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        基于5G 網(wǎng)絡(luò)拓展無人機(jī)飛行控制距離

        2022-02-12 02:55:10鄧也朱華章譚裴古莉姍葉敏
        廣東通信技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:控制指令門限時(shí)間段

        [鄧也 朱華章 譚裴 古莉姍 葉敏]

        1 引言

        無人機(jī)操控主要由控制端和無人機(jī)組成。控制端設(shè)備又由遙控器、電腦、視頻顯示器、電源系統(tǒng)、總控模塊、無線電模塊等設(shè)備組成。一般簡單的來說就是一臺(tái)電腦,一個(gè)無線電模塊,一個(gè)遙控,電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件,通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路,并設(shè)定飛行高度、飛行速度和飛行地點(diǎn)。飛行任務(wù)等通過數(shù)據(jù)口連接的無線電電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中,無線電模塊就是空中數(shù)據(jù)傳輸模塊。

        無線電模塊就是飛機(jī)與地面站通信的一個(gè)主要工具,主要無線電模塊采用的接口協(xié)議有TTL 接口、RS485 接口、RS232 接口、CAN-BUS 總線接口。頻率有840.5~845 MHz、1 430~1 444 MHz 和2 408~2 440 MHz 頻段,其中消費(fèi)級無人機(jī)一般以2 408~2 440 MHz 頻段的較多,控制指令覆蓋距離在5 km 到10 km 不等。其作用就是無人機(jī)與控制端的通訊,控制端給無人機(jī)的下達(dá)任務(wù),如飛行高度、速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)通過它來回傳到控制端,以方便我們實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況,根據(jù)需要隨時(shí)修改飛機(jī)航向。

        2 原理介紹

        由于現(xiàn)有物對物(控制端對無人機(jī))指定通道為無線電方式,一定的發(fā)射功率無法突破極限距離。在極限距離情況下需要合理安全的切換控制指令至5G 網(wǎng)絡(luò),而不是把控制權(quán)移交給飛控系統(tǒng),此時(shí)飛控系統(tǒng)只是作為備份系統(tǒng);一旦控制端與無人機(jī)之間恢復(fù)物物通信的條件后,再把控制權(quán)交回?zé)o線電方式通訊。由此可以大幅度擴(kuò)展無人機(jī)飛行控制距離,突破現(xiàn)有極限。要實(shí)現(xiàn)上述功能,需要新增5G 模塊,如圖1 所示。

        圖1 新增5G 模塊

        3 控制指令通道切換技術(shù)

        在飛行過程中無人機(jī)通過接收到的控制端無線電信號(hào)強(qiáng)度或者質(zhì)量(控制指令解析靈敏度門限)判斷是否接近到達(dá)控制指令極限距離。一旦接近到達(dá)極限距離后,無人機(jī)與控制端進(jìn)行交互,請示開啟其他通信網(wǎng)絡(luò)模塊(比如各大運(yùn)營商的5G 網(wǎng)絡(luò)模塊)。一旦控制端確認(rèn)開啟后,無人機(jī)開啟5G 模塊,注冊5G 網(wǎng)絡(luò)(registration 流程),并測量5G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)測量滿足無人機(jī)穩(wěn)定接入門限(測量主服5G 小區(qū)強(qiáng)度是否在一定時(shí)間段滿足某一門限)時(shí),再次通過無線電信號(hào)請示控制端是否將控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡(luò),并提示控制端同時(shí)接入5G 網(wǎng)絡(luò)(此處有兩種方案:方案一控制端直接利用5G 模塊接入5G網(wǎng)絡(luò);方案二控制端通過wifi 或者藍(lán)牙短距離與操控者手機(jī)直連,通過操控者5G 手機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò))。一旦控制端指示無人機(jī)切換控制指令通路至5G 網(wǎng)絡(luò)(針對無人機(jī)控制指令,必須啟用5G 超可靠低延遲通信URLLC,配置相應(yīng)的切片數(shù)據(jù),保證無人機(jī)高可靠低時(shí)延控制),控制端及無人機(jī)5G 模塊接入運(yùn)營商5G 網(wǎng)絡(luò)并完成無人機(jī)操控平臺(tái)登錄后,控制端及無人機(jī)關(guān)閉無線電通信模塊,后期控制指令通路完全由5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綗o人機(jī)操控平臺(tái)處理承載。

        具體的技術(shù)流程如圖2 所示。

        圖2 無線電切換到5G 流程圖

        (1)無人機(jī)飛行過程中始終監(jiān)控控制端無線電信號(hào)強(qiáng)度及質(zhì)量(如現(xiàn)階段主流消費(fèi)級無人機(jī)接收機(jī)靈敏度約為-110 dbm),一旦滿足一定時(shí)間段內(nèi)(先期可以設(shè)定為2 秒)滿足強(qiáng)度低于某門限及質(zhì)量低于某門限(此處門限可以適當(dāng)高于極限門限,便于無人機(jī)通過無線電信號(hào)回傳開啟5G 及切換請求,初步可以定義為-100 dbm),進(jìn)入步驟2。

        (2)無人機(jī)通過無線電信號(hào)回傳請求開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊請求。

        (3)控制端收到無人機(jī)請求開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊請求,通過無線電信號(hào)下發(fā)請求確認(rèn),允許無人機(jī)開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊。

        (4)無人機(jī)接收到開啟5G網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)消息無線電信號(hào),并轉(zhuǎn)發(fā)至無人機(jī)總控模塊。總控模塊指示開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊,5G 網(wǎng)絡(luò)模塊完成5G SA 網(wǎng)絡(luò)的注冊(registration),并主動(dòng)測量主服NR 小區(qū)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量(SSB-RSRP)。

        (5-1)無人機(jī)5G 模塊實(shí)時(shí)測量5G 信號(hào),并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊,總控模塊判斷如果5G 信號(hào)無法在一定的時(shí)間段內(nèi)(先期可以設(shè)定為5 秒)滿足一定的門限(先期可以設(shè)定為-100 dbm),則總控模塊反饋無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)接入Ack,無人機(jī)總控模塊通過無線電模塊向控制端申請關(guān)閉5G 模塊,得到控制端確認(rèn)后關(guān)閉5G 模塊,并沿用無線電通信模式。無人機(jī)繼續(xù)通過無線電模塊測量無線電信號(hào)強(qiáng)度,一旦距離小于前一門限減去5 db(如定義為-100 dbm-5 db=-105 dbm),再次進(jìn)入步驟2。

        (5-2)無人機(jī)5G 模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控5G 信號(hào),并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊,總控模塊判斷一旦滿足一定時(shí)間段內(nèi)(先期可以設(shè)定為5 秒)滿足強(qiáng)度高于某門限(先期可以設(shè)定為-100 dbm),無人機(jī)總控模塊請求切換至5G 網(wǎng)絡(luò)并通過無人機(jī)無線電信號(hào)回傳將控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡(luò)的請求,并提示控制端同時(shí)接入5G 網(wǎng)絡(luò),后面進(jìn)入流程步驟6。

        (6)控制端收到無人機(jī)將控制指令通道切換到5G網(wǎng)絡(luò)請求,通過無線電信號(hào)下發(fā)請求確認(rèn),允許無人機(jī)控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡(luò)。

        (7)控制端自主接入5G 網(wǎng)絡(luò),并完成無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái)登陸,并自主關(guān)閉無線電模塊,以節(jié)省相應(yīng)能源。

        其中控制端接入5G 網(wǎng)絡(luò)有種方案:

        ①方案一:控制端直接利用5G 模塊接入5G 網(wǎng)絡(luò);

        ②方案二:控制端通過wifi 或者藍(lán)牙短距離與操控者手機(jī)直連,通過操控者5G 手機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò)。

        (8)無人機(jī)通過無線電信號(hào)接收到請求切換至5G網(wǎng)絡(luò)的請求確認(rèn),無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái)登陸,并自主關(guān)閉無線電模塊,以節(jié)省相應(yīng)能源。

        (9)至此控制端與無人機(jī)指令交互由先期的無線電通信變成了控制端通過5G 網(wǎng)絡(luò)(二種方案)連接無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái),再通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至無人機(jī)。無人機(jī)操控由原來的物物連接變更為了物網(wǎng)物互聯(lián),勢必會(huì)引入多余的時(shí)延。對于此類時(shí)延,必須將控制端及無人機(jī)簽約URLLC 切片,切片類型中SST 配置為2,表征為URLLC切片。利用SA 網(wǎng)絡(luò)的URLLC 的超低時(shí)延、超高可靠特性,完全可以滿足無人機(jī)飛行過程中的時(shí)延、可靠性要求,由于URLLC 控制時(shí)延方面并非本提案關(guān)鍵點(diǎn),只是利用SA 網(wǎng)絡(luò),在此不詳細(xì)贅述。

        4 控制指令切換回?zé)o線電通信

        控制指令通路切換到5G 網(wǎng)絡(luò)后,控制端通過5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)了解無人機(jī)GPS 位置,無人機(jī)通過自有GPS模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制端距離,一旦距離在一定時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定的小于某一門限(如現(xiàn)階段直連控制極限7 km),無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)開啟無線電模塊請求至控制端??刂贫送ㄟ^5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)允許開啟無線電模塊確認(rèn),并自主開啟控制端無線電信號(hào)模塊發(fā)送握手測試信號(hào)。無人機(jī)收到確認(rèn)后自主開啟無線電模塊并開始掃描控制端握手測試信號(hào)。如果握手測試信號(hào)在一定時(shí)間段內(nèi)保持穩(wěn)定強(qiáng)度及質(zhì)量(滿足無線電信號(hào)解析靈敏度),無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)請示控制端是否切換回直連模式(無線電通信)。控制端通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)確認(rèn)切回,并同時(shí)在無線電信號(hào)端收取無人機(jī)切回信號(hào),一旦收到無人機(jī)在無線電信號(hào)中收到切回notification,控制端關(guān)閉5G模塊(deregistration流程)。無人機(jī)收在5G 網(wǎng)絡(luò)上收到切換回?zé)o線電通信確認(rèn)后,無人機(jī)通過無線電模塊回傳切回notification,并關(guān)閉5G 模塊(deregistration 流程)??刂贫伺c無人機(jī)再次進(jìn)入無線電直連控制階段。

        具體流程如圖3 所示。

        圖3 5G 切換回?zé)o線電流程圖

        (1)無人機(jī)通過GPS 模塊計(jì)算與控制端距離,一旦距離在一定時(shí)間段內(nèi)(初期可以定義為30 秒)均小于某一門限(如現(xiàn)階段直連控制極限7 km)。

        (2)無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送開啟無線電模塊請求至控制端(中間經(jīng)過了無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái))。

        (3)控制端收到無人機(jī)開啟無線電模塊請求,通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)請求確認(rèn),允許無人機(jī)開啟無線電模塊,控制端自主開啟無線電模塊并主動(dòng)發(fā)送握手測試控制信號(hào)。

        (4)無人機(jī)開啟無線電模塊,并主動(dòng)測量無線電控制通路中握手測試信號(hào)質(zhì)量。

        (5-1)無人機(jī)無線電模塊實(shí)時(shí)測量無線電握手測試控制信號(hào),并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊,總控模塊判斷如果無線電握手信號(hào)無法在一定的時(shí)間段內(nèi)(先期可以設(shè)定為20 秒)滿足一定的門限,則無人機(jī)總控模塊通過5G 模塊向控制端申請關(guān)閉無線電模塊,得到控制端確認(rèn)后關(guān)閉無線電模塊,并沿用5G 通信模式。無人機(jī)繼續(xù)通過GPS 模塊計(jì)算與控制端距離,一旦距離小于前一門限減去2 km(如現(xiàn)階段直連控制極限7 km-2 km=5 km),再次進(jìn)入步驟2。

        (5-2)無人機(jī)無線電模塊實(shí)時(shí)測量無線電握手測試控制信號(hào),并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊,總控模塊判斷一旦滿足一定時(shí)間段內(nèi)(先期可以設(shè)定為20 秒)滿足強(qiáng)度高于某門限且質(zhì)量高于某門限,無人機(jī)總控模塊通過5G 網(wǎng)絡(luò)請求將控制指令通道切換到無線電通路,后面進(jìn)入流程步驟6。

        (6)控制端收到無人機(jī)將控制指令通道切換到無線電通信的請求,通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)請求確認(rèn)ack,允許無人機(jī)控制指令通道切換到無線電通信。

        (7)控制端一旦收到無人機(jī)在無線電信號(hào)中的切回notification,關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)(此處需根據(jù)控制端接入5G 網(wǎng)絡(luò)方式分別關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)),隨后完成5G 模塊電源關(guān)閉,以節(jié)省相應(yīng)能源。

        其中控制端關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)有種方案:

        ①方案一:控制端直接利用5G模塊接入5G網(wǎng)絡(luò)方式,則采用deregistration 流程關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)接入;

        ②方案二:控制端通過wifi 或者藍(lán)牙短距離與操控者手機(jī)直連,通過操控者5G 手機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò),則關(guān)斷控制端與操控者5G 手機(jī)連接。

        (8)無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)收到切換控制指令通路至無線電后,開啟無線電模塊接收控制指令,并通過無線電模塊上報(bào)切回notification 至控制端。

        (9)無人機(jī)發(fā)起deregistration流程完成5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉,隨后完成5G 模塊電源關(guān)閉,以節(jié)省相應(yīng)能源。

        (10)至此控制端與無人機(jī)指令交互由原來的物網(wǎng)物連接變更為了物物直聯(lián)。

        5 總結(jié)

        現(xiàn)有消費(fèi)級無人機(jī)的通訊主要依靠無線電方式,通訊距離比較短,控制指令極限距離小于10 km(以7 km 最為常見)。但在實(shí)際使用過程中,受到環(huán)境因素影響,比如地形起伏、城市樓宇、高壓電線等,一般有效距離都在5 km 范圍內(nèi)。當(dāng)無人機(jī)無法解析控制端指令達(dá)到一定時(shí)間長度(一般為2 秒)后,無人機(jī)飛控系統(tǒng)將接管無人機(jī)控制權(quán)并參考原飛行路徑規(guī)劃路線,控制無人機(jī)飛回最近記錄的返航點(diǎn)。采用5G 技術(shù)后,在到達(dá)極限距離之前,無人機(jī)可提前切換至5G 網(wǎng)絡(luò),由于URLLC(切片)的低時(shí)延特性,對操控性的影響較小。由此,可以大大擴(kuò)展無人機(jī)的可操作范圍。

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