发布时间：2021-07-14所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：本文在对比分析了消费类无人机市场主流的图传技术后，选择在传统Wi-Fi图传技术基础上采用点到点协议通过静态IP与串口的配置，完成了点到点链路的验证与建立，从而实现了机载电脑TX2与地面端电脑的直接通信。实验结果表明，改进后的图传传输距离可达1-
摘 要：本文在对比分析了消费类无人机市场主流的图传技术后，选择在传统Wi-Fi图传技术基础上采用点到点协议通过静态IP与串口的配置，完成了点到点链路的验证与建立，从而实现了机载电脑TX2与地面端电脑的直接通信。实验结果表明，改进后的图传传输距离可达1-2公里，帧数可达15FPS，单个节点带宽为350KB/S，延时为0.15秒，在综合性能上表现优越。
关键词：无人机;图传链路;Wi-Fi;点到点协议
1引言
2016年无人机一跃进入中国大众消费的视野，无人机的图传[1]发展历程从早期的空中摄录到后来的实施摄录丰富的图传功能无疑为无人机开辟了广阔的应用领域。但现有的图传技术很难在成本、传输距离、清晰度、带宽、延时等多个因素上达到一个合理的期望。
纵观消费类无人机市场上图传技术，目前主流的是以大疆为代表的自研LightBridge2[2]图传技术，OFDM[3]/COFDM[4]图传技术，Wi-Fi[5]图传技术，和4G/5G[6]图传技术，它们各有千秋，下面对主流图传技术做出分析比较：
(1)OFDM是一种多载波调制技术，对高性能的无线通信网络来说是一个比较合适的选择，主要工作在IEEE802.11标准的ISM频段上。由于OFDM调制方式在频率选择性衰落信道上仍能保持高带宽和高能效[4]，因此许多国际标准协议都采用这样一项技术。OFDM调制技术对突发噪声，随机噪声，多径失真，以及衰落环境等不利因素都具有较强的抵抗性[3]，并且在传输距离、视频流质量、延时、带宽方面都得到保证[4]，但不足之处就是建设成本高，技术要求很高，这也就是OFDM图传技术常常被用于大型工程的原因[7]。
(2)Lightbridge2是大疆自研的专用通信链路技术，可实现几乎“零延时”的720P高清传输，距离可达3公里，在无干扰的情况下甚至可达5公里。虽然工作频段和Wi-Fi一样在IEEE802.11b上，等效全向辐射功率100mW。但Lightbridge2与其他无人机厂商(如Yuneec，Blade，3DR)使用的标准Wi-Fi图传技术存在很大差异：Lightbridge2技术使用单向图像数据传输，类似于电视广播塔的数据传输形式，这也就解决了传统Wi-Fi图传技术的缺陷:双向握手机制导致Wi-Fi图传无法实时传输航拍画面，任何一个字节的传输错误都会导致字节包重新传输。
LightBridge2除了单向传输特性，DJI图传还需要固定DJIFLY应用软件接收，因此难以进行应用的二次开发，只能用于航拍这一类。以此，DJIA3飞控逊于Pixhawk飞控的开放性决定了开发者无法根据自己的需求去让DJI无人机执行更复杂的任务。
(3)Wi-Fi图传技术，是无人机最重要的一项技术。工作频段在IEEE802.11b，工作于2.4GHz并能提供最大传输速率的无线局域网(WLAN)。在诸多无人机的垂直领域内，图画传输的实时性、稳定性与抗干扰性[8]是重要参数，因此作用于无线图传中的Wi-Fi模块成为确保图像传输质量的关键因素。
Wi-Fi图传最大的优点就是建设成本低，对于技术要求不那么苛刻。但缺点也很明显：数据传输需要发送端与接收端先建立起通讯握手机制，每个数据包的传输必须完整无误，任何一个字节的丢失都会导致整个数据包重新发送，这导致了Wi-Fi图传延时;Wi-Fi传输的另外饱受诟病的原因是：Wi-Fi图传的通信都必须经过中心节点。
(4)4G/5G图传技术在电力巡检、海上救援等领域初显锋芒[8]，在无人机系统上目前也得到了广泛的应用，应用的方式大多为基于多路径多层架构[6]的图传系统。
4G/5G图传有很明显的优点：图像与视频流的传输质量很高，延时很低[8]。但缺点也很明显：它也会也受到基站的影响：在网络基站覆盖率较低的区域，4G/5G信号会很差从而影响图传性能;另一个制约4G/5G图传技术的就是流量费用。接下来将四种图传技术性能做出对比，如表1所示。
针对不同需求不同成本等因素可以考虑下列可行方案：
(1)对于只需要做图像接收这一类，而不需要进行二次开发：选择DJI的LightBridge2技术，可以实现远距离的图像传输，并且在图传质量和延时、带宽等因素上自主选择，支持多个地面端设备接收图像。
(2)对于需要对图传技术进行二次开发，但成本相对要求较低：选择Wi-Fi图传技术，可以选择市场上成熟的Wi-Fi图传设备，也可以自行购买Wi-Fi图传设备并根据技术与需求构建自己的图传链路，适用于中近距离并有需求可以完成相应深度学习任务的工作。
(3)对于对成本没有限制，对技术需求较高并且无人机需要执行更多更复杂的任务，对于链路有强烈稳定性需求：选择OFDM或者是4G/5G图传技术。OFDM适用于大型工程：植被监测、海洋工程;4G/5G图传技术适用于中大型工程：城镇安保、电力巡检、物流配送等。
本文系统中需要的图传技术是需要支持应用的二次开发，成本适中，对于图传的距离没有很远的需求，对于图传清晰度没有硬性需求，因此本文链路的设计选择Wi-Fi图传技术。
但Wi-Fi图传的巨大劣势，决定了要对其进行改进。考虑到在传统Wi-Fi图传技术中，数据的传输必须经过中心节点，我们的想法是设计一条链路绕过这些通信节点通信。因此考虑在链路层进行改进，并且由于图传模块是全双工模块，PPP支持全双工模块的通信，因此PPP协议在链路建设中变得可行。
因此，本文提出在传统Wi-Fi图传技术的基础上作改进，采用PPP(Point-to-PointProtocol)[9]的方案组建内网，设计出一条PPP链路，使得无人机天空端机载电脑TX2和地面端电脑可以通过PPP链路实现直接通信[9]，无需再像传统Wi-Fi图传一样经过图传中心模块，从而减少了传输的延时。
本文以下内容结构如下：第一节列出了无人机图传链路建设的需求分析;第二节介绍PPP技术的原理、工作流程、优势，以及PPP协议在本系统中的实现方法;第三节给出实验测试结果;第四节为总结与展望。
2无人机图传链路建设需求分析
近年来，无人机在军事、农业、电力、航测、编队等诸多方面发挥着越来越重要的作用，对于无人机图传链路的建设的需求越来越多，对于图传链路的质量也越来越高。
2.1远程控制需求
在无人机上部署深度学习算法并让其执行算法任务时，需要在地面端实时操控无人机上的机载电脑，这就要求地面端电脑与机载电脑尽可能在同一局域网下，以便通过NoMachine进行远程连接，从而在地面端电脑上远程控制[10]机载电脑。
2.2接口需求
远端的无人机设备需要一些交互的接口、串口和通信手段，来实现对无人机系统的监控与控制。通过一系列接口、串口的配置，完成各式数据的传输：图像、视频流、控制指令、飞控模块数据等。另外还要求接口通用性强：有的时候需要传输支持TCP/IP的网络数据[11]，有的时候需要串口透明传输数据[11]、有的时候需要从无人机/无人车上上读取各种传感器数据。
2.3组网需求
在多台无人机交互，或者是无人机与无人车交互时，希望可组网[12]供多个ROS节点传输数据，来完成诸如多机协同、无人机编队等任务。另外希望通过TCP/IP组建通用网络局域网，来满足某些算法的运行需求。
2.4传输距离、带宽、延时需求
对于复杂的飞行任务，无人机甚至会超过可控距离，因此对于图传链路的建设要求更高：一方面希望图像传输的距离尽可能远，并且具备一定的穿透性;一方面，希望链路的传输带宽尽可能大，满足从基本飞控数据、控制指令到图像、视频流的清晰传输;另一方面，在保证传输距离与带宽的同时，对于低延时有同样的需求。
因此，考虑到多项需求，决定在现有全双工模块基础上进行改进：以往全双工模块的数据传输必须经过中心节点，这大大增大了传输的延时，增加了传输的消耗。因此本文的设计思路是基于全双工模块通过点到点协议的配置设计出一条连接机载电脑与地面端电脑的专属通信链路。
3图传链路PPP技术的实现
3.1PPP协议原理
PPP是Point-to-PointProtocol[13]，即为点到点协议，主要用处为全双工模块的同/异步传输[13]。它是一个数据链路层协议，事实上任何串行接口，只要能够支持全双工通信方式，都可以支持PPP协议。而且，PPP协议对于串行接口的信息传输速率没有特别的要求，只要串行链路两端的串行接口在速率上一致就可以。目前PPP技术被广泛应用在多媒体网络[14]、网络的加密、链路数据的传输等方面。
PPP协议工作分为四个阶段，即链路建立(LCP)[15]、认证阶段(PAP/CHAP)、网络层协商阶段(NCP)、和链路终结阶段(LCP)[13]。通过串行链路连接起来的本地接口和对接接口在上电之后，并不能马上就开始互相发送携带有IP报文的网络层数据单元的PPP帧，必须经过一系列复杂的协商过程(认证)。如图1所示，PPP协议的基本工作流程如图1所示。
第一阶段：链路建立。在这个阶段中PPP先使用LCP(链路控制协议)链路两端建立连接，并动态协商一些参数，比如双方使用的认证方式、是否支持压缩和MLP(多链路捆绑)[16]。
第二阶段：验证。在这个阶段，远端的接入服务器接收到客户端发去的身份，并且在该阶段使用一种安全验证方式避免第三方窃取数据或冒充远程客户接管与客户端的连接[17]。在认证完成之前，禁止移动到网络控制协议阶段。如果认证失败，认证者应该跃迁到链路终止阶段。在这一阶段里，最常用的认证协议有口令验证协议和挑战握手验证协议[17]。
第三阶段：网络控制协议[18]。在这个阶段，最主要的就是IP地址协商。如果是A已分配好静态IP地址，那么路由器A发送Configure-Request给路由器B，那么B会确认并且返回一个Configure-Ack和Request给A，最终A确认并且协商成功。如果路由器A没有固定IP地址，当路由器B发现A的地址是全0后，会告诉路由器A一个和B处于同一个子网段中的可以使用的地址[13]，之后路由器A发送Configure-Request会携带这个地址，之后的协商过程和静态IP一样。可以看出静态IP的分配为IP的协商与PPP链路数据的通信提供了便利，省去了每次链路过程中建立需要动态IP分配的过程。如图2，图3分别表明了静态IP分配与动态IP分配在IP地址协商过程中的不同：
第四阶段：终止链路。当通信双方中的某一方完成了数据传输，就会断开PPP链路。因此点到点技术的优势很明显：发送端设备发送数据后，它的任务已经完成，不需要参与整个传输过程，这样不会浪费发送端设备的资源也无需在乎传输内容的正确与否。另外即使接收端设备关机或故障，点到点传输也可以采用存储转发技术进行缓冲。
3.2PPP技术的图传链路实现
在设计系统的时候，对于系统需要达到的效果定位是：
(1)远程桌面，访问机载计算机数据，启动ROS节点。
(2)可以传回摄像头数据，可以供其它算法使用[19]。
(3)传输距离远。
(4)组网并且每个节点间数据可以直接传输。
(5)传输带宽要尽可能的宽。本系统有图传天空端模块与地面端模块(全双工模块)，地面端电脑，无人机，TX2.设想达到的功能是无人机上TX2连接图传模块天空端，地面端电脑连接图传模块地面端，最终无人机上TX2摄像头实施拍摄的结果可以通过图传链路传给地面端电脑，因此系统最终架构如图4所示。
步骤1：PPP协议的启动
启动PPP协议：RouterTest#configterminalEnterconfigurationcommands,oneperline.EndwithCNTL/Z.
RouterTest(config)#interfaceserial0/0
RouterTest(config-if)#encapsulationppp
RouterTest(config-if)#
PPP协议的启动部署在图传天空端和地面端中，当模块通电时会自动启动PPP协议。
步骤2：AP/STA模式的配置
AP，AccessPoint[20]，提供无线接入服务，它是无线网络的创建者并且允许其它无线设备接入，是网络的中心节点，如无线路由器就是一个AP。在AP模式下，手机、电脑等设备的直接连接上模块，方便对用户的设备进行控制。本系统中将图传地面端模块的AP/STA开关拨动在AP处，并将DeviceMode设置为AccessPoint模式。
STA，Station[20]，每一个连接到无线网中的终端都是一个STA，如手机、电脑、联网的设备，以前常用的无线网卡也是处于STA模式之下。本系统中将图传天空端模块的AP/STA开关拨动在STA处，并将DeviceMode设置为Station模式。
AP/STA模式的配置让图传地面端成为中心节点，让图传天空端成为站点，让无人机上的TX2的摄像头拍摄数据信息通过图传天空端信号中转完成向图传地面端的实时传输。
步骤3：静态IP地址分配
PPP协议实现的第三阶段网络层控制协商过程里网络层参数(IP地址、DNS服务器IP地址、WINS服务器IP地址)验证。首先验证的为IP地址，有两种方法：一种是链路未建立时动态IP分配，另一种则是链路建立前已经完成静态IP分配。图传模块静态IP地址的分配为PPP链路的建立提供了更迅速可靠的验证方式，而动态IP的分配却在PPP链路建立的时候消耗更多时间，虽然解决了没有IP地址无法验证的问题，但因为NoMachine在连接远程桌面的时候需要TX2的静态地址，所以TX2上的静态IP地址分配实现了远程桌面的显示，方便了我们在地面端电脑上输入指令控制无人机。所以总结下来，对路由器和TX2的静态IP地址的分配既加速了链路建立的进程，又为远程桌面控制提供了可行之处。所以静态IP的分配优于动态IP的自动获取。
步骤4：网络串口配置
串行接口使得数据一位一位地传送，通信线路简单是其特点，一对传输线就可以实现双向通信，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信。本系统中对图传天空端UART串口[21]的配置，实现了飞控Pixhawk4指令在图传链路中以PPP帧[13]的格式传输，进而完成了飞控数据传输给地面端的任务。
4实验结果
最终建立了一条专门用于图传的PPP链路，与之前不同的是，建立后的链路直接实现了地面端电脑与天空端电脑的通信，而不需要经过中心节点。如图5，图6所示。
由图5和图6可以看出，链路建立之前，无人机上图像视频流的拍摄主要是经过TX2，通过图传天空端站点向图传地面端通信，再由图传地面端向地面端电脑传输。链路建立后无人机上图像视频流的传输以及Pixhawk4上的参数与控制指令等信息的传递直接通过TX2经由PPP链路传输给地面端电脑，在增加传输带宽的同时达到了降低延时的效果。
最终户外测试结果表明，我们的图传最远距离为1-2公里(无干扰或干扰较少的情况)，远远大于传统Wi-Fi图传的50-80m的限制，图传延时在0.15s左右。另外关于单个节点的传输情况详细测试，如图7所示。
图7示意的过程为无人机拍摄图像向地面端传输的测试情况，RX为图传地面端接收数据的速度，TX为图传天空端传输给地面端的速度，为131KB/S，下行带宽峰值在347.16KB/S，也远超传统Wi-Fi图传的200KB/S的带宽，基本完成图像的实时传输。
视频清晰度达到720P左右，不支持1080P清晰度视频的传输，总体可以实现清晰拍摄，如图8所示。并且可以通过NoMachine连接TX2实现远程桌面显示与控制，从而让无人机执行其它任务。可扩展性更强，比如目标检测，如图9所示。
但本系统设计的链路经过测试，尚存在如下的缺陷：
(1)外部存在无意的干扰，主要会受到同频段Wi-Fi信号[22]、墙壁遮挡、静电地磁场等带来的干扰，表现为NoMachine连接远程桌面时短暂信号的中断,屏幕的卡顿。实验场景分为无遮挡(学校操场)和有遮挡(教学楼间)，结果如表2。——论文作者：陈锐李致远陈云芳张伟
本文来源于：《电子技术与软件工程》杂志是面向电子技术与软件工程专业人员，报道该领域前沿技术进展和最新科研成果，介绍产品开发的新工具、新方法及典型案例，促进电子技术与计算机软件工程交叉学科发展。设有：网络通信技术、软件开发与应用、电子技术、数据库技术、计算机与多媒体技术、自动化控制、电力电子、信息技术与安全等栏目。
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