一种用于无人机的机载计算机及无人机控制系统的制作方法

1.本发明涉及计算机技术领域，更具体地，涉及一种用于无人机的机载计算机及无人机控制系统。


背景技术：

2.个人计算机及手持移动设备的功能模块大都是固定的，而无人机上的机载计算机则不一样，其需要根据具体的任务需求进行功能定制。由于无人机上的机载计算机面向的应用场合不同，其对主控芯片的选型的侧重点也不同。研究发现，航空航天领域使用的计算机通常其采用的主控芯片的主频非常低(相对于个人计算机而言)，一方面是由于功耗方面和芯片抗辐射方面的限制，另一方面也说明实际上无人机上的机载计算机对计算能力的要求并不高，而是对通讯接口、io端口等的需求量比较大；另外，航空航天领域的计算机最重要的一个需求特点是很高的可靠性，理论上在同样的外部条件(环境工艺等)下，一块芯片的集成的晶体管越多，芯片的可靠度越低，因而无人机上的机载计算机设计的一个准则是刚刚好满足需求即可(刚好够用)，并且整体硬件系统越简单越好以减少系统失效的可能。
3.因而，急需研发一种用于无人机的机载计算机及无人机控制系统以满足应用需求。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种支持多源异构感知数据汇聚与多网接入的网关设备的新技术方案。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种用于无人机的机载计算机，包括：机载主机、可控电源扩展模块、交换机模块以及hdmi采集模块；所述可控电源扩展模块分别与所述机载主机、所述hdmi采集模块以及所述交换机模块连接，以向所述机载主机、所述hdmi采集模块以及交换机模块供电；所述hdmi采集模块通过rj45网线连接所述交换机模块，所述交换机模块通过rj45网线连接所述机载主机以实现数据交互；所述hdmi采集模块的hdmi接口通过hdmi线连接机载摄像头。
6.可选地，所述机载主机包括：处理器，与所述处理器连接的cpu单元、gpu单元、内存单元、emmc存储单元、网络接口、usb接口、i/o接口、hdmi及调试接口以及电源接口，其中，所述机载主机通过所述电源接口连接所述可控电源扩展模块，所述机载主机通过所述网络接口连接所述交换机模块。
7.可选地，所述机载主机采用的处理器型号为nvidia jetson xavier nx，所述机载主机采用的cpu单元为6-core nvidia carmel64-bit cpu，所述机载主机采用的gpu单元为384-core nvidia volta
tm gpu@1100mhz with 48tensor cores；
8.或者，所述机载主机采用的处理器型号为nvidia jetson nano，所述机载主机采用的cpu单元为4-core arm cortex-a57，所述机载主机采用的gpu单元为128-core nvidiamaxwell
tm gpu@921mhz。
9.可选地，所述可控电源扩展模块为2s电源扩展模块或者12s电源扩展模块，所述2s电源扩展模块的电源输入电压范围为7v-26v，所述12s电源扩展模块的电源输入电压范围为15v-60v。
10.根据本发明的第二方面，提供了一种无人机控制系统，包括：如本发明的第一方面所述的用于无人机的机载计算机，无人机飞控装置、机载摄像头以及机载地面站，所述用于无人机的机载计算机分别与所述机载摄像头和所述无人机飞控装置连接以获取实时视频流数据和无人机飞控数据，所述用于无人机的机载计算机将处理得到的融合视频数据发送至所述机载地面站。
11.可选地，所述系统还包括由图传天空终端和图传地面终端构成的图传通信链路，所述用于无人机的机载计算机将处理得到的融合视频数据通过所述图传天空终端发送至所述图传地面终端，再经所述图传地面终端传送至所述机载地面站。
12.可选地，所述图传天空终端通过视频接口与所述用于无人机的机载计算机的交换机模块的网口连接，所述图传天空终端的电源接口与所述用于无人机的机载计算机的可控电源扩展模块的电源输出接口连接。
13.可选地，所述图传地面终端的网络接口通过gh口转网口线与所述机载地面站连接，所述图传地面终端的电源输入接口与直流电源直连。
14.可选地，所述图传地面终端为便携式可移动终端，所述图传地面终端上还设有遥控信号输入接口、数传数据输出接口以及电源输出接口。
15.可选地，所述系统还包括多个视频应用终端，所述机载地面站将接收的融合视频数据转推至多个视频应用终端以实现应用处理。
16.根据本发明公开的一个实施例，具有如下有益效果：
17.本发明的用于无人机的机载计算机是一款高性能的嵌入式机载计算机，其尺寸轻巧，具备丰富的接口，同时可搭配扩展模块实现接口拓展；支持采用udp协议进行视频传输，其传输延时从10s以上降至5s以下，为应急处理提供宝贵时间；支持多链路的传输自由的切换；支持通过建立虚拟网络通过心跳包检测各网络的健康状况，自动用一条或多条可用的网络，对应用侧做到透明无感；视频图片能够融合后发送给机载地面站。
18.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
19.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
20.图1为根据实施例提供的一种用于无人机的机载计算机的结构框图；
21.图2为根据实施例提供的一种用于无人机的机载计算机的硬件连线示意图一；
22.图3为根据实施例提供的一种用于无人机的机载计算机的硬件连线示意图二；
23.图4为根据实施例提供的一种无人机控制系统的结构框图；
24.图5为根据实施例提供的一种无人机控制系统中图传地面终端的结构示意图。
具体实施方式
25.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
26.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
27.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
28.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
29.实施例一：
30.参见图1-3所示，本实施例提供了一种用于无人机的机载计算机，包括：机载主机、可控电源扩展模块、交换机模块以及hdmi采集模块；可控电源扩展模块分别与机载主机、hdmi采集模块以及交换机模块连接，以向机载主机、hdmi采集模块以及交换机模块供电；hdmi采集模块通过rj45网线连接交换机模块，交换机模块通过rj45网线连接机载主机以实现数据交互；hdmi采集模块的hdmi接口通过hdmi线连接机载摄像头。
31.需要说明的是，本实施例中机载主机具有大负荷并行运算和复杂的图形处理能力，可广泛应用于边缘ai人工智能应用。机载主机作为视频图传边缘计算平台，负责接收无人机飞控数据和实时视频流，完成视频融合后转发至机载地面站，同时机载主机提供多种接口支持连接不同的扩展模块，满足各类无人机视频图传应用场景。
32.本实施例中可控电源扩展模块分别对hdmi采集模块、交换机模块及机载主机供电；hdmi采集模块分别通过rj45网线连接交换机模块，机载主机网口也通过rj45网线连接上交换机达到信息交互；hdmi采集模块后面两个hdmi接口连接hdmi线连接机载摄像头。
33.本实施例中交换机模块为迷你型，其通过阅读完整的数据帧获悉端口位置并查看源地址。源地址端口表由此生成并得到维护，因而网络通讯限制在与本次传送有关的端口上。由于同步传送在这些端口上自动初始化，同样，表值根据现场接线变化自动刷新，如果在某一端口接收了目的地未知的帧，其它所有端口也会接收此帧。
34.本实施例中hdmi采集模块连接机载摄像头，其是一种全数位化影像和声音传送接口，可以传送无压缩的音频信号及视频信号。
35.参见图2-3所示，本实施例中机载主机、hdmi采集模块以及交换机模块分别通过相应的xt30电源扩展线与可扩展电源模块李连接，其中根据无人机供电输出是2s还是12s选择相应的2s电源扩展模块还是12s电源扩展模块。机载摄像头通过视频采集hdmi线与hdmi采集模块连接。
36.另外，需要说明的是，本实施例中用于无人机的机载计算机采用轻型材料设计，可以做到尺寸轻巧且外观新颖。
37.可选地，本实施例的用于无人机的机载计算机中机载主机包括：处理器，与处理器连接的cpu单元、gpu单元、内存单元、emmc存储单元、网络接口、usb接口、i/o接口、hdmi及调试接口以及电源接口，其中，机载主机通过电源接口连接可控电源扩展模块，机载主机通过网络接口连接交换机模块。
38.可选地，本实施例的用于无人机的机载计算机中机载主机采用的处理器型号为nvidia jetson xavier nx，机载主机采用的cpu单元为6-core nvidia carmel64-bit cpu，机载主机采用的gpu单元为384-core nvidia voltatm gpu@1100mhz with 48tensor cores；
39.或者，机载主机采用的处理器型号为nvidia jetson nano，机载主机采用的cpu单元为4-core arm cortex-a57，机载主机采用的gpu单元为128-core nvidiamaxwelltm gpu@921mhz。
40.可选地，本实施例的用于无人机的机载计算机中可控电源扩展模块为2s电源扩展模块或者12s电源扩展模块，2s电源扩展模块的电源输入电压范围为7v-26v，12s电源扩展模块的电源输入电压范围为15v-60v。
41.具体的，本实施例的用于无人机的机载计算机分为2个版本：race7000和race5000，race7000搭载nvidia jetson xavier nx处理器，具有大负荷并行运算和复杂的图形处理能力，广泛应用于边缘ai人工智能应用；race5000搭载nvidia jetson nano处理器，作为入门级边缘ai产品具有优秀的边缘技术和图形处理能力。参见下表所示两个版本的具体技术参数：
42.表一：。
43.[0044][0045]
现阶段搭载机载计算机的无人机系统普遍存在的问题是：1)视频传输高延时：目前在无人机场景网络(4g，卫通)中无人机采集的视频传输到地面站的延时在600ms左右，同时伴有丢包现象；在带宽《2mb时采用现有的视频传输方案(基于tcp的rtmp)，在场景网络中实测会有10s左右的视频延迟；2)传输方式单一：每种网络在飞行过程中均可能出现断路情景。本实施例的用于无人机的机载计算机支持采用udp协议(user datagram protocol)，不需要握手，应用层完成数据重传(如果必要就丢包)，保证网络恢复的场景能尽快恢复数据传输降低延时，该传输方案使得视频延时降到3～5s左右。本实施例的用于无人机的机载计算机支持通过linux的虚拟设备驱动在设备上建立虚拟链路，上面通过自定义应用协议，通过udp封包，在不同链路(融合4g，卫通，mesh通信方式)上通过发包(心跳包)完成链路的检测，应用层是虚拟设备通信完成应用数据的收集，根据网络的当前状态选择合适的一路，或多路完成数据的传输。
[0046]
综上所述，本发明实施例的用于无人机的机载计算机是一款高性能的嵌入式机载计算机，其尺寸轻巧，具备丰富的接口，同时可搭配扩展模块实现接口拓展；支持采用udp协议进行视频传输，其传输延时从10s以上降至5s以下，为应急处理提供宝贵时间；支持多链路的传输自由的切换；支持通过建立虚拟网络通过心跳包检测各网络的健康状况，自动用
一条或多条可用的网络，对应用侧做到透明无感；视频图片能够融合后发送给机载地面站。
[0047]
实施例二：
[0048]
参见图4所示，本实施例提供了一种无人机控制系统，包括：如实施例一所述的用于无人机的机载计算机，无人机飞控装置、机载摄像头以及机载地面站，用于无人机的机载计算机分别与机载摄像头和无人机飞控装置连接以获取实时视频流数据和无人机飞控数据，用于无人机的机载计算机将处理得到的融合视频数据发送至机载地面站。
[0049]
可选地，本实施例的无人机控制系统还包括由图传天空终端和图传地面终端构成的图传通信链路，用于无人机的机载计算机将处理得到的融合视频数据通过图传天空终端发送至图传地面终端，再经图传地面终端传送至机载地面站。
[0050]
需要说明的是，本实施例中在图传天空终端和图传地面终端基础上建立图传通信链路(即多链路自适应虚拟网络)实现视频数据的多路传输。
[0051]
可选地，参见图2所示，本实施例的无人机控制系统中图传天空终端通过视频接口与用于无人机的机载计算机的交换机模块的网口连接，图传天空终端的电源接口与用于无人机的机载计算机的可控电源扩展模块的电源输出接口连接。
[0052]
可选地，参见图5所示，本实施例的无人机控制系统中图传地面终端的网络接口(lan)通过gh口转网口线与机载地面站连接，图传地面终端的电源输入接口(pwr)与直流电源直连。需要说明的是，本实施例中图传地面终端的电源输入接口通过xt30电源扩展线与直流电源直连。
[0053]
可选地，参见图5所示，本实施例的无人机控制系统中图传地面终端为便携式可移动终端，图传地面终端上还设有遥控信号输入接口(rc)、数传数据输出接口(uart)以及电源输出接口(vcc)。
[0054]
可选地，参见图4所示，本实施例的无人机控制系统还包括多个视频应用终端，机载地面站将接收的融合视频数据转推至多个视频应用终端以实现应用处理。
[0055]
本实施例中无人机控制系统包括位于机载天空端的机载计算机和地面端的机载地面站，机载主机作为视频图传边缘计算平台，负责接收无人机飞控装置的无人机飞控数据和机载摄像头的实时视频流，完成视频融合后转发至机载地面站，同时机载主机提供多种接口支持连接不同的扩展模块，满足各类无人机视频图传应用场景；机载地面站用于接收机载计算机推送的视频流，并其转推至指挥机等视频应用终端，通过提供api接口和可视化的web管理后台，方便用户实时监控系统运行情况、配置图传参数和辅助排查异常。本实施例的无人机控制系统支持采用udp协议(user datagram protocol)，不需要握手，应用层完成数据重传(如果必要就丢包)，保证网络恢复的场景能尽快恢复数据传输降低延时，该传输方案使得视频延时降到3～5s左右；支持通过linux的虚拟设备驱动在设备上建立虚拟链路，上面通过自定义应用协议，通过udp封包，在不同链路(融合4g，卫通，mesh通信方式)上通过发包(心跳包)完成链路的检测，应用层是虚拟设备通信完成应用数据的收集，根据网络的当前状态选择合适的一路，或多路完成数据的传输。
[0056]
综上所述，本发明实施例的无人机控制系统采用高性能的嵌入式机载计算机，其具备丰富的接口，同时可搭配扩展模块实现接口拓展；支持采用udp协议进行视频传输，其传输延时从10s以上降至5s以下，为应急处理提供宝贵时间；支持多链路的传输自由的切换；支持通过建立虚拟网络通过心跳包检测各网络的健康状况，自动用一条或多条可用的
网络，对应用侧做到透明无感；视频图片能够融合后发送给机载地面站。
[0057]
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种用于无人机的机载计算机，其特征在于，包括：机载主机、可控电源扩展模块、交换机模块以及hdmi采集模块；所述可控电源扩展模块分别与所述机载主机、所述hdmi采集模块以及所述交换机模块连接，以向所述机载主机、所述hdmi采集模块以及交换机模块供电；所述hdmi采集模块通过rj45网线连接所述交换机模块，所述交换机模块通过rj45网线连接所述机载主机以实现数据交互；所述hdmi采集模块的hdmi接口通过hdmi线连接机载摄像头。2.根据权利要求1所述的用于无人机的机载计算机，其特征在于，所述机载主机包括：处理器，与所述处理器连接的cpu单元、gpu单元、内存单元、emmc存储单元、网络接口、usb接口、i/o接口、hdmi及调试接口以及电源接口，其中，所述机载主机通过所述电源接口连接所述可控电源扩展模块，所述机载主机通过所述网络接口连接所述交换机模块。3.根据权利要求2所述的用于无人机的机载计算机，其特征在于，所述机载主机采用的处理器型号为nvidia jetson xavier nx，所述机载主机采用的cpu单元为6-core nvidia carmel v8.2 64-bit cpu，所述机载主机采用的gpu单元为384-core nvidia volta
tm gpu@1100mhz with 48tensor cores；或者，所述机载主机采用的处理器型号为nvidia jetson nano，所述机载主机采用的cpu单元为4-core arm cortex-a57，所述机载主机采用的gpu单元为128-core nvidiamaxwell
tm gpu@921mhz。4.根据权利要求3所述的用于无人机的机载计算机，其特征在于，所述可控电源扩展模块为2s电源扩展模块或者12s电源扩展模块，所述2s电源扩展模块的电源输入电压范围为7v-26v，所述12s电源扩展模块的电源输入电压范围为15v-60v。5.一种无人机控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1-4任一项所述的用于无人机的机载计算机，无人机飞控装置、机载摄像头以及机载地面站，所述用于无人机的机载计算机分别与所述机载摄像头和所述无人机飞控装置连接以获取实时视频流数据和无人机飞控数据，所述用于无人机的机载计算机将处理得到的融合视频数据发送至所述机载地面站。6.根据权利要求5所述的无人机控制系统，其特征在于，所述系统还包括由图传天空终端和图传地面终端构成的图传通信链路，所述用于无人机的机载计算机将处理得到的融合视频数据通过所述图传天空终端发送至所述图传地面终端，再经所述图传地面终端传送至所述机载地面站。7.根据权利要求6所述的无人机控制系统，其特征在于，所述图传天空终端通过视频接口与所述用于无人机的机载计算机的交换机模块的网口连接，所述图传天空终端的电源接口与所述用于无人机的机载计算机的可控电源扩展模块的电源输出接口连接。8.根据权利要求7所述的无人机控制系统，其特征在于，所述图传地面终端的网络接口通过gh口转网口线与所述机载地面站连接，所述图传地面终端的电源输入接口与直流电源直连。9.根据权利要求8所述的无人机控制系统，其特征在于，所述图传地面终端为便携式可移动终端，所述图传地面终端上还设有遥控信号输入接口、数传数据输出接口以及电源输出接口。10.根据权利要求5所述的无人机控制系统，其特征在于，所述系统还包括多个视频应
用终端，所述机载地面站将接收的融合视频数据转推至多个视频应用终端以实现应用处理。

技术总结
本发明公开了一种用于无人机的机载计算机及无人机控制系统，该机载计算机包括机载主机、可控电源扩展模块、交换机模块以及HDMI采集模块；可控电源扩展模块分别与机载主机、HDMI采集模块以及交换机模块连接；HDMI采集模块通过RJ45网线连接交换机模块，交换机模块通过RJ45网线连接机载主机；HDMI采集模块的HDMI接口通过HDMI线连接机载摄像头；该机载计算机尺寸轻巧，具备丰富的接口，可搭配扩展模块实现接口拓展；支持采用UDP协议进行视频传输，传输延时从10s以上降至5s以下；支持多链路的传输自由的切换；支持通过建立虚拟网络通过心跳包检测各网络的健康状况，自动用一条或多条可用的网络，对应用侧做到透明无感；视频图片能够融合后发送给机载地面站。够融合后发送给机载地面站。够融合后发送给机载地面站。


技术研发人员：房玉东 黄晓辉 杨继星 贾泽宇 柳树林 刘嵘 刑晓毅 王毅 边路
受保护的技术使用者：应急管理部大数据中心
技术研发日：2022.12.21
技术公布日：2023/4/17