基于MAVLink消息自定義的無(wú)人機(jī)電力巡線中繼通信方案

關(guān)家華，凌忠標(biāo)，孔祥軒，陳君宇，林曉璇

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局，廣東 佛山 530006）

0 引言

無(wú)人機(jī)具有靈活性高、成本低及可拓性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)施巡檢等作業(yè)[1]；但目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)巡檢中還存在通信能力低、地形影響大、偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善等問(wèn)題[2]。

無(wú)人機(jī)通信方案有多種選擇，如采用3DR Radio數(shù)傳模塊，但其通信距離不足[3]；也有采用4G中繼通信方式，但其通信覆蓋度不夠且通信高度受限[4]；軍用無(wú)人機(jī)常選用衛(wèi)星通信方式，但是其成本高，且民用衛(wèi)星資源較少[5]。無(wú)人機(jī)通信協(xié)議也有多種選擇，如采用整體性能最佳的鏈路優(yōu)先的路由選擇協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)云端地面控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)距離通信，但需要高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)作為中繼基站[6]；也可采用時(shí)分雙工（time division duplex,TDD）通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)電臺(tái)的單載波全雙工測(cè)控方式，但其通信鏈路搭建復(fù)雜、時(shí)效性弱[7]；MAVLink（micro air vehicle link）通信協(xié)議在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域得到了較為廣泛的運(yùn)用[8]，基于MAVLink協(xié)議設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)地面監(jiān)測(cè)終端可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中位置、飛行姿態(tài)及系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)的解析及上傳[9]，但其無(wú)法較好地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中數(shù)據(jù)通信和中繼通信。

本文提出一種基于MAVLink協(xié)議、消息自定義的無(wú)人機(jī)電力巡線通信系統(tǒng)方案，其采用高性能無(wú)線型數(shù)傳模塊，并與MAVLink v2.0通信協(xié)議相結(jié)合，能夠較好地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的數(shù)據(jù)通信和中繼通信。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)電力巡線通信系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)群、中繼通信基站和云端地面控制系統(tǒng)（cloud ground control system，CGCS）組成，如圖1所示；搭載了無(wú)線數(shù)傳模塊的無(wú)人機(jī)和中繼通信基站是本系統(tǒng)主要組成部分。地面中繼通信基站采用帶狀分布，可通過(guò)4G蜂窩或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)等方式與云端地面控制系統(tǒng)建立通信，將無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)流傳送到云端地面控制系統(tǒng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析并處理，之后存入服務(wù)器中。服務(wù)器作為空中管理資料庫(kù)，可提高空中無(wú)人機(jī)飛行空域管理的安全性，協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)之間的飛行調(diào)配。當(dāng)無(wú)人機(jī)需要在稍超出地面中繼基站信號(hào)范圍的地方作業(yè)時(shí)，可通過(guò)另一架無(wú)人機(jī)作為空中中繼基站來(lái)傳輸通信指令，擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的通信范圍，這是對(duì)地面中繼基站的一種補(bǔ)充通信方式。

圖1 無(wú)人機(jī)電力巡線通信系統(tǒng)整體構(gòu)成Fig. 1 Integral composition of the UAV power line patrol communication system

2 系統(tǒng)通信方案

系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)在空中通過(guò)RFD900X通信模塊與中繼基站通信，中繼基站再通過(guò)4G或以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到云端地面控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通信鏈路采用MAVLink通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。

2.1 MAVLink協(xié)議

MAVLink是一種非常輕量級(jí)的通信協(xié)議，在本系統(tǒng)中用于無(wú)人機(jī)通過(guò)地面中繼基站與云端地面控制系統(tǒng)的通信，以及無(wú)人機(jī)之間的通信。Lorenz Meier 于 2009年首次發(fā)布該協(xié)議，隨后分別于2013 年和2017 年發(fā)布了 MAVLink v1.0和MAVLink v2.0。MAVLink提供了檢測(cè)數(shù)據(jù)包的丟失損壞和數(shù)據(jù)包身份驗(yàn)證的方法。MAVLink中的common.xml定義了大多數(shù)地面控制系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀通信的參考消息，也可自行拓展添加消息集至XML文件。

本系統(tǒng)采用MAVLink v2.0協(xié)議（表1），其包含了長(zhǎng)度為1字節(jié)的發(fā)射端系統(tǒng)ID與長(zhǎng)度為1字節(jié)的接收端部件ID，用于區(qū)分通信網(wǎng)絡(luò)上的ID，通過(guò)解算消息流可獲取發(fā)送端與接收端信息；擁有3字節(jié)的消息包ID用于數(shù)據(jù)解碼以獲取消息對(duì)象，可獲取數(shù)據(jù)包的自定義信息；MAVLink數(shù)據(jù)包用于在MAVLink網(wǎng)絡(luò)上標(biāo)明系統(tǒng)和組件的ID、飛機(jī)類(lèi)型、飛行堆棧、組件類(lèi)型和飛行模式等通信信息，并用于廣播系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)及通信主體的類(lèi)型和相關(guān)屬性的分辨。通過(guò)MAVLink v2.0協(xié)議，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)ID編號(hào)、姿態(tài)信息、航向、經(jīng)緯度、水平速度、垂直速度及無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的解析及通信。

表1 MAVLink v2.0數(shù)據(jù)包格式Tab. 1 MAVLink v2.0 packet format

2.2 無(wú)人機(jī)回傳數(shù)據(jù)信息

在無(wú)人機(jī)的飛控端設(shè)置MAVLink協(xié)議棧軟件，用于抓取無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并用MAVLink協(xié)議封包成二進(jìn)制數(shù)據(jù)包后通過(guò)無(wú)線設(shè)備傳至中繼通信基站中。通信基站通過(guò)對(duì)協(xié)議解包，獲取無(wú)人機(jī)的ID編號(hào)。若消息無(wú)誤，數(shù)據(jù)包將通過(guò)TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)至CGCS[10]；若消息有誤或消息中ID不在CGCS備案ID中，就忽略該消息不做處理。在CGCS處理完無(wú)人機(jī)的MAVLink消息后，如要做出相應(yīng)的控制，則將封包后的MAVLink消息通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)綆в邢鄳?yīng)無(wú)人機(jī)ID編號(hào)的中繼通信基站。CGCS的MAVLink數(shù)據(jù)包直接通過(guò)中繼通信基站進(jìn)行無(wú)線電轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)人機(jī)端。本方案是串式通信，相比于三方通信，串式通信系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)上的指向會(huì)更清晰。圖2為無(wú)人機(jī)群、中繼通信基站和云端地面控制系統(tǒng)的串式通信框架。

圖2 系統(tǒng)通信協(xié)議棧構(gòu)成Fig. 2 System communication protocol stack

無(wú)人機(jī)群與中繼通信基站使用RFD900X數(shù)傳模塊連接，數(shù)傳通信采用無(wú)線電的廣播通信。對(duì)于無(wú)人機(jī)群的通信，要配合相應(yīng)的無(wú)人機(jī)ID編號(hào)，以防止無(wú)人機(jī)間的通信干擾問(wèn)題。無(wú)人機(jī)發(fā)送MAVLink消息時(shí)，會(huì)將自身的ID編號(hào)裝進(jìn)MAVLink消息的系統(tǒng)ID幀中。中繼通信基站解算得出MAVLink消息來(lái)源于哪一臺(tái)無(wú)人機(jī)并記錄在中繼通信基站無(wú)人機(jī)群標(biāo)簽中，用于劃分無(wú)人機(jī)群歸屬，同時(shí)將無(wú)人機(jī)群標(biāo)簽定時(shí)上傳到CGCS中；MAVLink解包協(xié)議分析其目標(biāo)編號(hào)部件ID是否為CGCS編號(hào)，若無(wú)誤，將消息轉(zhuǎn)發(fā)至CGCS；若有誤，則視為系統(tǒng)外的消息，不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。云端地面控制軟件也會(huì)根據(jù)各個(gè)中繼基站上傳的無(wú)人機(jī)群ID標(biāo)簽將相應(yīng)的控制消息命令傳輸?shù)较鄳?yīng)的中繼通信基站進(jìn)行無(wú)線電廣播通信。若無(wú)人機(jī)群ID標(biāo)簽有缺失，則針對(duì)該失聯(lián)無(wú)人機(jī)進(jìn)行失聯(lián)呼叫通信。

2.3 RFD900X無(wú)線電數(shù)傳模塊

遠(yuǎn)距離信息通信常用4G通信技術(shù)，其具有通信成本低、距離遠(yuǎn)、信號(hào)傳輸快速便捷等優(yōu)勢(shì)[11]；但4G通信技術(shù)受高度限制，且4G網(wǎng)絡(luò)不能完全覆蓋山區(qū)、森林等地區(qū)。普通無(wú)人機(jī)通信常用3DR Radio數(shù)傳模塊，該模塊通信穩(wěn)定，適合作為大多數(shù)無(wú)人機(jī)通信；但該模塊功率低、通信距離不足。

由于無(wú)人機(jī)在電力巡線作業(yè)中容易遇到信號(hào)強(qiáng)度低于無(wú)線電正常接收所需最小信噪比的無(wú)線弱場(chǎng)區(qū)域，如高山、樹(shù)林、大型建筑旁等，這些地形附近的電磁波會(huì)被阻擋、反射，信號(hào)收集會(huì)遇到障礙，存在用戶(hù)信息通信不穩(wěn)定、信號(hào)差等情況[12]，因此，需要采用接收效果好、功率大、濾波效果好的硬件——無(wú)線電通信模塊。本方案選擇RFD900X型無(wú)線電數(shù)傳模塊，其為美國(guó)RF Micro Devices公司研發(fā)的一款高性能、低功耗、可調(diào)節(jié)發(fā)射頻率的通信模塊，最大功率為1 W，采用增益大于20 dB的低噪聲放大器，室外直線通信距離可達(dá)40 km；其發(fā)射電路采用增益大于20 dB的低噪聲放大器設(shè)計(jì)并加入低通濾波單元，支持本地電臺(tái)AT命令配置和遠(yuǎn)程電臺(tái)的RT命令配置并具有雙天線接口，天線分集及差異化天線配置使其可很好地完成系統(tǒng)通信功能。

表2給出了各通信技術(shù)性能對(duì)比，相比而言，RFD900X無(wú)線電數(shù)傳模塊在通信距離、信號(hào)強(qiáng)度和濾波能力上都有優(yōu)勢(shì)。

表2 各通信技術(shù)性能對(duì)比Tab. 2 Performance comparison of communication technologies

此外，RFD900X無(wú)線電數(shù)傳模塊的軟件特性有助于保障傳輸?shù)陌踩约翱煽啃?，主要包括：跳頻擴(kuò)頻的串行連接，AT命令配置本地電臺(tái)，RT命令配置遠(yuǎn)程電臺(tái)，可在設(shè)備間遵循MAVLink協(xié)議將無(wú)線電通信狀態(tài)（本地?cái)?shù)傳信號(hào)強(qiáng)度、遠(yuǎn)程數(shù)傳信號(hào)強(qiáng)度、本地噪聲及遠(yuǎn)程噪聲等系數(shù)）相互通信，并可根據(jù)數(shù)傳溫度軟件調(diào)節(jié)供電電流的占空比來(lái)避免模塊過(guò)熱。

3 系統(tǒng)中繼方案

本系統(tǒng)采用中繼通信的方法來(lái)增加通信范圍，主要為兩種中繼方式：地面中繼基站通信及無(wú)人機(jī)空中中繼，其中無(wú)人機(jī)空中中繼作為地面中繼基站通信在距離不足時(shí)的補(bǔ)充。

3.1 地面中繼基站設(shè)置

電力線路以線狀長(zhǎng)線路為主，本方案中采用了帶狀中繼基站設(shè)置的方案以節(jié)省中繼基站設(shè)置的成本，如圖3所示。本方案中，RFD900X型無(wú)線數(shù)傳模塊的室外通信距離為40 km，但考慮到室外無(wú)線弱場(chǎng)區(qū)域以及功率衰減等因素影響，在高壓輸送線路中每隔30 km設(shè)置一個(gè)中繼通信基站，且由于無(wú)人機(jī)巡線飛行高度遠(yuǎn)小于30 km，因此可忽略高度對(duì)傳輸距離的影響，從而保證了無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中可一直處于良好信號(hào)收發(fā)狀態(tài)。

圖3 帶狀基站設(shè)置圖Fig. 3 Band base station setup diagram

3.2 無(wú)人機(jī)中繼

本系統(tǒng)采用了長(zhǎng)傳輸距離的RFD900X型數(shù)傳模塊，地面中繼基站信號(hào)覆蓋半徑達(dá)40 km，可滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)電力巡線中的絕大部分任務(wù)；但當(dāng)無(wú)人機(jī)需要在信號(hào)覆蓋范圍以外的區(qū)域執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)，其控制命令和無(wú)人機(jī)信息無(wú)法送達(dá)中繼基站，影響了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

無(wú)人機(jī)中繼是采用空中無(wú)人機(jī)作為中繼基站。地面中繼基站將通信指令通過(guò)空中的無(wú)人機(jī)作為中繼基站傳輸至目標(biāo)無(wú)人機(jī)，從而完成指令傳輸工作，可克服距離上的障礙，達(dá)到執(zhí)行更多任務(wù)的目的。本系統(tǒng)中無(wú)人機(jī)搭載的RFD900X無(wú)線電數(shù)傳模塊可增加信號(hào)覆蓋面積，但其中地面中繼基站是固定的，在某些沒(méi)有信號(hào)覆蓋的區(qū)域，需采用無(wú)人機(jī)中繼通信；在無(wú)人機(jī)多機(jī)工作時(shí)，對(duì)信號(hào)弱的區(qū)域，無(wú)人機(jī)中繼通信也可起到通信距離上的補(bǔ)充作用。圖4為無(wú)人機(jī)與地面中繼基站通信時(shí)的示意圖，無(wú)人機(jī)可在中繼基站通信范圍內(nèi)正常通信；圖5是采用無(wú)人機(jī)中繼通信的示意圖，無(wú)人機(jī)飛出中繼基站通信范圍后需通過(guò)另一臺(tái)無(wú)人機(jī)中繼通信來(lái)完成整體通信過(guò)程。

圖4 正常無(wú)人機(jī)通信Fig. 4 UAV normal communication

圖5 無(wú)人機(jī)中繼通信Fig. 5 UAV relay communication

3.3 無(wú)人機(jī)尋找

無(wú)人機(jī)失聯(lián)是無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離控制中容易出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，具體情況為無(wú)人機(jī)處于數(shù)傳信號(hào)輻射半徑以外后，地面中轉(zhuǎn)基站無(wú)法直接聯(lián)系到，這是很危險(xiǎn)的。在無(wú)人機(jī)失聯(lián)時(shí)，可采用無(wú)人機(jī)作為中繼基站的方法，通過(guò)云端服務(wù)器數(shù)據(jù)管理，查詢(xún)最近無(wú)人機(jī)的位置，進(jìn)行目標(biāo)無(wú)人機(jī)尋找。

在本系統(tǒng)中，云端地面控制系統(tǒng)將通過(guò)TCP/IP協(xié)議向所有中繼基站發(fā)送控制指令；各中繼基站獲取控制指令后，以MAVLink協(xié)議方式在各自領(lǐng)域內(nèi)廣播。目標(biāo)ID無(wú)人機(jī)若收到控制指令，將執(zhí)行指令任務(wù)并回復(fù)；當(dāng)目標(biāo)無(wú)人機(jī)不在中繼信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)服務(wù)器數(shù)據(jù)管理庫(kù)，獲取最后一次目標(biāo)ID無(wú)人機(jī)定位坐標(biāo)，距離最近的無(wú)人機(jī)將會(huì)作為中繼基站來(lái)尋找目標(biāo)無(wú)人機(jī)，直至獲取到目標(biāo)無(wú)人機(jī)信息。指令通過(guò)MAVLink返回到中繼基站，若附近無(wú)中繼基站，將通過(guò)最近無(wú)人機(jī)作為臨時(shí)中繼返回指令，并最終回饋到云端地面控制系統(tǒng)中，完成信息流的執(zhí)行。圖6示出無(wú)人機(jī)失聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向。

圖6 無(wú)人機(jī)失聯(lián)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向Fig. 6 Data flow of the system when UAV loses contact

4 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證該方案的實(shí)際使用效果，通過(guò)實(shí)際飛行測(cè)試了無(wú)人機(jī)在多個(gè)基站間的飛行通信信息交互情況，如圖7所示。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際飛行的路徑分別與3臺(tái)地面中轉(zhuǎn)基站通信，并響應(yīng)基站的指令（如：降落、起飛等自定義MAVLink消息）。本次實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)成功與3臺(tái)地面中繼基站通信，并返回至云端地面控制系統(tǒng)，且可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中調(diào)度無(wú)人機(jī)執(zhí)行命令，通信鏈路穩(wěn)定。

圖7 測(cè)試場(chǎng)地Fig. 7 Test site

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)空中無(wú)人機(jī)通信方案通信距離短、4G信號(hào)覆蓋不完全等不足，本文提出一種基于MAVLink消息自定義的無(wú)人機(jī)電力巡線中繼通信系統(tǒng)方案，其采用無(wú)線電數(shù)傳模塊為基本數(shù)傳單元，并與MAVLink通信協(xié)議相結(jié)合，通過(guò)地面中繼通信基站帶狀設(shè)置、區(qū)域覆蓋無(wú)線電信號(hào)通信，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中數(shù)據(jù)的解析及通信。無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)流被傳送到云端地面控制系統(tǒng)并將服務(wù)器作為空中管理資料庫(kù)，加強(qiáng)了空中管理的措施，強(qiáng)化了對(duì)無(wú)人機(jī)的控制和無(wú)人機(jī)之間的飛行調(diào)配；無(wú)人機(jī)中繼基站的應(yīng)用提升了系統(tǒng)通信的范圍和靈活性。作為一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，文章討論了無(wú)人機(jī)失聯(lián)時(shí)無(wú)人機(jī)空中中繼方案。整個(gè)中繼通信系統(tǒng)有助于無(wú)人機(jī)在電力設(shè)施巡檢中的應(yīng)用，為無(wú)人機(jī)空中通信提供了一種切實(shí)可行的方案，有很好的發(fā)展前景。后續(xù)，本方案可進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)中繼基站連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。