本實用新型涉及一種無人機，尤其是一種基于光纖通信、電纜供電的無人機高空通信基站和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術：

目前國家現(xiàn)場主要應急救援指揮主要以地面應急通信機動車輛為主，主要提供現(xiàn)場通信保障以及現(xiàn)場實時視頻監(jiān)控。一方面，通信指揮由于受到天線掛高限制，應急通信車的覆蓋范圍也相對有限，只能覆蓋周圍幾公里的范圍，因此給通信保障帶來了新的挑戰(zhàn)；另一方面，由于受地理環(huán)境影響，現(xiàn)場無法提供大范圍的視頻監(jiān)控，供指揮者進行判斷和決策。

無人機經(jīng)過了幾十年的發(fā)展歷程，從技術角度看已經(jīng)比較成熟。其優(yōu)點是成本低，易操縱，具有高度靈活性，高度適應性和安全穩(wěn)定性。能夠攜帶一些重要的設備從空中完成特殊任務，比如空中監(jiān)視，空中轉(zhuǎn)信等。在處理自然災害、事故災難以及社會安全事件等方面能發(fā)揮出重要作用。但是由于受無人機以及所攜帶的設備供電能源的限制，無人機無法長時間滯留在空中執(zhí)行監(jiān)視、轉(zhuǎn)信等任務。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種基于電纜供電、光纖數(shù)據(jù)傳輸、可長時間滯空執(zhí)行任務的長滯空無人機基站通信及監(jiān)控系統(tǒng)。本實用新型采用的技術方案是：

一種長滯空無人機基站通信及監(jiān)控系統(tǒng)，包括無人機，系留電纜和地面供電控制模塊；

所述無人機通過系留電纜連接地面供電控制模塊，接收地面供電控制模塊發(fā)出的控制指令和提供的供電電力；

無人機上設有機載電子設備，用于進行無線通信信號的轉(zhuǎn)發(fā)以及進行視頻監(jiān)控，將視頻信號實時轉(zhuǎn)發(fā)給地面供電控制模塊。

具體地，無人機上的機載電子設備包括：機載基站通信模塊、視頻采集設備、無人機飛行控制模塊、主控芯片、物理接口收發(fā)器、以太網(wǎng)交換模塊、光纖接口、無人機供電接口、DC-DC電源管理模塊、電源切換模塊、機載穩(wěn)壓降壓模塊、電源管理芯片以及機載后備電池；

所述無人機上設有用于穩(wěn)定和控制飛行姿態(tài)以及提供輔助升力的低壓電機螺旋槳和用于提供主要升力的高壓主升力驅(qū)動器；

系留電纜中包含供電電纜和通信光纖；

主控芯片通過無人機飛行控制模塊分別連接并驅(qū)動無人機低壓電機和無人機高壓電機；無人機低壓電機和無人機高壓電機分別為無人機的低壓電機螺旋槳和高壓主升力驅(qū)動器提供動力；

主控芯片通過物理接口收發(fā)器連接以太網(wǎng)交換模塊，以太網(wǎng)交換模塊分別連接通信基站模塊和視頻采集設備；

機載基站通信模塊，用于接收并轉(zhuǎn)發(fā)地面用戶的無線通信信號，以及將地面用戶的無線通信信號通過所述系留電纜中的通信光纖轉(zhuǎn)發(fā)至所述地面供電控制模塊；

視頻采集設備，用于進行視頻監(jiān)控并通過系留電纜中的通信光纖將視頻信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述地面供電控制模塊；

以太網(wǎng)交換模塊連接光纖接口，通過所述光纖接口和系留電纜中的通信光纖與地面供電控制模塊通信；

無人機供電接口通過系留電纜中的供電電纜連接地面供電控制模塊；將地面供電控制模塊產(chǎn)生的高壓供電電壓提供給高壓主升力驅(qū)動器工作，同時供電給機載穩(wěn)壓降壓模塊；

機載穩(wěn)壓降壓模塊通過電源切換模塊連接無人機低壓電機和DC-DC電源管理模塊；機載穩(wěn)壓降壓模塊將接入的高壓供電電壓轉(zhuǎn)化低壓供電電壓，提供給驅(qū)動低壓電機螺旋槳的無人機低壓電機；并為DC-DC電源管理模塊提供輸入電壓；

電源管理芯片與主控芯片、機載穩(wěn)壓降壓模塊以及機載后備電池相連接；

電源切換模塊連接ARM主控芯片，當ARM主控芯片檢測到地面供電控制模塊的供電中斷時，通過電源切換模塊將無人機的供電電源切換到機載后備電池供電；

DC-DC電源管理模塊與電源切換模塊的輸出端連接，用于將機載穩(wěn)壓降壓模塊提供的低壓供電電壓或機載后備電池提供的電壓轉(zhuǎn)化為機載電子設備中各部件所需的供電電壓；DC-DC電源管理模塊受控于主控芯片而為機載電子設備中的部件供電。

進一步地，所述視頻采集設備采用機載雙波段光電吊艙，包括可見光攝像機和紅外攝像機；分別用于采集可見光視頻信號與熱成像紅外視頻信號；

所述機載電子設備還包括一個連接主控芯片的光照度傳感芯片；主控芯片通過所述光照度傳感芯片所檢測到環(huán)境光照度信息自動控制所述雙波段光電吊艙進行紅外攝像機和可見光攝像機的切換，同時控制所述DC-DC電源管理模塊切斷相應不工作攝像機的工作電源以降低無人機的功耗。

進一步地，所述高壓主升力驅(qū)動器采用高壓涵道風扇。

進一步地，當ARM主控芯片檢測到地面供電控制模塊的供電中斷時，通過電源切換模塊將無人機的供電電源切換到機載后備電池供電；同時通過DC-DC電源管理模塊切斷視頻采集設備和機載基站通信模塊的供電；提供電力給用于穩(wěn)定和控制飛行姿態(tài)以及提供輔助升力的低壓電機螺旋槳工作。

本實用新型的優(yōu)點在于：

1）通過輕質(zhì)系留電纜中的導線進行地面直接給無人機供電，可以解決無人機和機載電子設備長時間滯空工作能源限制的問題。

2）通過地面1000V高壓低電流直接給無人機供電解決遠距離大功率低壓供電帶來的線路壓降問題，使無人機供電系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠；

3）高壓涵道風扇為無人機提供主要升力，減輕無人機的機載穩(wěn)壓電源控制模塊的重量，增加了無人機的負載能力；

4）輕質(zhì)系留電纜中的光纖通信，增加了無人機與地面供電指控通信中心的通信帶寬，保證機載基站通信模塊和高清視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)與地面供電指控通信中心的大數(shù)據(jù)流的交互；

5）通過機載基站通信模塊的通信轉(zhuǎn)發(fā)能力，增加了地面無線通信設備的通信距離。

6）通過機載雙波段光電吊艙可以實現(xiàn)全天候?qū)崟r視頻監(jiān)控。

7）通過光照度傳感芯片的光照度檢測，可以自動切換和關閉機載雙波段光電吊艙中紅外攝像機和可見光攝像機工作狀態(tài)，降低系統(tǒng)的工作功耗。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構組成示意圖。

圖2為本實用新型的系留電纜示意圖。

圖3為本實用新型的機載電子設備示意圖。

具體實施方式

下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

本實用新型提供的長滯空無人機基站通信及監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示，包括無人機、系留電纜7和地面供電控制模塊8；無人機通過系留電纜7連接地面供電控制模塊8，接收地面供電控制模塊8發(fā)出的控制指令和供電電力；無人機上設有機載電子設備6，用于進行無線通信信號的轉(zhuǎn)發(fā)以及進行視頻監(jiān)控，將視頻監(jiān)控信號實時轉(zhuǎn)發(fā)給地面供電控制模塊8；地面供電控制模塊8設置于圖3中的地面供電指控通信中心中；

無人機上設有四個低壓電機螺旋槳1、2、3、4和一個高壓涵道風扇5，高壓涵道風扇5由高壓電機帶動，是無人機的高壓主升力驅(qū)動器；通過四個低壓電機螺旋槳1、2、3、4和一個高壓涵道風扇5來驅(qū)動無人機；低壓電機螺旋槳用于穩(wěn)定和控制無人機的飛行姿態(tài)，以及提供部分輔助升力；高壓涵道風扇5用于提供無人機的主要升力；

如圖2所示，系留電纜7中包含供電電纜71和通信光纖72；供電電纜71可以將地面供電控制模塊8提供的高壓供電電壓（本例中高壓涵道風扇5需要1000V高壓直流電源）導入無人機使用；通信光纖72提供無人機與地面供電控制模塊8的通信鏈路；

地面供電控制模塊8將220v交流市電轉(zhuǎn)換成高壓供電電壓（1000V高壓直流電源），同時通過所述系留電纜7中的通信光纖72給無人機發(fā)出飛行控制指令；并接受無人機上返回的通信信號和機載雙波段光電吊艙的實時視頻監(jiān)控信號；

如圖3所示，無人機上的機載電子設備包括：機載基站通信模塊、作為視頻采集設備的機載雙波段光電吊艙、無人機飛行控制模塊、ARM主控芯片、作為存儲模塊的Flash芯片、光照度傳感芯片、作為物理接口收發(fā)器的PHY芯片（PHY芯片的中文名稱就是物理接口收發(fā)器）、10/100M以太網(wǎng)交換模塊、10/100M光纖接口、無人機供電接口、DC-DC電源管理模塊、電源切換模塊、機載穩(wěn)壓降壓模塊、電源管理芯片以及機載后備電池；

主控芯片通過無人機飛行控制模塊分別連接并驅(qū)動無人機低壓電機和無人機高壓電機；無人機低壓電機和無人機高壓電機分別為無人機的低壓電機螺旋槳和高壓涵道風扇提供動力；高壓涵道風扇的供電電壓為1000v；

主控芯片通過物理接口收發(fā)器（PHY芯片）連接10/100M以太網(wǎng)交換模塊，10/100M以太網(wǎng)交換模塊分別連接通信基站模塊和機載雙波段光電吊艙；

機載基站通信模塊，即可接收并轉(zhuǎn)發(fā)地面用戶的無線通信信號以增加地面用戶的通信距離，也可以將地面用戶的無線通信信號通過所述系留電纜中的通信光纖轉(zhuǎn)發(fā)至所述地面供電控制模塊8；

機載雙波段光電吊艙主要實現(xiàn)大范圍的全天候視頻監(jiān)控并通過所述輕質(zhì)系留電纜中的通信光纖72將高清可見光視頻信號與熱成像紅外視頻信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述地面供電控制模塊8；機載雙波段光電吊艙中包括可見光攝像機和紅外攝像機；分別用于采集可見光視頻信號與熱成像紅外視頻信號；機載雙波段光電吊艙與所述ARM主控芯片通過RS485進行通信，所述ARM主控芯片通過所述光照度傳感芯片所檢測到環(huán)境光照度信息自動控制所述雙波段光電吊艙進行紅外和可見光攝像機的切換，同時可通過所述ARM主控芯片的GPO管腳控制所述DC-DC電源管理模塊切斷相應不工作攝像機的工作電源以降低無人機的功耗；

光照度傳感芯片與ARM主控芯片相連，具體連接主控芯片的I²C接口；可提供環(huán)境光照度信息，使得主控芯片能夠通過DC-DC電源管理模塊在光照足夠情況下只給可見光攝像機供電，切斷紅外攝像機電源，反之當光照度不夠時給紅外攝像機供電，切斷可見光攝像機的供電；

10/100M以太網(wǎng)交換模塊連接10/100M光纖接口，通過所述10/100M光纖接口和系留電纜7中的通信光纖72與地面供電控制模塊8通信；將機載基站通信模塊的通信信號和機載雙波段光電吊艙的視頻信號轉(zhuǎn)發(fā)至地面供電控制模塊8；

無人機供電接口通過系留電纜7中的供電電纜71連接地面供電控制模塊8；將地面供電控制模塊8產(chǎn)生的高壓供電電壓（1000V高壓直流電源）提供給高壓涵道風扇工作；同時供電給機載穩(wěn)壓降壓模塊；

機載穩(wěn)壓降壓模塊通過電源切換模塊連接無人機低壓電機和DC-DC電源管理模塊；機載穩(wěn)壓降壓模塊將接入的高壓供電電壓轉(zhuǎn)化48v的低壓供電電壓，提供給驅(qū)動低壓電機螺旋槳的無人機低壓電機；并為DC-DC電源管理模塊提供輸入電壓；

電源管理芯片與主控芯片、機載穩(wěn)壓降壓模塊以及機載后備電池相連接，主要實現(xiàn)無人機電源工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并對機載后備電池進行充放電管理；機載后備電池主要用于當?shù)孛婀╇娛r提供給四個用于穩(wěn)定和控制的低壓電機螺旋槳1、2、3、4使用的應急后備電源，當高壓涵道風扇因為失電停止工作時，后備電池可以保證低壓電機螺旋槳工作，無人機具備輔助升力，可以緩慢安全降落；

電源切換模塊連接ARM主控芯片的通用輸出管腳GPO，當ARM主控芯片檢測到地面供電控制模塊的供電中斷時，通過電源切換模塊將無人機的供電電源切換到機載后備電池供電；同時通過DC-DC電源管理模塊切斷機載雙波段光電吊艙和機載基站通信模塊的供電；僅提供電力給四個用于穩(wěn)定和控制飛行姿態(tài)以及提供輔助升力的低壓電機螺旋槳工作，無人機可以安全降落；

無人機飛行控制模塊通過RS232接口接收所述ARM主控芯片轉(zhuǎn)發(fā)的地面飛行控制指令，控制無人機的飛行姿態(tài)；

DC-DC電源管理模塊與電源切換模塊的輸出端連接，用于將機載穩(wěn)壓降壓模塊提供的低壓供電電壓或機載后備電池提供的電壓轉(zhuǎn)化為機載電子設備中各部件所需的供電電壓，比如5v，3.3v，1.8v等電壓；DC-DC電源管理模塊受控于主控芯片，可切斷機載電子設備中相應不工作部件的工作電源；

ARM主控芯片與Flash芯片、光照度傳感芯片、作為物理接口收發(fā)器的PHY芯片、10/100M以太網(wǎng)交換模塊、DC-DC電源管理模塊、電源切換模塊、無人機飛行控制模塊等連接，接收地面供電控制模塊的控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)至相應模塊。