一种机载智能计算与通信装置及方法与流程

本技术涉及无人机智慧飞行的，尤其是涉及一种机载智能计算与通信装置及方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的飞速发展，无人机已被广泛应用于智能巡航、地质探测、火灾预警以及安全侦察等多种复杂场景中。在这些应用场景下，无人机通常需要将其拍摄的高清画面实时传输至地面控制中心，并接收来自地面的复杂飞行控制指令。

2、目前，现有的无人机机载图传装置多采用单一的4g网络模块与地面站进行通信。随着应用场景的复杂化，对机载算力和图传质量的要求日益提高，现有技术逐渐暴露出明显的缺陷。一方面，单一网络在野外或复杂电磁环境下极易受到干扰，导致通信速率低、延迟大，飞行距离过远时常出现图传卡顿甚至飞机失联的情况；另一方面，普通的轻量化图传装置缺乏边缘计算能力，无法在机载端部署高算力模型以进行图像预处理或自主路径规划。

3、更为严重的是，为了提升通信带宽和算力，现有通常会尝试为无人机外挂更大功率的通信发射模块和计算主板。但是，大功率射频通信模块在工作时产生的高频电磁辐射，会沿着通信线缆串扰或直接空间辐射至无人机自身的敏感电子元件（如rtk实时动态差分定位模块），这会导致无人机出现搜星困难、定位漂移等现象，严重威胁无人机的飞行控制安全。此外，功能模块的增加必然导致设备体积庞大、接口繁琐，难以满足中小型无人机严格的载重和气动外形限制。

4、因此，如何提供一种既能满足高带宽、高稳定性的数据传输，又能提供强大机载算力，同时还能从根本上解决复杂的集成挂载设备对无人机原生导航系统造成电磁干扰的技术问题，为需要解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有无人机机载图传装置存在的单一网络通信易受干扰、缺乏边缘计算能力以及功能集成导致电磁兼容性差等技术问题，本技术的目的是提供一种机载智能计算与通信装置及方法。

2、第一方面，本技术提供的一种机载智能计算与通信装置，采用如下的技术方案：

3、包括层叠设置的散热组件、核心计算模块、载板以及拓展板；

4、所述散热组件设置于所述核心计算模块的一侧，用于对所述核心计算模块进行主动散热；

5、所述核心计算模块，作为边缘计算核心，与所述载板和所述拓展板通信连接，用于处理无人机飞控数据流及视频流；

6、所述载板，其上集成有第一通信模块、无人机交互接口以及存储模块；所述无人机交互接口用于与所述无人机物理连接以获取无人机的供电以及数据；

7、所述拓展板，其上集成有第二通信模块，所述拓展板与所述载板电连接；

8、其中，所述第一通信模块和所述第二通信模块分别通过虚拟网口与所述核心计算模块通信，以建立异构的双链路图传网络。

9、通过采用上述技术方案，将散热组件、核心计算模块、载板和拓展板层叠设置，实现了装置的小型化和轻量化设计，满足无人机的载重和尺寸要求；核心计算模块作为边缘计算核心，能够在机载端实现高算力模型部署与数据处理；载板上集成第一通信模块，拓展板上集成第二通信模块，两个通信模块分别通过虚拟网口与核心计算模块通信，建立异构的双链路图传网络，有效提高了数据传输的带宽、稳定性和抗干扰能力，在一条链路信号不稳定时可通过另一条链路保障通信，从根本上解决了单一网络通信可靠性不足的问题。

10、可选的，所述无人机交互接口为psdk接口；所述载板通过所述psdk接口从所述无人机获取供电，并通过所述psdk接口内的异步串行通信uart通道与所述无人机的飞控系统进行通信，以及通过usb通道映射的虚拟网口获取所述无人机的视频流。

11、通过采用上述技术方案，采用psdk接口实现供电、飞控通信和视频流获取的多功能复用，一方面无需额外的供电线缆，直接从无人机获取供电，简化了线缆连接和装置结构；另一方面通过uart通道实现与飞控系统的低延迟通信，通过usb通道映射的虚拟网口实现高带宽视频流传输，充分利用psdk接口的多通道特性，减少了外设接口数量，有助于整机轻量化。

12、可选的，所述第一通信模块为工作于公网频段的5g通信模块；所述第二通信模块为工作于专网频段的1.4g通信模块。

13、通过采用上述技术方案，5g通信模块工作于公网频段，提供高速率、低延迟的数据传输能力，能够满足高清视频图传的大带宽需求；1.4g通信模块工作于专网频段，专网基站覆盖区域有限但信号安全性和保密性高，不易被外界截获或干扰，更适合公安、部队等对信息安全有严格要求的应用场景；两者形成公网和专网的异构双链路，既保证了通信的速率和覆盖范围，又兼顾了通信的安全性和可靠性。

14、可选的，所述装置还包括防电磁干扰结构，所述防电磁干扰结构包括：

15、天线隔离结构，所述第一通信模块连接有第一天线馈线，所述第二通信模块连接有第二天线馈线，所述第一天线馈线与所述第二天线馈线在所述装置的机壳内进行物理分割排布以避免交叉重叠。

16、通过采用上述技术方案，将第一天线馈线和第二天线馈线在机壳内进行物理分割排布，避免两组天线馈线的交叉重叠，有效减小了5g通信模块和1.4g通信模块之间因天线馈线靠近或交叉而产生的相互耦合干扰和辐射串扰；从干扰源头进行治理，降低了天线馈线上辐射出的干扰信号强度，从而减少了对无人机自身敏感电子元件的电磁干扰，保障了无人机飞行控制系统的正常工作。

17、可选的，所述装置还包括针对所述无人机交互接口的线缆屏蔽结构，具体包括：

18、与所述无人机交互接口连接的通信线缆中的usb差分线采用双绞结构设置；

19、所述通信线缆的外部套接有抗干扰磁环，且所述通信线缆在所述抗干扰磁环上进行绕圈穿置；

20、所述通信线缆和所述抗干扰磁环的最外层依次包裹有铜箔屏蔽层和吸波材料层。

21、通过采用上述技术方案，usb差分线采用双绞结构能够使外部干扰信号在双绞线的两根导体上产生大小相等、方向相反的感应电压，从而相互抵消，有效抑制共模干扰；通信线缆套接抗干扰磁环并绕圈穿置，能够增大高频干扰信号通过线缆时的阻抗，将高频干扰能量转化为热量进行耗散；外层包裹的铜箔屏蔽层能够有效反射和吸收外部的电磁辐射，形成法拉第笼效应，阻止外部干扰信号进入线缆内部，同时防止线缆内部的信号向外辐射；最外层的吸波材料层能够进一步吸收残余的高频电磁波能量并将其转化为热量。通过上述多层防护结构的协同作用，有效阻断了通信模块产生的电磁干扰通过psdk线缆向无人机rtk模块等敏感元件传导和辐射的路径，解决了机载装置对无人机搜星定位产生干扰的问题。

22、可选的，所述核心计算模块为jetson orin nx核心板；所述载板上还集成有微型hdmi接口、usb接口以及千兆网口中的至少一种调试接口；所述存储模块为固态硬盘ssd。

23、通过采用上述技术方案，jetson orin nx核心板具备强大的gpu计算能力和深度学习推理性能，能够支持高算力模型的本地部署和运行，满足机载端的图像处理、目标检测等边缘计算需求；载板上集成微型hdmi接口、usb接口以及千兆网口等调试接口，便于开发调试和系统烧写，提高了装置的可维护性和开发效率；采用固态硬盘ssd作为存储模块，相比传统机械硬盘具有读写速度快、抗震动能力强、体积小、重量轻等优点，适合无人机飞行过程中的振动环境，且能够满足系统运行和数据缓存的高速存储需求。

24、第二方面，本技术提供的一种机载智能图传方法，采用如下的技术方案：

25、包括以下步骤：

26、s1，通过无人机交互接口与无人机建立连接，获取无人机的飞行控制数据以及视频流数据；

27、s2，核心计算模块识别搭载于载板上的第一通信模块的硬件物理节点，以及搭载于拓展板上的第二通信模块的硬件物理节点；

28、s3，在软件系统层，将所述第一通信模块和所述第二通信模块分别映射为对应的第一虚拟网口节点和第二虚拟网口节点；

29、s4，通过拨号程序分别激活所述第一通信模块与所述第二通信模块进入网络注册状态，建立双链路通信网络，并将所述飞行控制数据和所述视频流数据向地面端发送。

30、通过采用上述技术方案，通过依次完成硬件物理节点识别、虚拟网口节点映射和拨号激活的步骤，实现了两个通信模块的规范化初始化和双链路通信网络的可靠建立；该方法将硬件层和软件系统层的初始化过程分步进行，保证了通信链路建立的有序性和可靠性，从而使得装置能够同时通过两条异构网络链路向地面端传输数据，提高了图传通信的带宽、稳定性和冗余度。

31、可选的，步骤s1中获取数据的方式具体包括：

32、通过无人机交互接口中的异步串行通信接口收发无人机飞控的飞行控制数据以及云台控制数据；

33、通过无人机交互接口中的usb总线映射的虚拟网口获取所述无人机的视频流数据。

34、通过采用上述技术方案，采用异步串行通信接口传输飞行控制数据和云台控制数据，利用其低延迟和高可靠性的特点，保证了控制指令的实时性；采用usb总线映射的虚拟网口获取视频流数据，利用usb总线较高的传输带宽，能够满足高清视频流的大数据量传输需求；两种数据类型通过不同的通道传输，避免了数据混合导致的带宽竞争和传输延迟，提高了数据传输的效率和可靠性。

35、可选的，步骤s4具体包括：

36、所述第一通信模块通过识别硬sim卡注册并接入公网基站网络；

37、所述第二通信模块通过识别硬sim卡或软sim卡注册并接入专网基站网络；

38、所述核心计算模块根据拨号脚本通过所述公网基站网络和所述专网基站网络与地面站点的计算机进行网络图传通信。

39、通过采用上述技术方案，第一通信模块通过硬sim卡接入公网基站网络，利用公网5g基站的广泛覆盖实现高速数据传输；第二通信模块支持硬sim卡或软sim卡两种注册方式，增加了部署灵活性，通过接入专网基站网络实现安全可靠的专用通信；核心计算模块根据拨号脚本自动完成网络拨号和注册，实现了双链路通信网络的自动化建立；公网和专网的双链路异构通信保证了在不同网络环境下的通信可靠性和安全性。

40、可选的，在进行步骤s4的数据发送时，所述核心计算模块对来自所述无人机的视频流数据进行本地模型推理处理后，再通过所述第一通信模块或所述第二通信模块将处理后的高清视频流推送至所述地面端。

41、通过采用上述技术方案，核心计算模块在数据发送前对视频流数据进行本地模型推理处理，能够在机载端实现目标检测、图像增强等智能分析功能，减少了传输至地面端的冗余数据量，降低了对通信带宽的占用；同时，经过本地处理后的视频流包含了智能分析结果，地面端接收后可直接使用，减轻了地面端的计算压力，提高了整个系统的响应速度和工作效率。

42、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

43、1.通过将散热组件、核心计算模块、载板和拓展板层叠设置的结构设计，实现了装置的小型化和轻量化，满足中小型无人机的载重和尺寸要求；同时，通过在载板和拓展板上分别集成工作于不同频段的第一通信模块和第二通信模块，建立异构的公网与专网双链路图传网络，有效提高了数据传输的带宽、稳定性和冗余度；

44、2.通过天线隔离结构对不同通信模块的天线馈线进行物理分割排布，以及通过对psdk通信线缆采用usb差分线双绞、抗干扰磁环绕圈、铜箔屏蔽层和吸波材料层的多层防护结构，从干扰源头和传导路径两个方面有效解决了机载通信模块对无人机rtk搜星定位系统的电磁干扰问题，保障了无人机飞行控制的安全性；

45、3.通过采用高算力核心计算模块作为边缘计算核心，能够在机载端部署高算力模型进行本地推理处理，实现了视频流的智能分析和预处理，减少了对通信带宽的占用，提高了整个系统的响应速度和智能化水平。