无人机通信基站、通信系统以及通信系统的组建方法论文和设计-王哲

全文摘要

本发明提供一种无人机通信基站、通信系统以及通信系统的组建方法，无人机通信基站，包括多旋翼无人机、基站设备、基站天线以及主控单元，基站设备和基站天线相互连接并设置在多旋翼无人机上；主控单元与各个驱动电机、基站设备以及基站天线均连接；其中，基站设备通过基站天线向地面通信基站发射射频信号以与地面通信基站建立通信连接，主控单元用于控制多旋翼无人机的飞行状态以及基站设备与地面通信基站的通信过程。能够满足通信基站的负载要求、通信网络受外部影响较小、通信质量较高且机动性和适应性都较强。解决了现有技术中的高空通信基站采用的载体平台难以适应高空无线通信从而应用范围有限的问题。

主设计要求

1.一种无人机通信基站，其特征在于，包括：多旋翼无人机(10)，所述多旋翼无人机(10)具有多个驱动电机(11)，每个所述驱动电机(11)的输出轴上设置有旋翼(12)；基站设备(20)，设置在所述多旋翼无人机(10)上；基站天线(30)，设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述基站设备连接；主控单元(40)，与各个所述驱动电机(11)、所述基站设备(20)以及所述基站天线(30)均连接；其中，所述基站设备(20)通过所述基站天线(30)向地面通信基站发射射频信号以与地面通信基站建立通信连接，所述主控单元(40)用于控制所述多旋翼无人机(10)的飞行状态以及所述基站设备(20)与所述地面通信基站的通信过程。

设计方案

1.一种无人机通信基站，其特征在于，包括：

多旋翼无人机(10)，所述多旋翼无人机(10)具有多个驱动电机(11)，每个所述驱动电机(11)的输出轴上设置有旋翼(12)；

基站设备(20)，设置在所述多旋翼无人机(10)上；

基站天线(30)，设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述基站设备连接；

主控单元(40)，与各个所述驱动电机(11)、所述基站设备(20)以及所述基站天线(30)均连接；

其中，所述基站设备(20)通过所述基站天线(30)向地面通信基站发射射频信号以与地面通信基站建立通信连接，所述主控单元(40)用于控制所述多旋翼无人机(10)的飞行状态以及所述基站设备(20)与所述地面通信基站的通信过程。

2.根据权利要求1所述的无人机通信基站，其特征在于，所述无人机通信基站还包括：

动力电池组(50)，设置在所述多旋翼无人机(10)上，所述动力电池组(50)用于储存电能；

电源管理单元(60)，设置在所述多旋翼无人机(10)上，所述电源管理单元(60)与所述动力电池组(50)、各个所述驱动电机(11)、所述基站设备(20)、所述基站天线(30)以及所述主控单元(40)均连接；

其中，所述动力电池组(50)通过所述电源管理单元(60)向各个所述驱动电机(11)、所述基站设备(20)、所述基站天线(30)以及所述主控单元(40)供电，所述主控单元(40)还用于对所述电源管理单元(60)的工作过程进行控制。

3.根据权利要求2所述的无人机通信基站，其特征在于，所述无人机通信基站还包括：

无线充电接收装置(70)，设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述动力电池组(50)连接，所述无线充电接收装置(70)用于在所述多旋翼无人机(10)降落到地面预定位置时通过地面无线充电设备为所述动力电池组(50)充电；

太阳能光伏充电装置(80)，设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述动力电池组(50)连接，所述太阳能光伏充电装置(80)用于将太阳能转化为电能以为所述动力电池组(50)充电；

其中，所述主控单元(40)与所述无线充电接收装置(70)和所述太阳能光伏充电装置(80)均连接以对所述无线充电接收装置(70)和所述太阳能光伏充电装置(80)的工作过程进行控制。

4.根据权利要求1所述的无人机通信基站，其特征在于，所述无人机通信基站还包括：

GPS定位单元(90)，设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述主控单元(40)连接；

其中，所述GPS定位单元(90)用于获取所述多旋翼无人机(10)的经度、纬度以及飞行速度信息，并将获取的经度、纬度以及飞行速度信息发送至所述主控单元(40)，所述主控单元(40)用于根据所述多旋翼无人机(10)的经度、纬度以及飞行速度信息控制所述多旋翼无人机(10)的飞行状态和飞行轨迹。

5.根据权利要求1所述的无人机通信基站，其特征在于，所述无人机通信基站还包括：

传感器单元(100)，设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述主控单元(40)连接；

其中，所述传感器单元(100)用于获取所述多旋翼无人机(10)三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值并将获取的三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值发送至所述主控单元(40)以使所述主控单元(40)确定所述多旋翼无人机(10)的飞行姿态和飞行轨迹并对所述多旋翼无人机(10)的飞行姿态调整。

6.根据权利要求1所述的无人机通信基站，其特征在于，所述无人机通信基站还包括：

视频录制单元(110)和音频录制单元(120)，所述视频录制单元(110)和所述音频录制单元(120)均设置在所述多旋翼无人机(10)上并与所述主控单元(40)连接；

其中，所述视频录制单元(110)用于在所述多旋翼无人机(10)飞行过程中拍摄地面视频资料；所述音频录制单元(120)用于在所述多旋翼无人机(10)飞行过程中录制音频资料；

所述主控单元(40)还用于控制所述视频录制单元(110)和所述音频录制单元(120)的工作过程。

7.一种通信系统，其特征在于，包括：

无人机通信基站(130)，所述无人机通信基站(130)为权利要求1至6中任一项所述的无人机通信基站，所述无人机通信基站(130)用于飞行至预设高度以形成空中移动基站平台；

地面通信基站(140)，所述地面通信基站(140)通过有线通信通道和\/或无线通信通道和\/或卫星通信通道与主干网络建立通信连接；

地面调度单元(150)，与所述地面通信基站(140)连接；

其中，所述无人机通信基站(130)用于向所述地面通信基站(140)发射射频信号以通过所述地面通信基站(140)与所述主干网络建立通信连接和\/或直接通过卫星通信通道与所述主干网络建立通信连接；

所述地面调度单元(150)用于通过所述地面通信基站(140)与所述无人机通信基站(130)的主控单元(40)建立通信连接以调度并管理所述无人机通信基站(130)的飞行状态、飞行路线轨迹以及飞行姿态。

8.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述无人机通信基站(130)包括动力电池组(50)和电源管理单元(60)，所述动力电池组(50)通过所述电源管理单元(60)向所述无人机通信基站(130)的驱动电机(11)、基站设备(20)以及基站天线(30)供电；所述无人机通信系统还包括：

地面充电平台(170)，与所述地面调度单元(150)连接；

其中，所述地面充电平台(170)用于在所述无人机通信基站(130)降落到所述地面充电平台(170)上时向所述无人机通信基站(130)的所述动力电池组(50)充电；所述地面调度单元(150)还用于调度并管理所述无人机通信基站(130)充电过程。

9.根据权利要求8所述的通信系统，其特征在于，所述无人机通信系统还包括：

移动通信车，所述地面通信基站(140)、所述地面调度单元(150)以及所述地面充电平台(170)均设置在所述移动通信车上。

10.一种通信系统的组建方法，其特征在于，所述组建方法用于组建权利要求7至9任一项所述通信系统，所述组建方法包括：

将多个无人机通信基站(130)运送至目标组网地点附近；

根据组建网络的带宽需求调度相应数量的所述无人机通信基站(130)飞行至所述目标组网地点上方并上升至预设高度；

所述无人机通信基站(130)通过向所述地面通信基站(140)发射射频信号以通过所述地面通信基站(140)与所述主干网络建立通信连接和\/或直接通过卫星通信通道与所述主干网络建立通信连接和\/或多个所述无人机通信基站(130)通过相互发射射频信号以组建独立通信网络。

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种无人机通信基站、通信系统以及通信系统的组建方法。

背景技术

通信基站是指通过移动通信交换中心与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台，具有完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能，是组成移动通信网络的基本单元。

然而在发生灾害或事故等自然或人为突发性紧急情况时，目前的固定式通信基站会造成破坏从而导致通信中断。为了应对突发状况，保证应急通信，目前通常采用高空通信基站作为应急通信设备。

现有的高空通信基站载体常见的有系留无人机、固定翼动力无人机和热气球等浮空器。

系留无人机靠外置电缆供电，系留无人机体型较小，同时需要承担系留缆绳的重量，负载非常有限，很难适应通信基站的负载要求；另外，高空中气流环境比较复杂，系留缆绳对无人机也会产生干扰，因此系留式无人机的升高高度有一定的限制，而低空电磁环境噪声较高，对基站性能影响较大，城市的楼宇或丘陵等地形也会对通讯信号有明显的遮挡，这限制了系留式无人机的应用范围；

固定翼动力无人机飞行速度快，航程远，航时长，但起降受场地限制比较多。同时，固定翼无人机巡航速度非常快，影响无线通信的传输的质量；且操作较为复杂。

热气球体积庞大、升降困难，充气准备和回收时间长，机动性和适应性都较差，同时采用氢气或燃料加热空气的方式也存在着安全隐患。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种无人机通信基站、通信系统以及通信系统的组建方法，以至少解决现有技术中的高空通信基站采用的载体平台。难以适应高空无线通信从而应用范围有限的问题。

为了实现上述目的，根据发明的第一个方面，提供了一种无人机通信基站，包括多旋翼无人机、基站设备、基站天线以及主控单元，多旋翼无人机具有多个驱动电机，每个驱动电机的输出轴上设置有旋翼；基站设备和基站天线相互连接并设置在多旋翼无人机上；主控单元与各个驱动电机、基站设备以及基站天线均连接；其中，基站设备通过基站天线向地面通信基站发射射频信号以与地面通信基站建立通信连接，主控单元用于控制多旋翼无人机的飞行状态以及基站设备与地面通信基站的通信过程。

进一步地，无人机通信基站还包括：动力电池组，设置在多旋翼无人机上，动力电池组用于储存电能；电源管理单元，设置在多旋翼无人机上，电源管理单元与动力电池组、各个驱动电机、基站设备、基站天线以及主控单元均连接；其中，动力电池组通过电源管理单元向各个驱动电机、基站设备、基站天线以及主控单元供电，主控单元还用于对电源管理单元的工作过程进行控制。

进一步地，无人机通信基站还包括：无线充电接收装置，设置在多旋翼无人机上并与动力电池组连接，无线充电接收装置用于在多旋翼无人机降落到地面预定位置时通过地面无线充电设备为动力电池组充电；太阳能光伏充电装置，设置在多旋翼无人机上并与动力电池组连接，太阳能光伏充电装置用于将太阳能转化为电能以为动力电池组充电；其中，主控单元与无线充电接收装置和太阳能光伏充电装置均连接以对无线充电接收装置和太阳能光伏充电装置的工作过程进行控制。

进一步地，无人机通信基站还包括：GPS定位单元，设置在多旋翼无人机上并与主控单元连接；其中，GPS定位单元用于获取多旋翼无人机的经度、纬度以及飞行速度信息，并将获取的经度、纬度以及飞行速度信息发送至主控单元，主控单元用于根据多旋翼无人机的经度、纬度以及飞行速度信息控制多旋翼无人机的飞行状态和飞行轨迹。

进一步地，无人机通信基站还包括：传感器单元，设置在多旋翼无人机上并与主控单元连接；其中，传感器单元用于获取多旋翼无人机三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值并将获取的三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值发送至主控单元以使主控单元确定多旋翼无人机的飞行姿态和飞行轨迹并对多旋翼无人机的飞行姿态调整。

进一步地，无人机通信基站还包括：视频录制单元和音频录制单元，视频录制单元和音频录制单元均设置在多旋翼无人机上并与主控单元连接；其中，视频录制单元用于在多旋翼无人机飞行过程中拍摄地面视频资料；音频录制单元用于在多旋翼无人机飞行过程中录制音频资料；主控单元还用于控制视频录制单元和音频录制单元的工作过程。

根据发明的第二个方面，提供了一种通信系统，包括：无人机通信基站，无人机通信基站为上述内容的无人机通信基站，无人机通信基站用于飞行至预设高度以形成空中移动基站平台；地面通信基站，地面通信基站通过有线通信通道和\/或无线通信通道和\/或卫星通信通道与主干网络建立通信连接；地面调度单元，与地面通信基站连接；其中，无人机通信基站用于向地面通信基站发射射频信号以通过地面通信基站与主干网络建立通信连接和\/或直接通过卫星通信通道与主干网络建立通信连接；地面调度单元用于通过地面通信基站与各个无人机通信基站的主控单元建立通信连接以调度并管理各个无人机通信基站的飞行状态、飞行路线轨迹以及飞行姿态。

进一步地，无人机通信基站包括动力电池组和电源管理单元，动力电池组通过电源管理单元向无人机通信基站的驱动电机、基站设备以及基站天线供电；无人机通信系统还包括：地面充电平台，与地面调度单元连接；其中，地面充电平台用于在无人机通信基站降落到地面充电平台上时向无人机通信基站的动力电池组充电；地面调度单元还用于调度并管理无人机通信基站充电过程。

进一步地，无人机通信系统还包括：移动通信车，地面通信基站、地面调度单元以及地面充电平台均设置在移动通信车上。

根据发明的第三个方面，提供了一种通信系统的组建方法，该组建方法用于组建上述的通信系统，组建方法包括：将多个无人机通信基站运送至目标组网地点附近；根据组建网络的带宽需求调度相应数量的无人机通信基站飞行至目标组网地点上方并上升至预设高度；无人机通信基站通过向地面通信基站发射射频信号以通过地面通信基站与主干网络建立通信连接和\/或直接通过卫星通信通道与主干网络建立通信连接和\/或多个无人机通信基站通过相互发射射频信号以组建独立通信网络。

应用本发明技术方案的无人机通信基站，包括多旋翼无人机、基站设备、基站天线以及主控单元，多旋翼无人机具有多个驱动电机，每个驱动电机的输出轴上设置有旋翼；基站设备和基站天线相互连接并设置在多旋翼无人机上；主控单元与各个驱动电机、基站设备以及基站天线均连接；其中，基站设备通过基站天线向地面通信基站发射射频信号以与地面通信基站建立通信连接，主控单元用于控制多旋翼无人机的飞行状态以及基站设备与地面通信基站的通信过程。能够满足通信基站的负载要求、通信网络受外部影响较小、通信质量较高且机动性和适应性都较强。解决了现有技术中的高空通信基站采用的载体平台难以适应高空无线通信从而应用范围有限的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例可选的一种无人机通信基站的结构框图；

图2是根据本发明实施例可选的一种无人机通信基站所采用的多旋翼无人机的结构示意图；

图3是根据本发明实施例可选的一种通信系统的结构框图；

图4是根据本发明实施例可选的一种无人机通信基站进行充电时的定位原理示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、多旋翼无人机；11、驱动电机；12、旋翼；20、基站设备；30、基站天线；40、主控单元；50、动力电池组；60、电源管理单元；70、无线充电接收装置；71、无线充电接收天线；72、整流变换电路；80、太阳能光伏充电装置；81、太阳能电池组；82、直流变换电路；90、GPS定位单元；100、传感器单元；110、视频录制单元；120、音频录制单元；130、无人机通信基站；140、地面通信基站；150、地面调度单元；170、地面充电平台；171、供电电源；172、逆变电路；173、无线充电发射天线；174、充电控制单元；180、超声波发生器；190、超声波接收器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明实施例的无人机通信基站，如图1和图2所示，包括多旋翼无人机10、基站设备20、基站天线30以及主控单元40，多旋翼无人机10具有多个驱动电机11，每个驱动电机11的输出轴上设置有旋翼12；基站设备20和基站天线30相互连接并设置在多旋翼无人机10上；主控单元40与各个驱动电机11、基站设备20以及基站天线30均连接；其中，基站设备20通过基站天线30向地面通信基站发射射频信号以与地面通信基站建立通信连接，主控单元40用于控制多旋翼无人机10的飞行状态以及基站设备20与地面通信基站的通信过程。能够满足通信基站的负载要求、通信网络受外部影响较小、通信质量较高且机动性和适应性都较强。解决了现有技术中的高空通信基站采用的载体平台难以适应高空无线通信从而应用范围有限的问题。

具体实施时，无人机通信基站还包括动力电池组50和电源管理单元60，动力电池组50和电源管理单元60均设置在多旋翼无人机10上，动力电池组50用于储存电能，电源管理单元60与动力电池组50、各个驱动电机11、基站设备20、基站天线30以及主控单元40均连接；其中，动力电池组50通过电源管理单元60向各个驱动电机11、基站设备20、基站天线30以及主控单元40供电，主控单元40通过电源管理单元60对动力电池组50的供电工作过程进行控制。

为了保证多旋翼无人机10能够长时间持续工作，从而保证通信网络的稳定运行。无人机通信基站还包括无线充电接收装置70和太阳能光伏充电装置80，无线充电接收装置70和太阳能光伏充电装置80均设置在多旋翼无人机10上并与动力电池组50连接，无线充电接收装置70用于在多旋翼无人机10降落到地面预定位置时通过地面无线充电设备为动力电池组50充电；太阳能光伏充电装置80用于将太阳能转化为电能以为动力电池组50充电；主控单元40与无线充电接收装置70和太阳能光伏充电装置80均连接以对无线充电接收装置70和太阳能光伏充电装置80的进行控制。

为了对多旋翼无人机10的飞行状态、飞行轨迹以及飞行姿态进行调整，无人机通信基站还包括GPS定位单元90和传感器单元100，GPS定位单元90和传感器单元100均设置在多旋翼无人机10上并与主控单元40连接；GPS定位单元90用于获取多旋翼无人机10的经度、纬度以及飞行速度信息，并将获取的经度、纬度以及飞行速度信息发送至主控单元40，主控单元40用于根据多旋翼无人机10的经度、纬度以及飞行速度信息控制多旋翼无人机10的飞行状态和飞行轨迹；传感器单元100用于获取多旋翼无人机10三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值并将获取的三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值发送至主控单元40以使主控单元40确定多旋翼无人机10的飞行姿态和飞行轨迹并对多旋翼无人机10的飞行姿态调整。

无人机通信基站还包括视频录制单元110和音频录制单元120，视频录制单元110和音频录制单元120均设置在多旋翼无人机10上并与主控单元40连接；视频录制单元110用于在多旋翼无人机10飞行过程中拍摄地面视频资料；音频录制单元120用于在多旋翼无人机10飞行过程中录制音频资料；主控单元40还用于控制视频录制单元110和音频录制单元120的工作过程。

根据发明的第二个实施例，提供了一种通信系统，如图1和图3所示，包括无人机通信基站130、地面通信基站140以及地面调度单元150，无人机通信基站130为上述实施例的无人机通信基站，无人机通信基站130可以为一个或多个，一个或多个无人机通信基站130用于飞行至预设高度以形成空中移动基站平台；地面通信基站140通过有线通信通道和\/或无线通信通道和\/或卫星通信通道与主干网络建立通信连接；无人机通信基站130用于向地面通信基站140发射射频信号以通过地面通信基站140与主干网络建立通信连接和\/或直接通过卫星通信通道与主干网络建立通信连接，无人机通信基站130在多个的情况下，各个无人机通信基站130还用于通过相互发射射频信号以组建独立通信网络；地面调度单元150与地面通信基站140连接；地面调度单元150用于通过地面通信基站140与各个无人机通信基站130的主控单元40建立通信连接以调度并管理各个无人机通信基站130的飞行状态、飞行路线轨迹以及飞行姿态。从而能够建立稳定的通信网路，应对突发状况，保证应急通信。

为了保证各个多旋翼无人机10持续续航，从而保证通信网络的稳定运行，无人机通信系统还包括地面充电平台170，地面充电平台170与地面调度单元150连接；地面充电平台170用于在无人机通信基站130降落到地面充电平台170上时向无人机通信基站130的动力电池组50充电；地面调度单元150还用于调度并管理多个无人机通信基站130充电过程。

为了能够适应通信网络的可移动性需求，进一步地，无人机通信系统还包括移动通信车，移动通信车为一个或多个，每个移动通信车上设置有一套地面通信基站140、地面调度单元150以及地面充电平台170，一个或多个无人机通信基站130通过对应的一个移动通信车上的地面通信基站140与主干网络建立通信连接；相应的一个移动通信车上的地面调度单元150用于调度并管理对应的一个或多个无人机通信基站130的飞行状态、飞行路线轨迹以及飞行姿态。每个移动通信车上的地面充电平台170负责为对应的一个或多个无人机通信基站130进行充电。在多个移动通信车的情况下，各个移动通信车上的地面通信基站140相互之间也会建立通信连接。

根据发明的第三个实施例，提供了一种通信系统的组建方法，该组建方法用于组建上述实施例的通信系统，该组建方法包括：

S102:将多个无人机通信基站130运送至目标组网地点附近；

S104:根据组建网络的带宽需求调度相应数量的无人机通信基站130飞行至目标组网地点上方并上升至预设高度；

S106:无人机通信基站130通过向地面通信基站140发射射频信号以通过地面通信基站140与主干网络建立通信连接和\/或直接通过卫星通信通道与主干网络建立通信连接和\/或多个无人机通信基站130通过相互发射射频信号以组建独立通信网络。从而能够在应急情况下快速组件应急通信网络，保证应急通信

在实际应用中，多个无人机通信基站130一部分作为组网的通信基站，一部分作为备用通信基站。无人机通信基站130上的基站设备20由基带和射频模块等组成。动力电池组50可由可充电的锂电池等组成。

动力电池组50的充电输入端口与无线充电接收装置70和太阳能光伏充电装置80连接，动力电池组50的输出端口与电源管理单元60连接，电源管理单元60包括多个升压或降压的DC\/DC转换电路、稳压电路、输出均衡电路和输出切换电路组成，其输出受主控单元40控制。动力电池组50的输出经电源管理单元60的转换后连接到各个驱动电机11、基站设备20、其它设备载荷、GPS定位单元90、传感器单元100和主控单元40，为上述设备供电。驱动电机11与多旋翼无人机10的各旋翼12连接，驱动电机11转动时驱动对应的旋翼转动。主控单元40的控制输入输出端与无线充电接收装置70和太阳能光伏充电装置80连接，并与驱动电机11、旋翼12、基站设备20、其它设备载荷、GPS定位单元90、传感器单元100连接，上述设备受到主控单元40的控制。多旋翼无人机10搭载的载荷除基站设备20外，还搭载有视频录制单元110和音频录制单元等其它设备载荷，以更好满足通信体系建立的需要，或同时承担其它功能任务。

与无人机通信基站130相应的地面设备一般主要是由一辆或多辆搭载地面通信基站140、地面调度单元150以及地面充电平台170的移动通信车组成。地面通信基站140通过有线通信通道、无线通信通道或者卫星通信通道与主干网络通信。无人机通信基站130的组网方式包括各无人机通信基站130之间的独立组网或回传地面通信基站140联接主干网络两种方式。基站设备20可以是自组网电台、集群微型基站、LTE微型基站、NB-loT基站等多种通信载荷，基站设备20与基站天线30连接，基站天线30根据基站设备20和通信组网的要求，可选择吸顶天线、全向天线或定向天线等形式。当需要建立应急通信网络时，一辆或多辆携带无人机通信基站130的移动通信车进入目标地点或附近区域，一架或多架无人机通信基站130在收到地面调度单元150的指令后升空飞行至目标地点，并上升至目标高度，无人机通信基站130作为移动基站与地面通信基站140或通信卫星进行数据交换，进而连接到主干网络、建立或恢复通信网络。

多旋翼无人机10的飞行在地面调度单元150的控制下自主飞行，多旋翼无人机10可以智能一键起飞、自动巡航和降落。飞行路线轨迹和飞行高度通过地面调度单元150直接在地图上设定和规划，多旋翼无人机10可以在目标区域绕圈作盘旋飞行，也可以自动悬停在目标区域上空，并自动跟随某个目标如移动通信车的移动而改变空中位置。

在整个飞行过程中，多旋翼无人机10的主控单元40通过采集GPS定位单元90和传感器单元100的信息实现整个无人机的正常飞行。GPS主要用于获取无人机当前的经度、纬度、飞行速度等信息，并通过地面和无人机之间的通信将无人机的飞行轨迹和位置变化信息传送到地面调度管理系统。GPS定位单元90一般包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压计，也可以配置温度传感器和湿度传感器等其它必需的传感器。主控单元40通过三轴加速度计可以测量多旋翼无人机10三个轴向的比力加速度值，通过三轴陀螺仪可以测量三个轴向的角速度值，通过三轴磁力计可以测量多旋翼无人机10三个轴向的磁场强度值，通过气压计的测量数据可以计算出多旋翼无人机10的高度值。多旋翼无人机10的主控单元40是控制自主飞行的核心模块，主控单元40通过采集上述信息确定多旋翼无人机10的飞行状态、飞行路线轨迹以及飞行姿态，再根据飞控算法控制各驱动电机11和旋翼12的转动，从而调整多旋翼无人机10的飞行姿态和飞行轨迹。

多旋翼无人机10飞行过程中表面可被太阳照射到的部分设计安装太阳能光伏充电装置80，太阳能光伏充电装置80包括太阳能电池组81和相应的直流变换电路82，太阳能电池组可以由多晶硅电池、单晶硅电池、异质结电池、薄膜电池、钙钛矿电池、染料敏化电池、砷化镓电池等太阳能电池的一种或几种组成，太阳能电池组按照动力电池组50额定的充电电压通过串联和并联组合成一个电池组，多旋翼无人机10飞行过程中太阳照射到太阳能电池组上产生直流电流，经过直流变换电路输入到充电端口为动力电池组50充电。

多旋翼无人机10在飞行过程中，备用的一组或多组多旋翼无人机10在地面充电平台170上充电待命，当飞行中的多旋翼无人机10的动力电池组50的电量下降到安全阈值以下时，地面调度单元150发出指令，地面待命的备用多旋翼无人机10起飞接替低电量的多旋翼无人机10，继续完成通信任务，空中的低电量多旋翼无人机10返航，自动降落在地面充电平台170上进行充电。

无线充电接收装置70的无线充电接收天线71安装在多旋翼无人机10载荷的底部，通过一个非金属材料制作的托架结构与多旋翼无人机10本体连接。地面充电平台170一般安装在移动车辆上，地面充电平台170的供电电源171可由移动车辆的车载电源、后备电池组、地面太阳能发电系统或其它后备电源形式从供电端口输入，设计为直流供电。

在多旋翼无人机10飞行过程中，主控单元40会实时监测多旋翼无人机10的动力电池组50的剩余电量和多旋翼无人机10的实时坐标信息，计算返回最近的地面充电平台170的飞行时间和所需电池电量，当动力电池组50的剩余电量和太阳能电池组当前能稳定提供的电量之和接近返回最近的地面充电平台170所需的电量时，主控单元40与地面充电平台170的充电控制单元174建立无线通信连接并开始返航，多旋翼无人机10通过定位装置以及与充电控制单元174的通信连接确定自身位置以及地面充电平台170的无线充电发射天线173的位置，并引导多旋翼无人机10返回到地面充电平台170，并将无线充电接收天线71的线圈对准地面充电平台170的无线充电发射天线173的线圈后降落。

多旋翼无人机10上设置有定位装置，定位装置包括搭载在多旋翼无人机10上的GPS定位单元90、传感器单元100和超声波发生器180以及设置在地面充电平台170上的超声波接收器190，超声波接收器190配套有相应的A\/D转换电路和滤波电路。

当多旋翼无人机10返航需要充电时，主控单元40与地面充电平台170的充电控制单元174通过通信网络建立无线通信连接，利用GPS定位单元90和传感器单元100的组合导航实现初步定位，其中，GPS定位单元90可采用高精度的差分GPS定位单元，其精度可以达到厘米级，但还不能完全满足无线充电精确定位的需要。当多旋翼无人机10通过GPS定位单元90和传感器单元100组合定位飞行至地面充电平台170上空附近，并按照GPS定位单元90和传感器单元100组合所能实现的精度完成空中定位后，多旋翼无人机10开始利用超声波发生器180和超声波接收器190进入高精度定位模式。其中，超声波发生器180安装在无线充电接收天线71的线圈中心点或中心点轴向延长线上；超声波接收器190为多个，在本实施例中，超声波接收器190为三个，三个超声波接收器190安装在一条直线上，如图4所示，例如三个超声波接收器190分别为接收器A、接收器B和接收器C，接收器B安装在中间并与无线充电发射天线173的线圈的中心点重合，接收器A和接收器C分列两端，接收器B和接收器A之间的距离与接收器B和接收器C之间的距离相等。

定位实施时调整多旋翼无人机10的各个驱动电机的转速使得多旋翼无人机10悬停在空中G点处，距离地面高度为a，其中，多旋翼无人机10的高度可以通过传感器单元100中的气压计的测量数据计算得出。多旋翼无人机10在定位时利用超声波发生器180发射出超声波信号，并以接收器B为中心围绕接收器B不断搜索，最终使各个超声波接收器190均能接收到超声波发生器180发出的超声波信号，超声波接收器190接收到的超声波信号后经过滤波电路和A\/D转换电路转换后送到地地面充电平台170的充电控制单元174的模拟量输入接口。由于GPS定位单元90和传感器单元100定位精度范围的限制，多旋翼无人机10可能停留在偏离接收器B一定距离的某个位置上。以各个超声波接收器190接收到的超声波信号的时间和超声波发生器180发射超声波的时间差计为T，可由d＝CT(C为超声波在空气中的传播速度)计算出超声波发生器180与各个超声波接收器190之间的距离r1、r2和r3，多旋翼无人机10在保持高度的同时继续调整位置，当多旋翼无人机10更加靠近接收器B时，r1、r2和r3的长度会不断缩短，当超声波发生器180与接收器B的距离r2＝a，且r1＝r3时，即是多旋翼无人机10停留在接收器B之上，无线充电发射天线173和无线充电接收天线71的线圈中心点正对，此时，多旋翼无人机10可进入着陆模式，可以开始缓慢降低飞行高度，当检测到高度小于无人机可停机降落的阈值时，多旋翼无人机10的驱动电机停止转动，多旋翼无人机10垂直降落在地面充电平台170上并使无线充电接收天线71与无线充电发射天线173相互对准，从而完成了天线之间的精确定位。

超声波发生器180发送的超声波有一定的波束角，以使各个超声波接收器190在定位时都能接收到超声波信号。当多旋翼无人机10停留在高度a且超声波发生器180中心点正对接收器B时，超声波发生器180发射的超声波的波束角设计时应大于以超声波发生器180中心点G为顶点的夹角∠AGC。

多旋翼无人机10在进行无线充电时，供电电源171输出的直流电通过逆变电路172转换成高频交流电加载在无线充电发射天线173的线圈上产生交变电磁场，多旋翼无人机10的无线充电接收天线71耦合到交变磁场后产生一定强度的交流电流，交流电流经过整流变换电路72转换为直流电从充电端口输入到多旋翼无人机10的动力电池组50，从而为多旋翼无人机10自动充电。在整个充电过程中，主控单元40会持续监测动力电池组50的电量，当动力电池组50充满电后，主控单元40通过通信发送停止充电命令给地面充电平台170的充电控制单元174，终止充电过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

设计图

无人机通信基站、通信系统以及通信系统的组建方法论文和设计

无人机通信基站、通信系统以及通信系统的组建方法论文和设计-王哲

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主设计要求

设计方案

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