發(fā)布時間：2021-07-14所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：本文在對比分析了消費類無人機市場主流的圖傳技術(shù)后，選擇在傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳技術(shù)基礎上采用點到點協(xié)議通過靜態(tài)IP與串口的配置，完成了點到點鏈路的驗證與建立，從而實現(xiàn)了機載電腦TX2與地面端電腦的直接通信。實驗結(jié)果表明，改進后的圖傳傳輸距離可達1-
摘 要：本文在對比分析了消費類無人機市場主流的圖傳技術(shù)后，選擇在傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳技術(shù)基礎上采用點到點協(xié)議通過靜態(tài)IP與串口的配置，完成了點到點鏈路的驗證與建立，從而實現(xiàn)了機載電腦TX2與地面端電腦的直接通信。實驗結(jié)果表明，改進后的圖傳傳輸距離可達1-2公里，幀數(shù)可達15FPS，單個節(jié)點帶寬為350KB/S，延時為0.15秒，在綜合性能上表現(xiàn)優(yōu)越。
關(guān)鍵詞：無人機;圖傳鏈路;Wi-Fi;點到點協(xié)議
1引言
2016年無人機一躍進入中國大眾消費的視野，無人機的圖傳[1]發(fā)展歷程從早期的空中攝錄到后來的實施攝錄豐富的圖傳功能無疑為無人機開辟了廣闊的應用領(lǐng)域。但現(xiàn)有的圖傳技術(shù)很難在成本、傳輸距離、清晰度、帶寬、延時等多個因素上達到一個合理的期望。
縱觀消費類無人機市場上圖傳技術(shù)，目前主流的是以大疆為代表的自研LightBridge2[2]圖傳技術(shù)，OFDM[3]/COFDM[4]圖傳技術(shù)，Wi-Fi[5]圖傳技術(shù)，和4G/5G[6]圖傳技術(shù)，它們各有千秋，下面對主流圖傳技術(shù)做出分析比較：
(1)OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，對高性能的無線通信網(wǎng)絡來說是一個比較合適的選擇，主要工作在IEEE802.11標準的ISM頻段上。由于OFDM調(diào)制方式在頻率選擇性衰落信道上仍能保持高帶寬和高能效[4]，因此許多國際標準協(xié)議都采用這樣一項技術(shù)。OFDM調(diào)制技術(shù)對突發(fā)噪聲，隨機噪聲，多徑失真，以及衰落環(huán)境等不利因素都具有較強的抵抗性[3]，并且在傳輸距離、視頻流質(zhì)量、延時、帶寬方面都得到保證[4]，但不足之處就是建設成本高，技術(shù)要求很高，這也就是OFDM圖傳技術(shù)常常被用于大型工程的原因[7]。
(2)Lightbridge2是大疆自研的專用通信鏈路技術(shù)，可實現(xiàn)幾乎“零延時”的720P高清傳輸，距離可達3公里，在無干擾的情況下甚至可達5公里。雖然工作頻段和Wi-Fi一樣在IEEE802.11b上，等效全向輻射功率100mW。但Lightbridge2與其他無人機廠商(如Yuneec，Blade，3DR)使用的標準Wi-Fi圖傳技術(shù)存在很大差異：Lightbridge2技術(shù)使用單向圖像數(shù)據(jù)傳輸，類似于電視廣播塔的數(shù)據(jù)傳輸形式，這也就解決了傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳技術(shù)的缺陷:雙向握手機制導致Wi-Fi圖傳無法實時傳輸航拍畫面，任何一個字節(jié)的傳輸錯誤都會導致字節(jié)包重新傳輸。
LightBridge2除了單向傳輸特性，DJI圖傳還需要固定DJIFLY應用軟件接收，因此難以進行應用的二次開發(fā)，只能用于航拍這一類。以此，DJIA3飛控遜于Pixhawk飛控的開放性決定了開發(fā)者無法根據(jù)自己的需求去讓DJI無人機執(zhí)行更復雜的任務。
(3)Wi-Fi圖傳技術(shù)，是無人機最重要的一項技術(shù)。工作頻段在IEEE802.11b，工作于2.4GHz并能提供最大傳輸速率的無線局域網(wǎng)(WLAN)。在諸多無人機的垂直領(lǐng)域內(nèi)，圖畫傳輸?shù)膶崟r性、穩(wěn)定性與抗干擾性[8]是重要參數(shù)，因此作用于無線圖傳中的Wi-Fi模塊成為確保圖像傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
Wi-Fi圖傳最大的優(yōu)點就是建設成本低，對于技術(shù)要求不那么苛刻。但缺點也很明顯：數(shù)據(jù)傳輸需要發(fā)送端與接收端先建立起通訊握手機制，每個數(shù)據(jù)包的傳輸必須完整無誤，任何一個字節(jié)的丟失都會導致整個數(shù)據(jù)包重新發(fā)送，這導致了Wi-Fi圖傳延時;Wi-Fi傳輸?shù)牧硗怙柺茉嵅〉脑蚴牵篧i-Fi圖傳的通信都必須經(jīng)過中心節(jié)點。
(4)4G/5G圖傳技術(shù)在電力巡檢、海上救援等領(lǐng)域初顯鋒芒[8]，在無人機系統(tǒng)上目前也得到了廣泛的應用，應用的方式大多為基于多路徑多層架構(gòu)[6]的圖傳系統(tǒng)。
4G/5G圖傳有很明顯的優(yōu)點：圖像與視頻流的傳輸質(zhì)量很高，延時很低[8]。但缺點也很明顯：它也會也受到基站的影響：在網(wǎng)絡基站覆蓋率較低的區(qū)域，4G/5G信號會很差從而影響圖傳性能;另一個制約4G/5G圖傳技術(shù)的就是流量費用。接下來將四種圖傳技術(shù)性能做出對比，如表1所示。
針對不同需求不同成本等因素可以考慮下列可行方案：
(1)對于只需要做圖像接收這一類，而不需要進行二次開發(fā)：選擇DJI的LightBridge2技術(shù)，可以實現(xiàn)遠距離的圖像傳輸，并且在圖傳質(zhì)量和延時、帶寬等因素上自主選擇，支持多個地面端設備接收圖像。
(2)對于需要對圖傳技術(shù)進行二次開發(fā)，但成本相對要求較低：選擇Wi-Fi圖傳技術(shù)，可以選擇市場上成熟的Wi-Fi圖傳設備，也可以自行購買Wi-Fi圖傳設備并根據(jù)技術(shù)與需求構(gòu)建自己的圖傳鏈路，適用于中近距離并有需求可以完成相應深度學習任務的工作。
(3)對于對成本沒有限制，對技術(shù)需求較高并且無人機需要執(zhí)行更多更復雜的任務，對于鏈路有強烈穩(wěn)定性需求：選擇OFDM或者是4G/5G圖傳技術(shù)。OFDM適用于大型工程：植被監(jiān)測、海洋工程;4G/5G圖傳技術(shù)適用于中大型工程：城鎮(zhèn)安保、電力巡檢、物流配送等。
本文系統(tǒng)中需要的圖傳技術(shù)是需要支持應用的二次開發(fā)，成本適中，對于圖傳的距離沒有很遠的需求，對于圖傳清晰度沒有硬性需求，因此本文鏈路的設計選擇Wi-Fi圖傳技術(shù)。
但Wi-Fi圖傳的巨大劣勢，決定了要對其進行改進。考慮到在傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳技術(shù)中，數(shù)據(jù)的傳輸必須經(jīng)過中心節(jié)點，我們的想法是設計一條鏈路繞過這些通信節(jié)點通信。因此考慮在鏈路層進行改進，并且由于圖傳模塊是全雙工模塊，PPP支持全雙工模塊的通信，因此PPP協(xié)議在鏈路建設中變得可行。
因此，本文提出在傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳技術(shù)的基礎上作改進，采用PPP(Point-to-PointProtocol)[9]的方案組建內(nèi)網(wǎng)，設計出一條PPP鏈路，使得無人機天空端機載電腦TX2和地面端電腦可以通過PPP鏈路實現(xiàn)直接通信[9]，無需再像傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳一樣經(jīng)過圖傳中心模塊，從而減少了傳輸?shù)难訒r。
本文以下內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：第一節(jié)列出了無人機圖傳鏈路建設的需求分析;第二節(jié)介紹PPP技術(shù)的原理、工作流程、優(yōu)勢，以及PPP協(xié)議在本系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法;第三節(jié)給出實驗測試結(jié)果;第四節(jié)為總結(jié)與展望。
2無人機圖傳鏈路建設需求分析
近年來，無人機在軍事、農(nóng)業(yè)、電力、航測、編隊等諸多方面發(fā)揮著越來越重要的作用，對于無人機圖傳鏈路的建設的需求越來越多，對于圖傳鏈路的質(zhì)量也越來越高。
2.1遠程控制需求
在無人機上部署深度學習算法并讓其執(zhí)行算法任務時，需要在地面端實時操控無人機上的機載電腦，這就要求地面端電腦與機載電腦盡可能在同一局域網(wǎng)下，以便通過NoMachine進行遠程連接，從而在地面端電腦上遠程控制[10]機載電腦。
2.2接口需求
遠端的無人機設備需要一些交互的接口、串口和通信手段，來實現(xiàn)對無人機系統(tǒng)的監(jiān)控與控制。通過一系列接口、串口的配置，完成各式數(shù)據(jù)的傳輸：圖像、視頻流、控制指令、飛控模塊數(shù)據(jù)等。另外還要求接口通用性強：有的時候需要傳輸支持TCP/IP的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)[11]，有的時候需要串口透明傳輸數(shù)據(jù)[11]、有的時候需要從無人機/無人車上上讀取各種傳感器數(shù)據(jù)。
2.3組網(wǎng)需求
在多臺無人機交互，或者是無人機與無人車交互時，希望可組網(wǎng)[12]供多個ROS節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，來完成諸如多機協(xié)同、無人機編隊等任務。另外希望通過TCP/IP組建通用網(wǎng)絡局域網(wǎng)，來滿足某些算法的運行需求。
2.4傳輸距離、帶寬、延時需求
對于復雜的飛行任務，無人機甚至會超過可控距離，因此對于圖傳鏈路的建設要求更高：一方面希望圖像傳輸?shù)木嚯x盡可能遠，并且具備一定的穿透性;一方面，希望鏈路的傳輸帶寬盡可能大，滿足從基本飛控數(shù)據(jù)、控制指令到圖像、視頻流的清晰傳輸;另一方面，在保證傳輸距離與帶寬的同時，對于低延時有同樣的需求。
因此，考慮到多項需求，決定在現(xiàn)有全雙工模塊基礎上進行改進：以往全雙工模塊的數(shù)據(jù)傳輸必須經(jīng)過中心節(jié)點，這大大增大了傳輸?shù)难訒r，增加了傳輸?shù)南摹Ｒ虼吮疚牡脑O計思路是基于全雙工模塊通過點到點協(xié)議的配置設計出一條連接機載電腦與地面端電腦的專屬通信鏈路。
3圖傳鏈路PPP技術(shù)的實現(xiàn)
3.1PPP協(xié)議原理
PPP是Point-to-PointProtocol[13]，即為點到點協(xié)議，主要用處為全雙工模塊的同/異步傳輸[13]。它是一個數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，事實上任何串行接口，只要能夠支持全雙工通信方式，都可以支持PPP協(xié)議。而且，PPP協(xié)議對于串行接口的信息傳輸速率沒有特別的要求，只要串行鏈路兩端的串行接口在速率上一致就可以。目前PPP技術(shù)被廣泛應用在多媒體網(wǎng)絡[14]、網(wǎng)絡的加密、鏈路數(shù)據(jù)的傳輸?shù)确矫妗?/p>
PPP協(xié)議工作分為四個階段，即鏈路建立(LCP)[15]、認證階段(PAP/CHAP)、網(wǎng)絡層協(xié)商階段(NCP)、和鏈路終結(jié)階段(LCP)[13]。通過串行鏈路連接起來的本地接口和對接接口在上電之后，并不能馬上就開始互相發(fā)送攜帶有IP報文的網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)單元的PPP幀，必須經(jīng)過一系列復雜的協(xié)商過程(認證)。如圖1所示，PPP協(xié)議的基本工作流程如圖1所示。
第一階段：鏈路建立。在這個階段中PPP先使用LCP(鏈路控制協(xié)議)鏈路兩端建立連接，并動態(tài)協(xié)商一些參數(shù)，比如雙方使用的認證方式、是否支持壓縮和MLP(多鏈路捆綁)[16]。
第二階段：驗證。在這個階段，遠端的接入服務器接收到客戶端發(fā)去的身份，并且在該階段使用一種安全驗證方式避免第三方竊取數(shù)據(jù)或冒充遠程客戶接管與客戶端的連接[17]。在認證完成之前，禁止移動到網(wǎng)絡控制協(xié)議階段。如果認證失敗，認證者應該躍遷到鏈路終止階段。在這一階段里，最常用的認證協(xié)議有口令驗證協(xié)議和挑戰(zhàn)握手驗證協(xié)議[17]。
第三階段：網(wǎng)絡控制協(xié)議[18]。在這個階段，最主要的就是IP地址協(xié)商。如果是A已分配好靜態(tài)IP地址，那么路由器A發(fā)送Configure-Request給路由器B，那么B會確認并且返回一個Configure-Ack和Request給A，最終A確認并且協(xié)商成功。如果路由器A沒有固定IP地址，當路由器B發(fā)現(xiàn)A的地址是全0后，會告訴路由器A一個和B處于同一個子網(wǎng)段中的可以使用的地址[13]，之后路由器A發(fā)送Configure-Request會攜帶這個地址，之后的協(xié)商過程和靜態(tài)IP一樣。可以看出靜態(tài)IP的分配為IP的協(xié)商與PPP鏈路數(shù)據(jù)的通信提供了便利，省去了每次鏈路過程中建立需要動態(tài)IP分配的過程。如圖2，圖3分別表明了靜態(tài)IP分配與動態(tài)IP分配在IP地址協(xié)商過程中的不同：
第四階段：終止鏈路。當通信雙方中的某一方完成了數(shù)據(jù)傳輸，就會斷開PPP鏈路。因此點到點技術(shù)的優(yōu)勢很明顯：發(fā)送端設備發(fā)送數(shù)據(jù)后，它的任務已經(jīng)完成，不需要參與整個傳輸過程，這樣不會浪費發(fā)送端設備的資源也無需在乎傳輸內(nèi)容的正確與否。另外即使接收端設備關(guān)機或故障，點到點傳輸也可以采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進行緩沖。
3.2PPP技術(shù)的圖傳鏈路實現(xiàn)
在設計系統(tǒng)的時候，對于系統(tǒng)需要達到的效果定位是：
(1)遠程桌面，訪問機載計算機數(shù)據(jù)，啟動ROS節(jié)點。
(2)可以傳回攝像頭數(shù)據(jù)，可以供其它算法使用[19]。
(3)傳輸距離遠。
(4)組網(wǎng)并且每個節(jié)點間數(shù)據(jù)可以直接傳輸。
(5)傳輸帶寬要盡可能的寬。本系統(tǒng)有圖傳天空端模塊與地面端模塊(全雙工模塊)，地面端電腦，無人機，TX2.設想達到的功能是無人機上TX2連接圖傳模塊天空端，地面端電腦連接圖傳模塊地面端，最終無人機上TX2攝像頭實施拍攝的結(jié)果可以通過圖傳鏈路傳給地面端電腦，因此系統(tǒng)最終架構(gòu)如圖4所示。
步驟1：PPP協(xié)議的啟動
啟動PPP協(xié)議：RouterTest#configterminalEnterconfigurationcommands,oneperline.EndwithCNTL/Z.
RouterTest(config)#interfaceserial0/0
RouterTest(config-if)#encapsulationppp
RouterTest(config-if)#
PPP協(xié)議的啟動部署在圖傳天空端和地面端中，當模塊通電時會自動啟動PPP協(xié)議。
步驟2：AP/STA模式的配置
AP，AccessPoint[20]，提供無線接入服務，它是無線網(wǎng)絡的創(chuàng)建者并且允許其它無線設備接入，是網(wǎng)絡的中心節(jié)點，如無線路由器就是一個AP。在AP模式下，手機、電腦等設備的直接連接上模塊，方便對用戶的設備進行控制。本系統(tǒng)中將圖傳地面端模塊的AP/STA開關(guān)撥動在AP處，并將DeviceMode設置為AccessPoint模式。
STA，Station[20]，每一個連接到無線網(wǎng)中的終端都是一個STA，如手機、電腦、聯(lián)網(wǎng)的設備，以前常用的無線網(wǎng)卡也是處于STA模式之下。本系統(tǒng)中將圖傳天空端模塊的AP/STA開關(guān)撥動在STA處，并將DeviceMode設置為Station模式。
AP/STA模式的配置讓圖傳地面端成為中心節(jié)點，讓圖傳天空端成為站點，讓無人機上的TX2的攝像頭拍攝數(shù)據(jù)信息通過圖傳天空端信號中轉(zhuǎn)完成向圖傳地面端的實時傳輸。
步驟3：靜態(tài)IP地址分配
PPP協(xié)議實現(xiàn)的第三階段網(wǎng)絡層控制協(xié)商過程里網(wǎng)絡層參數(shù)(IP地址、DNS服務器IP地址、WINS服務器IP地址)驗證。首先驗證的為IP地址，有兩種方法：一種是鏈路未建立時動態(tài)IP分配，另一種則是鏈路建立前已經(jīng)完成靜態(tài)IP分配。圖傳模塊靜態(tài)IP地址的分配為PPP鏈路的建立提供了更迅速可靠的驗證方式，而動態(tài)IP的分配卻在PPP鏈路建立的時候消耗更多時間，雖然解決了沒有IP地址無法驗證的問題，但因為NoMachine在連接遠程桌面的時候需要TX2的靜態(tài)地址，所以TX2上的靜態(tài)IP地址分配實現(xiàn)了遠程桌面的顯示，方便了我們在地面端電腦上輸入指令控制無人機。所以總結(jié)下來，對路由器和TX2的靜態(tài)IP地址的分配既加速了鏈路建立的進程，又為遠程桌面控制提供了可行之處。所以靜態(tài)IP的分配優(yōu)于動態(tài)IP的自動獲取。
步驟4：網(wǎng)絡串口配置
串行接口使得數(shù)據(jù)一位一位地傳送，通信線路簡單是其特點，一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信，從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信。本系統(tǒng)中對圖傳天空端UART串口[21]的配置，實現(xiàn)了飛控Pixhawk4指令在圖傳鏈路中以PPP幀[13]的格式傳輸，進而完成了飛控數(shù)據(jù)傳輸給地面端的任務。
4實驗結(jié)果
最終建立了一條專門用于圖傳的PPP鏈路，與之前不同的是，建立后的鏈路直接實現(xiàn)了地面端電腦與天空端電腦的通信，而不需要經(jīng)過中心節(jié)點。如圖5，圖6所示。
由圖5和圖6可以看出，鏈路建立之前，無人機上圖像視頻流的拍攝主要是經(jīng)過TX2，通過圖傳天空端站點向圖傳地面端通信，再由圖傳地面端向地面端電腦傳輸。鏈路建立后無人機上圖像視頻流的傳輸以及Pixhawk4上的參數(shù)與控制指令等信息的傳遞直接通過TX2經(jīng)由PPP鏈路傳輸給地面端電腦，在增加傳輸帶寬的同時達到了降低延時的效果。
最終戶外測試結(jié)果表明，我們的圖傳最遠距離為1-2公里(無干擾或干擾較少的情況)，遠遠大于傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳的50-80m的限制，圖傳延時在0.15s左右。另外關(guān)于單個節(jié)點的傳輸情況詳細測試，如圖7所示。
圖7示意的過程為無人機拍攝圖像向地面端傳輸?shù)臏y試情況，RX為圖傳地面端接收數(shù)據(jù)的速度，TX為圖傳天空端傳輸給地面端的速度，為131KB/S，下行帶寬峰值在347.16KB/S，也遠超傳統(tǒng)Wi-Fi圖傳的200KB/S的帶寬，基本完成圖像的實時傳輸。
視頻清晰度達到720P左右，不支持1080P清晰度視頻的傳輸，總體可以實現(xiàn)清晰拍攝，如圖8所示。并且可以通過NoMachine連接TX2實現(xiàn)遠程桌面顯示與控制，從而讓無人機執(zhí)行其它任務。可擴展性更強，比如目標檢測，如圖9所示。
但本系統(tǒng)設計的鏈路經(jīng)過測試，尚存在如下的缺陷：
(1)外部存在無意的干擾，主要會受到同頻段Wi-Fi信號[22]、墻壁遮擋、靜電地磁場等帶來的干擾，表現(xiàn)為NoMachine連接遠程桌面時短暫信號的中斷,屏幕的卡頓。實驗場景分為無遮擋(學校操場)和有遮擋(教學樓間)，結(jié)果如表2。——論文作者：陳銳李致遠陳云芳張偉
本文來源于：《電子技術(shù)與軟件工程》雜志是面向電子技術(shù)與軟件工程專業(yè)人員，報道該領(lǐng)域前沿技術(shù)進展和最新科研成果，介紹產(chǎn)品開發(fā)的新工具、新方法及典型案例，促進電子技術(shù)與計算機軟件工程交叉學科發(fā)展。設有：網(wǎng)絡通信技術(shù)、軟件開發(fā)與應用、電子技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機與多媒體技術(shù)、自動化控制、電力電子、信息技術(shù)與安全等欄目。
