一種適用于微型無(wú)人機(jī)的移動(dòng)MUAV-MTP協(xié)議

鄧嘉輝,薄煥仕,姚 悅,霍 星

(合肥工業(yè)大學(xué) a.軟件學(xué)院; b.數(shù)學(xué)學(xué)院,合肥 230009)

0 概述

無(wú)人機(jī)的移動(dòng)通信控制在近些年發(fā)展迅速,目前,無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)跨入到4G時(shí)代。文獻(xiàn)[1]給出了基于4G的無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程巡邏系統(tǒng),分別實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)端、服務(wù)端和地面控制端的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),該系統(tǒng)能夠清晰地顯示視頻信息和飛行狀態(tài)信息。文獻(xiàn)[2]提出了一種考慮3G/4G網(wǎng)絡(luò)特性的多無(wú)人機(jī)環(huán)保監(jiān)測(cè)任務(wù)調(diào)度,將多無(wú)人機(jī)任務(wù)調(diào)度問(wèn)題建模為團(tuán)隊(duì)定向問(wèn)題,并使用局部迭代搜索算法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[3]對(duì)基于多旋翼無(wú)人機(jī)和4G的指控系統(tǒng)中繼通信進(jìn)行了研究,分析了如何進(jìn)行地空寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與掛載單載波頻域均衡體制4G轉(zhuǎn)信平臺(tái)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。文獻(xiàn)[4]使用4G網(wǎng)絡(luò)的Android手機(jī)作為地面通信和控制平臺(tái),設(shè)計(jì)一種基于4G網(wǎng)絡(luò)控制的四旋翼飛行器系統(tǒng),該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離控制、視頻實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)查看設(shè)備信息等功能。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了小型無(wú)人機(jī)和地面控制站(GCS),使用GSM雙向通信技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行非視距(NLOS)遠(yuǎn)程控制。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型低功耗、低成本的半自主飛行固定翼無(wú)人機(jī),完成實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃、軌跡生成和軌跡跟蹤功能。文獻(xiàn)[7]針對(duì)EFIGENIA無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)嵌入式多處理器模糊邏輯飛行引導(dǎo)和控制系統(tǒng)方案,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛、智能飛行。

微型無(wú)人機(jī)憑借其體型小、價(jià)格低、控制精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)在快遞物流[8]、線路巡檢[9]、農(nóng)田信息采集[10]等商業(yè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。支持微型無(wú)人機(jī)的主流協(xié)議為MavLink協(xié)議,該協(xié)議主要用于地面站與微型無(wú)人機(jī)之間的通信以及微型無(wú)人機(jī)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的通信,協(xié)議以消息庫(kù)的形式定義了參數(shù)傳輸?shù)囊?guī)則[11]。與其他通信方式不同,移動(dòng)通信具有信道特性差、環(huán)境干擾因素多、頻譜資源少、管理級(jí)別高的特點(diǎn)[12]。由于現(xiàn)有MavLink協(xié)議的設(shè)計(jì)主要面向低速率、大數(shù)據(jù)量的消息傳輸,無(wú)法滿足移動(dòng)通信的特點(diǎn),另外,此協(xié)議還存在擴(kuò)展性不強(qiáng)、不易于與外部傳感器進(jìn)行通信等問(wèn)題。

本文從通信協(xié)議的角度對(duì)基于移動(dòng)通信的微型無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究,并提出一種用于微型無(wú)人機(jī)自主巡航的新型移動(dòng)通信協(xié)議。

1 MUAV-MTP協(xié)議設(shè)計(jì)

由于不同地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度與可靠性差別較大,因此要求系統(tǒng)能夠適用于不同的傳輸層協(xié)議[13]。為了滿足實(shí)際開(kāi)發(fā)需求,將MUAV-MTP協(xié)議設(shè)計(jì)為支持TCP和UDP 2種傳輸層協(xié)議,方便用戶的不同選擇。

消息幀結(jié)構(gòu)如表1所示,共分為6個(gè)字段。其中開(kāi)始標(biāo)志、消息幀序號(hào)、消息ID和消息長(zhǎng)度字段都是int8_t類型,占用1 Byte。消息幀序號(hào)字段的表示范圍是[0,255],在發(fā)送消息幀時(shí)循環(huán)增加。保證消息幀在順序接收?qǐng)?zhí)行的同時(shí)計(jì)算丟包率,并在應(yīng)答時(shí)指明消息幀的編號(hào)。消息ID字段用來(lái)指明數(shù)據(jù)字段的解碼方式。針對(duì)不同消息所需傳輸參數(shù)相差大的問(wèn)題,采取消息幀不定長(zhǎng)形式,并加入消息長(zhǎng)度字段來(lái)確保消息幀的完整接收。每個(gè)消息幀的長(zhǎng)度范圍介于6 Byte～261 Byte。最后在消息幀末尾加入2 Byte校驗(yàn)位,保證消息幀的正確。

表1 MUAV-MTP消息幀結(jié)構(gòu) Byte

MUAV-MTP消息幀字段及數(shù)據(jù)類型如表2、表3所示。

表2 MUAV-MTP消息幀字段

表3 數(shù)據(jù)類型 Byte

MUAV-MTP協(xié)議中使用的數(shù)據(jù)類型包括字符、整數(shù)、無(wú)符號(hào)整數(shù)、單精度浮點(diǎn)數(shù)與二進(jìn)制流?？紤]到不同硬件平臺(tái)對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)格式存在差異,并且經(jīng)度、緯度、高度、速度等使用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行記錄的數(shù)據(jù)的取值范圍較為固定[14]。所以,將浮點(diǎn)數(shù)擴(kuò)大2倍～20倍后,轉(zhuǎn)為32位無(wú)符號(hào)整數(shù)再進(jìn)行傳輸。通過(guò)計(jì)算可知,上述方式傳輸?shù)慕?jīng)緯度及高度的精確度可以達(dá)到0.01 m,飛行速度、角速度等數(shù)據(jù)的精確度也完全可以滿足實(shí)際要求。

基于以上的幀結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)出基于TCP/UDP協(xié)議的移動(dòng)無(wú)人機(jī)自主飛行通信協(xié)議。滿足通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制、低空巡航等功能需求。同時(shí)保證協(xié)議的輕便性、可擴(kuò)充性與安全性。根據(jù)MUAV-MTP協(xié)議消息幀的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)消息幀的封裝流程如圖1所示。

圖1 消息幀的封裝流程

2 消息設(shè)計(jì)

2.1 消息類型

根據(jù)傳送消息內(nèi)容,將消息分為6個(gè)主要類型,如表4所示。其中,身份驗(yàn)證、狀態(tài)信息、命令應(yīng)答的消息幀長(zhǎng)度固定,控制命令、路線設(shè)置、傳感信息的消息幀長(zhǎng)度不固定。消息類型字段使用uint8_t類型來(lái)保存,占用1 Byte,最多可以使用256個(gè)消息類型,留有充足的擴(kuò)展空間。

表4 MUAV-MTP協(xié)議消息類型

2.2 路線設(shè)置消息

路線設(shè)置消息主要是傳輸無(wú)人機(jī)巡航路線信息。把巡航路線分割成由若干條線段相連的三維折線,將各個(gè)端點(diǎn)作為巡航點(diǎn)。通過(guò)一組巡航點(diǎn)信息來(lái)表示整條巡航路線的信息。

如表5所示,路線設(shè)置消息的第1個(gè)字段為巡航點(diǎn)數(shù)量字段,采用uint16_t類型,占2 Byte,最多可以保存2個(gè)～16個(gè)巡航點(diǎn)。第2個(gè)字段為模式字段,用來(lái)控制2個(gè)巡航點(diǎn)之間的飛行模式。接下來(lái)是一組巡航點(diǎn)信息,其中每個(gè)巡航點(diǎn)信息分為經(jīng)度字段、緯度字段、高度字段、到下一個(gè)巡航點(diǎn)的速度字段和當(dāng)前巡航點(diǎn)的編號(hào)字段。其中經(jīng)度、緯度、高度和速度字段采用float類型保存,分別占用4 Byte。巡航點(diǎn)編號(hào)字段采用uint16_t類型,占用2 Byte。由此,可以計(jì)算出每個(gè)巡航點(diǎn)占18 Byte,一個(gè)消息幀最多可以保存14個(gè)巡航點(diǎn)。如果路線巡航點(diǎn)的數(shù)量超過(guò)單消息幀上限,將分幀傳輸。無(wú)人機(jī)接收到路線設(shè)置消息幀后,根據(jù)編號(hào)字段依次記錄巡航點(diǎn)信息。

表5 路線設(shè)置消息數(shù)據(jù)格式 Byte

路線設(shè)置消息的另一個(gè)功能是從服務(wù)器向客戶端發(fā)送無(wú)人機(jī)附近禁飛區(qū)信息。與巡航路線類似,用一組由原點(diǎn)與半徑組成的圓形區(qū)域來(lái)表示禁飛區(qū)。數(shù)量、編號(hào)、經(jīng)度和緯度字段意義不變,模式字段取固定值0xFE作為標(biāo)志。使用高度字段保存禁飛半徑、速度字段來(lái)保存警告半徑,從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)路線設(shè)置消息更新客戶端禁飛區(qū)信息。

2.3 狀態(tài)信息與傳感信息

狀態(tài)信息與傳感信息保存的是無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)。將實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)使用狀態(tài)信息數(shù)據(jù)格式保存,作為心跳包實(shí)時(shí)發(fā)送。而其他飛行數(shù)據(jù)作為傳感器信息,根據(jù)實(shí)際需求狀況間歇性進(jìn)行發(fā)送。這樣一方面減少數(shù)據(jù)傳輸量,另一方面又保證了必要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

如表6所示,狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包括飛行狀態(tài)、飛行模式、經(jīng)度、緯度、高度和速度6個(gè)字段。作為心跳包定時(shí)傳輸,更新無(wú)人機(jī)狀態(tài)的同時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況。當(dāng)心跳包時(shí)間間隔為0.2 s時(shí),狀態(tài)信息消息幀大小為24 Byte,計(jì)算心跳包數(shù)據(jù)傳輸率為120 Byte/s。

表6 狀態(tài)信息數(shù)據(jù)格式 Byte

如表7所示,傳感信息消息幀用于傳輸除狀態(tài)信息數(shù)據(jù)外的各種無(wú)人機(jī)所搭載的傳感器和硬件設(shè)備的數(shù)據(jù),如攝像頭的視頻數(shù)據(jù)、電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)等。對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的可以采取分幀傳輸,首幀的幀編號(hào)為0,每發(fā)送一幀,幀編號(hào)加1,增加到65 535幀后返回0。用戶可以根據(jù)需要自行定義傳感器數(shù)據(jù)格式,理論上有效傳輸率可以達(dá)到96%。

表7 傳感信息數(shù)據(jù)格式 Byte

3 協(xié)議性能評(píng)估

3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計(jì)分析

在一般狀態(tài)下,MUAV-MTP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是#1狀態(tài)信息消息幀及少量#6傳感信息消息幀(如電池狀態(tài)等)。而MAVLink協(xié)議除了傳輸#0 HEARTBEAT外,也會(huì)大量傳輸#1 SYS_STATUS、#30 ATTITUDE、#32 LOCAL_POSITION_NED、#36 SERVO_OUTPUT_RAW、#74 VFR_HUD和#105 HIGHRES_IMU消息包,表8介紹了各消息包的內(nèi)容。如圖2所示,設(shè)置心跳包發(fā)送頻率為1 Hz,對(duì)比MUAV-MTP與MavLink 2種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸量,可以看出MUAV-MTP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸量遠(yuǎn)小于MavLink協(xié)議。

表8 部分MavLink協(xié)議消息格式

圖2 2種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸量

3.2 路線信息消息幀的驗(yàn)證

分別使用TCP和UDP協(xié)議驗(yàn)證MUAV-MTP路線信息的準(zhǔn)確性和傳輸效率。在實(shí)驗(yàn)中,兩者都可以完整地接收巡航點(diǎn)信息并還原路線信息。隨著巡航點(diǎn)的增多,傳輸巡航點(diǎn)信息所需時(shí)間的變化如圖3所示。TCP與UDP傳輸時(shí)間都成階梯型增長(zhǎng)。原因是由于單個(gè)路線信息消息幀最多保存14個(gè)巡航點(diǎn),每發(fā)送超過(guò)14個(gè)巡航點(diǎn)就需要分幀發(fā)送,因此TCP傳輸時(shí)間呈現(xiàn)明顯的階梯增長(zhǎng),而UDP傳輸時(shí)間增長(zhǎng)趨勢(shì)要小于TCP。需要注意的是,在發(fā)送路線信息消息幀時(shí),TCP連接已經(jīng)建立,同時(shí)UDP的丟包率小于5%。相比于主流的MavLink協(xié)議,MUAV-MTP協(xié)議面向于無(wú)人機(jī)-服務(wù)器-客戶端的遠(yuǎn)程移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制模型,如圖4所示。無(wú)人機(jī)無(wú)需搭載微波接收器,從根本上避免了無(wú)人機(jī)通過(guò)微波被劫持的情況[15]。同時(shí),通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信,無(wú)人機(jī)的IP地址是動(dòng)態(tài)分配的,具有一定的不可預(yù)測(cè)性[16],有效地避免了針對(duì)無(wú)人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)攻擊,通信安全性大大提高。

圖3 路線信息消息幀傳輸效率

圖4 無(wú)人機(jī)-服務(wù)器-客戶端通信模型

MUAV-MTP協(xié)議針對(duì)自主飛行的需求加入了路線設(shè)置和部分控制命令,刪除了MavLink協(xié)議中姿態(tài)調(diào)整等較為底層的內(nèi)容,屏蔽了部分原始數(shù)據(jù),使協(xié)議更為簡(jiǎn)潔并具有良好的封裝性。MUAV-MTP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量主要取決于心跳包的發(fā)送頻率及傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行彈性調(diào)整。除此之外,服務(wù)器也可以參與通信,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄保存,幫助完善無(wú)人機(jī)飛行的合法化、規(guī)范化。

本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新在于:

1)提出了MUAV-MTP協(xié)議,該協(xié)議基于對(duì)MavLink協(xié)議的重新解析,簡(jiǎn)化了指令集,更加適用于移動(dòng)通信環(huán)境。

2)在原有協(xié)議基礎(chǔ)上,MUAV-MTP協(xié)議新定義了巡航指令,可以傳輸自主飛行需要的信息和高級(jí)命令。

3) MUAV-MTP協(xié)議具有良好的兼容性和魯棒性,能夠更為方便地傳輸無(wú)人機(jī)搭載的傳感器的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)有MavLink協(xié)議的設(shè)計(jì)主要面向低速率、大數(shù)據(jù)量的消息傳輸,存在移動(dòng)通信信道特性差、環(huán)境干擾因素多、頻譜資源少等特點(diǎn),本文通過(guò)對(duì)基于移動(dòng)通信的微型無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究,提出一種可以用于微型無(wú)人機(jī)自主巡航的新型移動(dòng)通信協(xié)議。相比于主流的MavLink協(xié)議,MUAV-MTP協(xié)議面向于無(wú)人機(jī)-服務(wù)器-客戶端的遠(yuǎn)程移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制模型,無(wú)人機(jī)無(wú)需搭載微波接收器,從根本上避免了無(wú)人機(jī)通過(guò)微波被劫持的情況[15]。同時(shí),通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信,無(wú)人機(jī)的IP地址是動(dòng)態(tài)分配的,具有一定的不可預(yù)測(cè)性[16],有效地避免了針對(duì)無(wú)人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)攻擊,提高了通信安全性。

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