连接后的两台云台，其中云台2保持静止，云台1向左扫描确定左边边界。云台1首先以10°的步进方式向左扫描，当扫描到无信号位置时，选择5°的方式向右回扫，当回扫到无信号区域时再使用2°的方式向相反方向扫描，以类似二分法的方式最终确定精度为1°的左边界。确定左边界的位置后，使用相同的方式确定有边界，通过左右边界的确定最终确定通信的中心位置。扫描示意图如图7所示。

(3)失锁重连

由于无人机姿态变换，光通信信号超出探测器接收角度后会断开连接，此时进行失锁重连的扫描方案。两台无人机刚刚失锁时信号离开角度的短时间内不会很大，因此采用先小角度的左右扫描，再逐渐增大扫描角度进行左右扫描。扫描示意图如图8所示。

本申请实施例提供的无人机泛光通信的云台控制系统、，使用小型二维云台，体积小重量轻复杂度低，易搭载于中小型无人机；同时该设备转角大，适合飞行状态实时变化的无人机，以及协助无人机编队组网。亦即二维云台体积小重量轻，易于中小型无人机搭载；结构简单复杂度低，适用于无人机蜂群；云台扫描角度大抗抖动，适用于运动状态的无人机。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的一种无人机泛光通信的云台控制系统、无人机及组网方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：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等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。