一种无人机高清光纤图传链路切换系统、切换方法及操作方法

本发明涉及一种无人机通信、数字图像传输、嵌入式视频编码、光纤通信、飞控遥测和主备链路切换技术，尤其涉及一种面向高清低延迟的无人机高清光纤图传链路切换系统、切换方法及操作方法。

背景技术：

1、现有无人机图传多采用无线电链路；无线图传部署简单，但在强电磁干扰、复杂城市环境、高压线路附近、矿区、隧道入口、应急救援等场景中，视频码流、飞控控制指令和遥测数据会出现丢包、时延抖动和链路中断。

2、光纤链路具备带宽高、抗电磁干扰能力强、物理隔离效果好等优点，适合高清图像和低延迟控制场景。目前，现有技术中已经公开了无人机与地面站之间通过光缆建立通信链路、自动收放线、光纤回传高清视频和主备通信链路切换等技术，但是，现有技术仍存在以下不足：

3、（1）现有光纤无人机方案多关注系留供电、光缆收放或单一图像回传，对视频、控制、遥测三类业务的统一ip承载和优先级保障描述不足。

4、（2）现有主备切换多以链路通断作为判断依据，未把sfp光功率、以太网链路、视频帧状态、mavlink心跳包和光纤张力纳入同一评价模型。

5、（3）视频业务带宽大，直接切换到无线备份链路会挤占控制指令和遥测数据，导致控制风险升高。

6、（4）链路恢复后若立即反切换，易因光纤弯折、张力波动或光功率不稳定造成反复切换问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种能够使无人机在光纤主链路下实现高清低延迟图像回传和双向飞控通信，在光纤链路异常时保持控制指令连续性，并通过视频自适应降级降低无线备份链路负载的无人机高清光纤图传链路切换系统、切换方法及操作方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的无人机高清光纤图传链路切换系统，包括天空端和地面端，天空端包括图像采集模块、与图像采集模块进行通讯连接的嵌入式图像处理模块，还包括飞控接口模块、与飞控接口模块通讯连接的业务调度模块，还包括sfp光模块、无线备份模块、光纤释放状态采集模块以及与光纤释放状态采集模块通讯连接的链路管理模块，所述链路管理模块经过所述飞控接口模块与业务调度模块通讯连接进而使嵌入式图像处理模块经业务调度模块与链路管理模块连接；所述业务调度模块分别与所述sfp光模块和所述无线备份模块通讯连接并能够对视频流、控制指令和遥测数据进行统一ip承载并分别写入不同业务队列；所述链路管理模块用于按周期采集sfp数字诊断数据、以太网链路状态、视频业务状态、飞控业务状态和光纤释放状态，并根据采集参数计算光纤链路质量分值qf，以判断所述光纤主链路是否发生异常并在发生异常时向所述业务调度模块发送链路切换指令；

3、所述地面端包括光电转换模块、与光电转换模块通讯连接的低延迟解码显示模块，还包括地面备份链路接收模块、与地面备份链路接收模块通讯连接的地面站控制模块，以及与所述地面备份链路接收模块双向通讯连接的地面链路管理服务和日志记录模块；

4、所述sfp光模块经过单模光纤连接所述光电转换模块构成光纤主链路，天空端与地面端在上层呈现为标准以太网接口；所述无线备份模块通过无线连接地面备份链路接收模块构成无线热备链路，在光纤主链路正常时仅维持心跳包、链路状态数据及低速同步数据而不承载主视频流，在光纤主链路异常时接管控制和视频业务；所述业务调度模块在接收到所述链路切换指令后，优先将控制指令和遥测数据切换至所述无线备份模块，并将视频业务切换为低码率配置后经所述无线备份模块传输。

5、所述图像采集模块为图像传感器；所述嵌入式图像处理模块用于对所述图像传感器采集的图像数据进行编码处理，并将编码后的图像数据输出至所述业务调度模块，由所述业务调度模块根据当前链路状态选择经所述sfp光模块或所述无线备份模块发送。

6、所述链路管理模块按周期采集以下参数：sfp数字诊断数据，包括接收光功率、发射光功率、模块温度和rx_los状态；以太网链路状态，包括接口up/down、包错误数、丢包率、往返时延和抖动；视频业务状态，包括rtsp会话状态、帧到达间隔、解码缓冲积压和关键帧超时；飞控业务状态，包括mavlink心跳间隔、控制指令确认状态和遥测包连续性；光纤释放状态，包括线轴转速、张力值、张力突变幅度和放线长度。

7、所述链路管理模块根据链路管理模块根据上述参数计算光纤链路质量分值qf，其qf=w1·qsfp+w2·qeth+w3·qvideo+w4·qfc+w5·qtension，w1至w5分别表示sfp链路质量、以太网链路质量、视频业务质量、飞控业务质量和光纤释放状态质量对应的权重系数，且w1至w5之和为1；其中，qsfp表示sfp链路质量分项值，由接收光功率、发射光功率、模块温度和rx_los状态综合确定；qeth表示以太网链路质量分项值，由接口up/down状态、丢包率、往返时延和抖动综合确定；qvideo表示视频业务质量分项值，由rtsp会话状态、帧到达间隔、解码缓冲积压程度和关键帧超时情况综合确定；qfc表示飞控业务质量分项值，由mavlink心跳间隔、控制指令确认状态和遥测包连续性综合确定；qtension表示光纤释放状态质量分项值，由线轴转速、张力值、张力突变幅度和放线长度综合确定；qf低于第一阈值时进入预警态，低于第二阈值时进入双链路保护态，低于第三阈值或检测到光纤断开时进入无线备份态。

8、光纤主链路正常时视频队列获得主要带宽；链路异常或无线备份链路接管时，控制指令队列和遥测队列优先传输，系统按链路状态动态调整调度权重。

9、所述地面链路管理服务和日志记录模块用于记录所述光纤主链路和所述无线热备链路的切换时间、触发原因、光功率值、张力值、链路状态数据及业务恢复时间，并将上述数据同步至所述地面站控制模块。

10、所述光电转换模块用于将所述光纤主链路传输的光信号转换为电信号，并将所述电信号发送至所述低延迟解码显示模块进行解码和显示；所述地面站控制模块用于在所述无线热备链路接管控制时，向所述天空端发送重连指令或降级控制指令。

11、所述sfp光模块与所述无线备份模块之间的电信号交互包括链路质量监测信号和切换控制信号。

12、所述无线备份模块包括wifi、数传电台；所述光纤释放状态采集模块为用于实时采集光纤释放长度或张力状态的张力传感器。

13、一种基于上述的无人机高清光纤图传链路切换系统的无人机高清光纤图传链路切换方法，包括以下步骤：

14、a、在系统正常运行期间，天空端的业务调度模块将视频流、控制指令和遥测数据分别写入不同业务队列，其中控制指令队列优先级最高，遥测队列次之，视频队列最低；光纤主链路承担高清视频和主要控制通信，无线备份模块仅通过无线热备链路向地面备份链路接收模块发送心跳包、链路状态数据及必要的低速同步数据，使无线热备链路保持可接管状态；

15、b、链路管理模块按周期采集sfp数字诊断数据、以太网链路状态、视频业务状态、飞控业务状态和光纤释放状态，并根据上述参数计算qf；当qf低于预警阈值时，系统进入预警态，保持光纤传输，同时将视频编码参数调整为预警配置，降低gop长度或缩小码率波动范围，并提升控制队列权重；当qf低于切换阈值时，系统进入双链路保护态，控制指令通过光纤和无线热备链路双发，接收端基于序列号去重，并对关键指令执行确认重传；

16、c、当qf低于第三阈值，或者检测到光纤断开、视频帧超时、飞控心跳异常时，系统进入无线备份态，业务调度模块优先将控制指令和遥测数据切换至所述无线备份模块，并将视频流切换为低码率配置后经所述无线热备链路传输；地面链路管理服务和日志记录模块实时捕获链路切换事件，并记录切换时间、触发原因、光功率值、张力值、链路状态数据及业务恢复时间；所述地面链路管理服务和日志记录模块将记录的切换事件数据同步至地面站控制模块，所述地面站控制模块根据所述切换事件数据向天空端发送重连指令或降级控制指令；

17、d、在所述无线热备链路接管期间，所述链路管理模块持续监测所述光纤主链路的恢复状态；当在连续n个监测周期内确认qf高于恢复阈值，且判定所述光纤主链路恢复正常时，所述链路管理模块向所述业务调度模块发送链路恢复指令；所述业务调度模块将视频、控制和遥测业务从所述无线备份模块重新切换回所述sfp光模块，并控制所述无线备份模块恢复至保持心跳和低速同步状态。

18、所述无线备份模块在保持心跳和低速同步时，以预设的低帧率或低码率向所述地面备份链路接收模块发送心跳包、链路状态数据及必要的低速同步数据，所述低帧率低于所述光纤主链路正常传输高清图像数据的帧率，且在光纤主链路正常时不承载主视频流。

19、一种基于上述的无人机高清光纤图传链路切换系统的无人机高清光纤图传链路操作方法，包括以下步骤：

20、a、系统上电，嵌入式图像处理模块加载h.265或h.264编码参数、视频输出参数和网络地址，飞控接口模块加载串口波特率和mavlink参数，业务调度模块加载队列优先级和调度策略，链路管理模块加载qf阈值、安全释放阈值和恢复阈值，无线备份模块加载wifi或数传电台参数；

21、b、天空端与地面端建立光纤ip链路，同时启动无线热备链路并完成心跳同步；

22、c、嵌入式图像处理模块输出视频流至业务调度模块，飞控接口模块输出控制指令和遥测数据至业务调度模块，业务调度模块按业务类型入队，并根据链路状态调度至sfp光模块或无线备份模块；

23、d、链路管理模块按固定周期采集sfp数字诊断数据、以太网链路状态、视频业务状态、飞控业务状态和光纤释放状态，依据所述qf模型计算qf，并把状态同步至地面端；

24、当qf低于第一阈值且高于第二阈值时，系统进入预警态，保持光纤传输，同时将视频编码参数调整为预警配置，降低gop长度或缩小码率波动范围，并提升控制队列权重；

25、当qf低于第二阈值且高于第三阈值时，系统进入双链路保护态，控制指令通过光纤和无线热备链路双发，接收端基于序列号去重，并对关键指令执行确认重传；

26、当qf低于第三阈值，或者检测到光纤断开、视频帧超时、飞控心跳异常时，系统进入无线备份态，业务调度模块优先将控制指令和遥测数据切换到无线备份链路，并将视频流切换为低码率、低帧率配置后经无线备份链路传输；

27、当光纤链路恢复后，系统在连续n个监测周期内确认qf高于恢复阈值，再将视频、控制和遥测业务切回光纤主链路，并使无线备份链路恢复至保持心跳和低速同步状态；

28、e、系统记录切换时间、触发原因、光功率值、张力值和业务恢复时间。

29、本发明的优点是：

30、光纤主链路承担高清视频和主要控制通信；业务调度模块将视频流、控制指令和遥测数据分别写入不同业务队列，其中控制指令队列优先级最高，遥测队列次之，视频队列最低；链路管理模块按周期采集sfp数字诊断数据、以太网链路状态、视频帧状态、mavlink心跳状态和光纤张力状态，并计算qf；当qf低于预警阈值时，系统保持光纤传输，同时将视频编码参数调整为预警配置，降低gop长度或缩小码率波动范围，并提升控制队列权重；当qf继续低于切换阈值时，控制指令通过光纤和无线热备链路双发，接收端基于序列号去重，并对关键指令执行确认重传；当qf低于第三阈值或检测到光纤断开、视频帧超时、飞控心跳异常时，无线热备链路优先接管控制和遥测业务，并传输降级后的视频业务；光纤链路恢复后，系统在连续n个监测周期内确认qf高于恢复阈值后再反切换，由此可以使无人机在光纤主链路下实现高清低延迟图像回传和双向飞控通信，在光纤链路异常时保持控制指令连续性，并通过视频自适应降级降低了无线备份链路负载，从而实现主备链路间的分级切换、业务优先级保障和恢复稳定控制。