基于WIFI的编队无人机通信系统设计

基于WIFI的编队无人机通信系统设计摘要随着科技的发展，无人机在各行各业均发挥了重要的作用。然而单个无人机的性能不能完成多样化的飞行任务。所以，无人机编队的重要性就体现出来，由多架无人机组成的编队可以快速向每架无人机传递任务，很大程度上的提高了效率和完成度。本文介绍了一个基于ESP8266的WIFI模块进行机间通信的小型编队系统。该系统包括地面站、PX4飞控、ESP8266WIFI模块、F450，并通过Mavlink协议完成地面站与无人机以及无人机与无人机之间的数据传输和控制指令发送。本文提出了一种基于PX4飞控的四旋翼无人机编队系统，利用ESP8266的WIFI模块搭建通信网络和Mavlink协议在低带宽和高延迟的环境下高效、可靠地传输数据的优势，完成编队通信。而Mavlink协议其快速、高效的特点，使得其成为无人机编队通信的一个很有吸引力的选择。关键词：ESP8266WIFI模块，地面站，编队无人机，Mavlink协议DesignoftheformationUAVcommunicationsystembasedonWIFIResumenWiththedevelopmentofscienceandtechnology,UAVhasplayedanimportantroleinallwalksoflife.However,theperformanceofasingledronecannotaccomplishavarietyofflightmissions.Therefore,theimportanceofUAVformationisreflected.TheformationcomposedofmultipleUAVscanquicklytransmittaskstoeachUAV,whichgreatlyimprovestheefficiencyandcompletiondegree.Thispaperintroducesasmallformationsystemforinter-machinecommunicationwithaESP8266basedWIFImodule.Thesystemincludesgroundstation,PX4flightcontrol,ESP8266WIFImodule,F450,andcompletesthedatatransmissionandcontrolinstructionsbetweengroundstationandUAVanduavandUAVthroughMavlinkprotocol.Inthispaper,weproposeaquadrotorUAVformationsystembasedonPX4flightcontrol,buildingthecommunicationnetworkandMavlinkprotocoltotransmitdataefficientlyandreliablyinlowbandwidthandhighlatencyenvironmenttocompletetheformationcommunication.ThefastandefficientcharacteristicsofMavlinkprotocolmakeitanattractivechoiceforUAVformationcommunication.Keywords:ESP8266WIFImodule,groundstation,formationuav,Mavlinkagreement目录TOC\o"1-3"\h\u8596PINGDINGSHANUNIVERSITY 1203951绪论 8296301.1研究背景和意义 889441.2论文主要工作及章节安排 840402系统的总体设计 10132872.1系统需求分析 10147902.1.1任务概述 10314612.1.2功能需求分析 107682.1.3性能需求分析 11320542.2系统总体设计方案 12143852.2.1系统的总体设计思路 1299462.2.2系统的总体设计框图 13263032.2.3设计的可行性分析 138652.3相关工具与技术 14227092.3.1硬件开发环境 14221432.3.2软件开发环境 1596022.3.3相关技术 15231072.4本章小结 1596823系统的硬件设计与实现 16225613.1系统硬件总体设计 16191873.2系统硬件模块选型 16151473.2.1ESP8266通信模块 1678493.2.2Pixhawk2.4.8飞控 18279483.2.3F450无人机 1957273.3硬件结构 2075543.4本章小结 20320174系统的软件设计与实现 21184144.1网络协议结构 2144584.2WIFI通信 22170704.3编队通信协议 2486804.3.1协议选择 2457894.3.3安全保障 26325144.4本章小结 27146455系统测试 2870795.1编队测试 28162845.1.1模拟测试 28139695.1.丢包率检测 2969505.1.3实飞测试 33315455.2本章小结 33130506总结及展望 34162476.1总结 3429976.2展望 3427406致谢 361绪论1.1研究背景和意义经过几十年的发展，无人机技术逐渐成熟，当前无人机的研究重点已经从单一功能性拓展转化为任务性设计，但是单架无人机面临着可执行的任务单一、机载传感器使用范围有限等问题，这些问题会产生对多无人机协同作业的需求。在军事领域中的无人机编队旨在自主地做出战术决策，并将被整合到协调实现高级目标的团队中，从而允许一个人控制一组无人机编队，因此需要设计规划通信算法协调无人机进行无人机协同编队飞行。目前，已对无人机编队通信系统做了大量理论和实际研究REF_Ref23142\w\h[1]。作为一种低功耗的WIFI模块，ESP8266模块可以同时连接多架无人机，完成机间通信。且ESP8266模块使用成本相对较低，普遍适用于大部分工作场景。也可通过电脑连接路由器与WIFI模块进行匹配，如此还可以避免WIFI模块通信范围较小的问题，大大提高无人机编队的通信范围，使其工作效率得到大幅提升。因此，本文的目的是研究和设计一种基于ESP8266模块、地面站、PX飞控的编队无人机通信系统。以实现俩架及俩架以上的编队无人机，在接到指令后可以自主进行队形的集合、变化、重构等功能，同时也包括飞行任务的规划和分配，整个无人机群在执行任务过程中体现出高度协同性和一致性。1.2论文主要工作及章节安排在无人机广泛应用的今天，无人机已经深入各行各业，但由于各种条件的限制，单个无人机无法完成全部任务，所以无人机编队REF_Ref8946\w\h进入大家的视野。无人机编队具有更强的自主性。编队内的无人机可以通过在感知、计算、机动等方面的优势进行有机结合，自主识别并拓展行动范围，有效提升集群内部无人机的自主协调控制能力。这使得无人机编队能够灵活适应各种环境，执行多样化任务。本课题主要工作内容如下：1.通过地面站完成对多架无人机的控制，可以实时监控飞行器状态、调整飞行参数、执行任务计划等。2.以ESP8266-WIFI模块作为通信控制模块，完成数据的收集以及远距离的传输。3.通过Mavlink通信协议完成编队在WIFI环境下的数据发送。论文部分为六个章节，对无人机编队的硬件、软件和实机仿真过程进行了具体的分析。各章节的主要内容如下：第一章，绪论。本章主要介绍无人机研究的背景和意义。第二章，编队通信系统的总体设计。本章是对该系统的任务简述，从功能与性能两方面分析该系统的需求，对使用的到的相关工具与技术做简要介绍。第三章，对编队通信系统硬件部分进行设计和实现。在这一章中，对系统硬件部分进行了整体设计，介绍各模块在系统中的运用。第四章，编队通信系统的软件设计与实现。本章是软件部分总体的设计，对通信协议和重传机制进行详细说明。第五章，编队通信系统的相关测试。本章针对通信丢包进行测试，对测试结果进行分析，针对系统存在的不足，完善设计。第六章，总结与展望。本章介绍编队通信系统完成的工作以及系统中存在的不足，并针对本系统进行展望。2系统的总体设计2.1系统需求分析2.1.1任务概述在无人机编队通信系统设计的实现过程中，主要涉及通信系统的通信协议使用、通信协议在无人机与地面站以及无人机与无人机之间通信的丢包率测试、在障碍遮挡情况下的通信效率以及协议重传机制的应用。首先，通信协议使用是无人机编队通信系统的核心，不同的通信协议可以带来不同的数传效果。其次，丢包率是无人机编队通信系统执行任务的关键，确保编队可以实时接收到控制指令和数据。此外，障碍遮挡测试是无人机编队系统中的重要环节，在有障碍物遮挡通信情况下的丢包率测试可以展示出该通信协议的可靠性。最后，完整的编队通信系统设计还应拥有协议重传机制，保即使数据丢包也能在此发送，保证无人机接收到准确信息。2.1.2功能需求分析无人机编队通信系统的功能需求分析主要涵盖了以下几个关键方面：一、通信功能需求实时数据传输：编队无人机在完成相关飞行任务时，我们需要保证地面站和编队之间的信息传输达到实时传输相关数据，如位置、速度、姿态、传感器数据等关键信息，使地面站和编队内其他无人机能够实时接收信息并做出回应。高效的通信协议：选择合理的通信协议，在处理数据资源受限的无人机中，可以在更快的数据传输速度和更低的系统开销下，完成编队通信的协议是作为编队无人机通信协议的首要选择。稳定通信连接：WIFI通信模块的适用范围相对较小，在使用时应保证无人机编队执行的任务在WIFI信号的覆盖范围内，并且使得编队能保持稳定的通信连接，避免因通信中断或不稳定导致的任务失败。二、飞行控制功能需求自主飞行控制：PX4飞控要有高度自主化的飞行控制能力，可以根据数传指令的飞行路径和指令，完成无人机的姿态、速度和高度，达到预期的飞行任务。编队飞行控制：通信系统要完成对编队无人机的整体控制，例如编队无人机的队形控制、协同飞行等，使得编队可以按照集群算法的队形和飞行轨迹进行飞行。2.1.3性能需求分析无人机编队通信系统性能需求分析主要关注于通信系统在完成任务过程中所需的关键性能指标，以确保通信系统能够实时、高效、安全地完成数据通信的任务。以下是对通信系统性能需求的详细分析：一、通信性能需求当前状态下，无人机编队的相关通信引入大部分都是通过WIFI或者2.4G来将数据引入地面站的REF_Ref23377\w\h[10]，而本系统通信方式是以ESP8266-WIFI通信模块来完成，而在无人机编队通信系统的使用过程中可能需要传输的数据量较大，所以应保证比较高的传输速率，来满足编队的通信需求。并且在任务时，应确保WIFI信号的稳定性，避免在执行任务时断开连接，造成任务的失败。最后应在WIFI信号的通信范围内执行任务，保持稳定的通信，避免因通信距离过远而造成信号的中断。二、飞行控制性能需求本编队无人机使用的时PX4开源飞控，而在编队实现过程中，PX4飞控应该确保无人机编队能够时刻保持与地面站之间的稳定通信，避免因为不稳定的数据传输和监测控制而导致任务失败。而且在执行编队任务时飞控需要实时接收和发送相关数据，如位置、速度、方向、偏航角等，因此需保证飞控的数据处理能力。并且飞控应要可以实现较高的高度和较快的速度上限，以满足不同的任务需求。三、协同性能需求编队无人机需要处理大量数据，但是系统总资源有限。因此需要通过选择可以简单性和高效性传输信息的通信协议，来完成编队通信系统的搭建。四、安全性能需求系统应确保通信是在传输丢包的情况下，可以对信息进行重新传递，避免因通信数据的丢失而导致的安全事故。2.2系统总体设计方案2.2.1系统的总体设计思路编队通信系统旨在实现编队通信的的稳定性、高效性和安全性，而无人机系统内部包含的WIFI数传模块可以用来搭建编队的通信网络REF_Ref23305\w\h[9]。以下是该系统的整体设计方案概述：一、系统架构本系统是以ESP8266-WIFI模块为编队的通信系统的搭建模块，由其和QGC地面站组成完整的通信网络，用来传递数据。而编队无人机之间也是通过WIFI通信模块完成数据的传输和交换。地面站则负责对每一架编队无人机的状态、轨迹进行监控，并发送控制指令。二、WIFI通信模块WIFI通信模块采用的是esp8266模块，确保无人机编队在执行任务时能够保持稳定的通信连接。该模块低成本、高性能的特点，广泛应用于各种无人机编队可以满足通信的需求。三、PX4飞控系统PX4飞控在编队中作用为对编队无人机的飞行状态进行调控。通过控制无人机的姿态、速度、高度等相关数据，来确保无人机编队可以按照预定的飞行轨迹和控制指令进行飞行。而且，PX4飞控还可以不断添加其他的传感器，并完成通信连接，使得编队可以实现更多的功能，完成各种不同的飞行任务。四、通信协议不同的通信协议具有不同的特性，需通过编队所需的要求来选定合适的通信协议，避免无人机数据处理资源无故浪费。合理的通信协议可以充分发挥本身的特性，也解放无人机的资源处理量，提高传输效率，降低传输难度。五、地面站地面站是整个编队通信系统的核心部分，地面站负责监控编队的飞行状态，在WIFI环境内通过Mavlink通信协议获得相关信息，并将控制指令返还回编队无人机，以此完成编队数传通信任务。六、安全性为确保系统的安全性，地面站要避免他人控制无人机，造成不必要的损失。2.2.2系统的总体设计框图系统可以完成无人机编队通信传输。实现集群算法、地面站和编队无人机三者之间的通信和数据传输。图2-1为系统总体结构图。图2-1系统总体结构图2.2.3设计的可行性分析通过市场调研，开发设计出一款基于WIFI的编队无人机通信系统是非常有必要的。但是在产品功能的实现过程中，难免会遇到各种困难，因此在进行系统的设计实现之前，对产品设计的可行性进行分析是产品设计中不可缺少的一部分。以下从技术和经济两方面对设计的可行性进行详细进行说明。1.技术可行性分析(1)硬件部分此次设计硬件部分只需要ESP8266控制芯片、PX4飞控、F450无人机等器件，这些模块均开发齐全、集成度高、使用简单。(2)软件部分调试ESP8266模块，搭建完整的通信网络。选择合适的通信协议完成每个通信点位之间的正常通信。并对丢失的数据进行重传。整套数传流程相对完善，避免因为丢包而带来的后果。从软硬件实现的角度来看，现有的设计条件能够满足技术发展的需要。2.经济可行性分析本无人机编队系统硬件部分只需要ESP8266控制芯片、PX4飞控、F450无人机等器件，它们的成本较低，在经济上具备实现的可行性。2.3相关工具与技术2.3.1硬件开发环境一、硬件组成ESP8266WIFI模块：作为通信核心，ESP8266WIFI模块负责在无人机之间以及无人机与地面控制站之间建立稳定的WIFI连接。该模块具有低功耗、高性能的特点，支持STA（Station）模式和AP（AccessPoint）模式，使得无人机既可以作为客户端接入其他WIFI网络，也可以作为热点为其他设备提供网络接入。PX4飞控：PX4飞控作为无人机的“大脑”，负责无人机的飞行控制、导航定位以及任务执行等功能。PX4飞控具有强大的开源自动驾驶飞行软件包，支持多种无人机类型和应用场景。其他硬件组件：包括无人机机体、电机、螺旋桨、传感器等，这些组件共同构成完整的无人机系统，为编队飞行提供硬件基础。二、开发环境搭建在利用ESP8266-WIFI模块前，需要先对ESP8266-WIFI模块进行固件刷写，否则电脑或者地面站无法连接到WIFI信号。而编队无人机每一架都要搭载WIFI模块，所以要对所有WIFI模块进行刷写，来达到使用的目的。三、无人机的遥控原理无人机的遥控原理一般就是利用地面的发射机把有关控制的电信号进行编码，经过红外调制、调幅或无限调制，把信号转换成无线信号发送给无人机。无人机接受信号后，把接收到的无线电波在进行一系列的放大解码等操作，获得最初的控制信号，然后将信号传给相关的元器件进而实现无线控制REF_Ref23625\w\h[3]。2.3.2软件开发环境一、地面站而地面站则需要可以基于开源软件如QT进行开发，设计地面站与无人机之间的通信链路,以实现地面站对编队无人机的健侧控制、飞行计划定制并且可以在地面站内一键启动无人机编队，完成相关编队任务。而QGC地面站通过QT进行开发具有多方面的优点，这些优点主要体现在软件的可操作性、普适性等方面。以下是基于我搜索到的资料对这些优点的详细分析。可操作性和普适性：基于Qt的软件设计方案强调了其在无人机实时遥测数据显示、遥控数据上传以及航迹规划功能方面的强大操作性和普适性。这表明使用Qt进行开发能够提供一个直观且易于使用的界面，使得操作人员可以方便地监控和控制无人机的飞行状态。2.3.3相关技术1.Mavlink协议Mavlink协议是一种轻量级的通信协议，主要用于无人机（UAV）之间的数据传输。它设计用于在低带宽和高延迟的环境下工作，因此它的核心目标是高效和可靠地传输数据。Mavlink的底层协议是UDP（UDP是一种无连接、无确认机制的协议。这意味着UDP不会保证数据包的顺序、完整性和可靠性，一旦数据包在网络中丢失或损坏，UDP通常不会采取任何措施来重新传输这些数据包。）通信协议，然而，这种不可靠性也被视为一种优势。因为UDP协议不进行额外的开销以建立连接、维护连接和差错控制，它能够提供更快的数据传输速度和更低的系统开销。这对于资源受限的无人机来说尤为重要。2.WIFI通信技术WIFI通信技术是一种短程无线传输技术，采用无线电波传输的通信距离可达4英里。通信系统使用WIFI技术搭建通信网络，完成数据的传输。2.4本章小结本章分别对功能和性能进行需求的分析。论述出系统的总体设计思路，主要分为环境搭建和通信传输两大部分，环境搭建展示通信环境的相关技术，通信传输确保数据传输。分硬件、软件两部分针对技术可行性以及经济可行性的进行分析，并对软硬件的开发环境相关技术进行简要介绍3系统的硬件设计与实现3.1系统硬件总体设计一、硬件组成ESP8266通信模块：本项目编队无人机通信模块为WIFI通信模块ESP8266。因为市面上常见的WIFI模块有ESP8266、ESP32、CC3000，其中，ESP8266成本低、功耗低、集成度高；ESP32功能性强，但是成本较高、功耗较大；CC3000它是一款较早的WiFi通信模块，相较其他两款模块相比没有什么优势。而在本文的编队通信系统中ESP8266模块的低功耗、低成本更符合编队需求，所以选择ESP8266-WIFI模块。PX4飞控：PX4飞控作为编队无人机的飞控系统，主要的任务是实现编队的姿态控制、位置定位、路径规划等等实现编队的功能。在编队的设计中，飞控需和WIFI模块进行连接，以确保接收和处理来自WIFI模块的数据和指令。通过Mavlink通信协议完成编队内的整体通信。二、接口与连接接口设计：因为ESP8266-WIFI模块和PX4飞控的接口供电幅度不同，所以需要在两者之间连接一个USB转TTL接口，使两者可以稳定供电。确保接口的有效供电，可以提高通信的稳定性和抗干扰能力，确保数据传输的准确性和可靠性。三、电源与供电设计合理的电源管理方案，为ESP8266通信模块和PX4飞控提供稳定、可靠的电源供应。考虑到无人机的功耗和续航能力，应优化电源分配，降低能耗，提高系统的整体性能。3.2系统硬件模块选型3.2.1ESP8266通信模块ESP8266采用串口与主控单片机通信，内置TCP/IP协议栈，实现串口与WiFi之间的装换。ESP8266模块能够支持三种工作模式，即STA、AP、以及STA+AP结合的模式。STA模式是通过路由器和因特网连接，通过因特网可以远程控制手机或者电脑设备。AP模式则以ATK＿ESP8266模块为热点，实现与ESP8266直接通信的手机或电脑，实现对局域网无线控制的需求REF_Ref4601\w\h[4]。ESP8266-WIFI模块作为本次编队的通信模块，它拥有者良好的性能和多种多样的功能，为编队提供了稳定的通信模式。首先，ESP8266-WIFI通信模块作为编队通信它具有良好的处理器，可以提供多种通信协议。如Wi-Fi、TCP/IP等，可以实现高速稳定的通信，这对编队无人机来说至关重要，它保证了编队无人机之间以及无人机和地面站之间信息的实时、准确的数据传输和指令接收。其次，ESP8266模块的内置资源丰富，拥有不同的固件库，很多编程语言都可以进行开发。而本次编队无人机的使用之间，也需要对ESP8266模块进行固件的刷写，才能进行使用。此外，ESP8266-WIFI模块在编队无人机和地面站之间的通信中，可以通过地面站对编队进行远程控制，通过发送不同的指令完成不同的飞行任务。这为无人机的编队飞行提供了极大的便利和灵活性。总的来说，ESP8266通信模块拥有良好的性能和丰富的功能，为编队无人机之间的通信提供了良好的方式。ESP8266模块如图3-2所示。(a)模块外观图(b)模块接口电路图图3-2ESP8266模块实物图3.2.2Pixhawk2.4.8飞控PX4是一款致力于为学术界、业余爱好者和产业社区提供低成本高性能飞控的独立开源项目，是智能无人机开发者常用的工具，国内外有不少相关的研究和工程开发。基于PX4飞控的四旋翼无人机进行强化学习训练的相关研究过程中REF_Ref23798\w\h[7]。首先，Pixhawk2.4.8飞控的硬件技术品质高，在飞控内集成了很多高性能的处理器和传感器，可以大幅度提高飞控精确度，对编队无人机在飞行时的保持稳定据有着良好的作用。其次，Pixhawk2.4.8飞控支持许多不同的通信方式，例如本文的WIFI通信方式，可以很好的使得编队无人机和地面站进行高效的信息传递。可以在飞行任务中高校处理地面站的数据指令，确保编队的同一性和协调性。此外，Pixhawk2.4.8飞控还可以针对性进行额外开发，实现各种不同情况下的飞行任务。总的来说，Pixhawk2.4.8飞控在编队中拥有优秀的系统。它可以在编队中提供稳定通信，可以高速处理地面站发送的数据和指令，有效的完成编队任务。无论是什么任务，Pixhawk2.4.8飞控都能够满足编队无人机的需求，实现精准的飞行控制和协同作战。(a)模块外观图(b)模块接口电路图图3-3PX4飞控3.2.3F450无人机F450无人机是一款在市场上广受欢迎的多旋翼无人机，在本编队无人机使用的是F450四旋翼无人机，其具备多种特点和功能。设计特点：结构设计：F450无人机采用了十字框架结构设计，在拆解后其使用了四个主要的主臂和重要的飞控组合而成。这种设计结构对无人机的稳定性提高具有很大的帮助，而且简单的结构提供了更好的操作性，也使得编队无人机的维护和升级更加的简单方便材料选择：十字框架的主体结构利用了强度相对较高的玻璃纤维制作而成，在飞行任务中具有良好的抗干扰能力。而电池等重要部分也采用了高强度的保护性材料，以确保编队无人机飞行过程中的稳定性和可靠性。紧凑型设计：F450的紧凑型设计使得其重量更轻，体重更小，在编队中相比较而言更加的方便携带，无论是何种实地勘察，都可以方便快捷的携带编队前往目的地完成飞行任务。飞行性能：悬停稳定性：F450配备了良好的飞控系统，无论是在悬停或者加速飞行中都具有良好的稳定性，可以在编队无人机中拥有更加出色的表现。飞行速度和高度：F450无人机在空的飞行速度最快可以达到15m/s，而飞行高度最高可以达到300米左右，为飞行任务提供了更高的自由度。而且，F450除了其本身最基础的优势以外，也还具备一些其他方面的优点，使得它成为了编队无人机飞控的良好选择。良好的包容性：F450无人机支持多种拓展设备，如摄像头、云台等，我们在执行编队任务时可以根据不同的任务内容，对F450无人机进行搭载不同的设备，如摄像头、云台等。综上所述，F450无人机具有的良好的结构设计、材料选择、飞行性能、续航能力以及包容性等优点，使得起成为了编队无人机的理想选择，他可以适用于各种场景，并为其提供稳定的、高效的编队飞行。图3-4F450无人机3.3硬件结构综上所述，在WIFI环境下，编队通信系统的整体通信结构如下所示：图3-5硬件结构图3.4本章小结本章主要介绍了无人机编队系统硬件设计的整个流程。首先我们对系统硬件进行总体设计的论述，而后从PX4飞控、通信模块等俩部分对采用的模块进行原理、接口连接以及在本系统中的应用的进行详细说明。4系统的软件设计与实现4.1网络协议结构一个典型的网络协议整体架构可以划分为以下几个主要层次：物理层：物理层是网络协议栈的最低层，它定义了数据在物理介质（如电缆、光纤或无线信号）上的传输方式。物理层负责处理比特流的传输和接收，以及设备之间的电气、机械和定时接口。数据链路层：数据链路层负责将数据分成帧，并在帧中添加必要的控制信息，以便在物理层上进行传输。它还负责处理帧的发送和接收，以及流量控制和错误检测。网络层：网络层负责将数据从源地址传输到目标地址。它主要关注路由选择和分组转发，确保数据能够正确地通过网络中的不同节点进行传输。常见的网络层协议包括IP（InternetProtocol）和ICMP（InternetControlMessageProtocol）。传输层：传输层负责在源端和目标端之间建立、管理和终止连接。它提供可靠的数据传输服务，确保数据的完整性和顺序性。常见的传输层协议包括TCP（TransmissionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。会话层：会话层负责在网络中的设备之间建立、管理和终止会话。它提供同步和对话控制机制，确保不同设备之间的通信能够顺利进行。表示层：表示层负责数据的表示和转换，以确保发送端和接收端能够正确理解和解析数据。它涉及数据压缩、加密和格式转换等功能。应用层：应用层是网络协议栈的最高层，它直接面向用户应用。应用层协议定义了不同应用程序之间如何进行通信和交换数据REF_Ref25607\w\h[11]。本文编队通信系统中，所介绍和应用到的通信协议在七层网络结构中的层次如下所示：OSI七层网络结构四层概念模型对应网络协议应用层应用层Mavlink协议表示层会话层传输层传输层UDP、TCP网络层网络层WIFI信号数据链路层网络接口物理层4.2WIFI通信本文编队通信系统由WIFI模块ESP8266构建而成，在编队内的每架无人机上都安装一个ESP8266模块。而ESP8266模块在使用过程时应提前对模块进行固件的刷写，使得刷写后的模块满足编队通信的条件。刷写固件时的接线：模块的3v3接usb转ttl的3v3电源模块的tx接usb转ttl的rx模块的rx接usb转ttl的tx模块的gnd接usb转ttl的gnd在刷固件时，需要将模块的IO0接地（正常使用时则不需要接地）图4-1管脚功能找到刷写的相关固件，开始对模块进行刷写图4-2固件刷写刷写后，可以在电脑端连接我们的WIFI模块，此时WIFI模处于AP模式中，该模式下模块本身是一个小范围的热点.而编队内需要连接多个WIFI模块，所以要对其模式进行更改，在把网站打开后对AP模式改为STA模式，并对其子网掩码等数据进行调整，后对每个WIFI模块设置不同的ID用来区分每架编队无人机，更正数据之后连接上飞控，打开地面站并调试即可在地面站内识别到编队无人机，完成WIFI通信网络的搭建。图4-3WIFI模式调整4.3编队通信协议4.3.1协议选择应用在便对无人机系统中的通信协议大概有UDP协议、TCP协议和Mavlink协议，每种协议的传输特性都各不相同，而针对本文中的通信系统的最优选择对比如下所示：UDP协议：首先，UDP协议以其无连接的特点，在无人机编队通信中能够快速、高效地进行数据传输。由于无人机编队中的通信往往需要实时性和快速响应，UDP协议不需要先建立连接的特性使得数据可以尽快地发送到网络上，从而满足编队通信的需求。其次，UDP协议具有低开销的特点，其信息包标题只有8个字节，相较于TCP的20个字节信息包，UDP的额外开销更小。这使得在无人机编队通信中，可以更有效地利用带宽资源，提高数据传输的效率。再者，UDP协议适用于对实时性要求较高但对数据可靠性要求相对较低的场合。在无人机编队中，一些实时性要求较高但允许一定数据丢失的应用场景，如实时视频流传输等，UDP协议能够较好地满足这些需求。然而，需要注意的是，由于UDP协议不保证数据的可靠性、顺序性和完整性，因此在无人机编队中，如果涉及到需要高度可靠性的数据传输，可能需要结合其他协议或机制来确保数据的稳定传输。一些研究还探索了利用UDP进行高速数据传输的方法，如基于双网的高可靠UDP通信方法REF_Ref25683\w\h[12]。TCP协议：首先，TCP协议是面向连接的，这意味着在传输数据之前，必须先建立TCP连接。这种连接建立机制确保了无人机编队中各个成员之间的通信稳定性和可靠性。TCP/IP协议栈是互联网的核心协议，包括应用层、传输层、网络层和链路层。其次，TCP协议提供可靠的数据传输服务。它通过序号、确认和重传机制来确保数据的可靠性。在无人机编队中，如果数据包丢失或出现差错，TCP协议会负责重发数据，从而确保数据的完整性和准确性。此外，TCP协议还具有有序性，它能够将发送的数据划分成一个个数据块，编号后发送，接收方根据编号将这些数据块组装成完整的数据。这对于无人机编队中需要按照特定顺序处理的数据传输尤为重要。同时，TCP协议还提供了流量控制和拥塞控制机制。流量控制能够确保发送方的发送速度不会过快，导致接收方处理不及时，从而避免数据丢失。而拥塞控制则能够在网络拥塞时降低发送速率，以减轻网络负担，保持整体网络的稳定性REF_Ref26708\w\h[13]。Mavlink协议：Mavlink协议是一种轻量级的通信协议，主要用于无人机之间的数据传输。它设计用于在低带宽和高延迟的环境下工作，因此它的核心目标是高效和可靠地传输数据。Mavlink的底层协议是UDP通信协议。并且它还支持多种微控制器平台，如ARM7、ATmega、STM32等，并能在Windows、Linux和MacOS操作系统下开发REF_Ref27253\w\h[14]。综上所述，UDP协议虽然功耗最少，但是UDP协议对丢包毫无处理；而TCP协议虽然由完备的重传机制，但是功耗过大，对于资源匮乏的无人机来说，会占用大量数据处理的空间；而在Mavlink协议中，它既有UDP的低功耗，也同时可以添加协议重传机制，有效降低了丢包的概率。尽管如此MAVLink协议仍然是无人机通信领域的重要工具。它不仅支持基本的数据传输功能，还能根据需要自定义消息，以适应特定的应用场景REF_Ref27675\w\h[15]。比如在offboard模式下，QGC把无人机相关数据发送给飞控，这时候就需要在mavlink中自定义一些消息了。完成相关信息的传输。图4-4Mavlink自定义消息4.3.3安全保障本文通过Mavlink通信协议完成编队通信，而Mavlink通信协议在传输信息时可能出现丢包，丢包率过大会影响编队之间的通信，无法做到实时传输数据。所以需要降低丢包率，重传机制就能很好的解决丢包率的问题，针对丢失的数据可以通过重传机制再次发送，大幅降低了通信的丢包率。重传机制是一种在通信过程中用于检测和解决数据传输错误的技术。为了确保数据的可靠传输，重传机制被引入。它的基本原理是通过发送方和接收方之间的协商和判断来实现。首先，发送方会将数据分成一定的数据包进行传输，并为每个数据包分配唯一的序列号。接收方收到数据包后，会根据序列号判断数据包是否有误或丢失。如果数据包有误或丢失，接收方会发送一个确认信息给发送方，告知数据包需要重传。发送方收到确认信息后，会重新发送数据包，直到接收方正确接收并确认。重传机制在各种网络通信场景中都有广泛的应用，特别是对于对数据完整性要求较高的应用，如文件传输、视频流传输等。在文件传输过程中，如果发生数据包的传输错误或丢失，消息重传机制可以确保数据的完整性，避免文件损坏或数据丢失。在视频流传输过程中，由于网络延迟或不稳定性，可能导致部分数据包的丢失，消息重传机制可以及时重传丢失的数据包，保证视频的连续播放。实现重传机制的具体方式有多种，其中一种常见的方式是停等协议（Stop-and-WaitProtocol）。在这种协议中，发送方发送一个数据包后，会等待接收方的确认信号。如果没有在规定时间内收到确认信号，发送方会重传该数据包。本课题中,地面站和无人机通信环境不稳定,并且由于地面站的数据量大,并且允许个别数据包的丢失。所以设计重发计数器上限为二,如果两次自动重传仍然没有无人机的应答报文,则放弃重传此段时间内的数据包。图4-4自动重发机制4.4本章小结本章主要梳理了编队通信的整体网络结构。详细介绍了相关网络通信协议，并选择符合编队通信需求的通信协议。对通信协议存在的相关问题如丢包率进行介绍，并提出协议重传机制作为解决办法。5系统测试5.1编队测试5.1.1模拟测试无人机编队模拟测试时基于仿真平台开展无人机集群的仿真实验能够模拟实际工作环境，为实战提供理论支撑，有重要的现实意义[2]。当PX4飞控成功连接到地面站后，可以在Gazebo仿真软件中完成编队无人机模型的飞行[11]。首先进行单架无人机的模拟测试，先在终端中执行程序然后在gazebo中进行模拟飞行：图5-1单架gazebo仿真单架无人机完成后，进行编队无人机的飞行，在编队仿真过程中先打开地面站对GPS、机间通信系统进行调试，然后启动编队：启动三架编队无人机的仿真结果如下:图5-2三架编队无人机gazebo仿真5.1.丢包率检测而在编队通信系统中，数据丢包是影响编队的重要原因。丢包率过高辉导致编队无法正常飞行。而本文中的WIFI模块通信丢包率主要受到距离和障碍物的影响，通过两台电脑连接WIFI模块，调试波特率，完成连接。通过一台电脑发送数据到另一台电脑，改变两台电脑的位置，测试在不同位置下的通信丢包率：(a)发送(b)接收图5-3相距10m的通信测试(a)发送(b)接收图5-4相距20m的通信测试(a)发送(b)接收图5-5相距30m的通信测试(a)发送(b)接收图5-6相距50m的通信测试而在编队飞行途中，不只是距离会影响通信，无人机之间出现障碍物也会影响到通信效果。通过移动两个WIFI模块到不同障碍之间，可以测试出障碍物对丢包率的影响：(a)发送(b)接收图5-7相距一堵墙的通信测试(a)发送(b)接收图5-8相距两堵墙的通信测试通过多组试验后得到的数据进行汇总，可以得下以下的结果：不同距离下两个WIFI模块通信的丢包率相距距离发送接收丢包率10m4564560%20m3803751.3%30m1201163.3%50m1841764.3%不同障碍物下两个WIFI模块通信的丢包率墙的数量发送接收丢包率1堵2952892.1%2堵5275034.5%总结上述结果，可以清晰的看出编队内无人机机间距离在20m之内，无明显障碍物的情况下，WIFI通信的丢包率很低几乎不会影响到编队通信系统之间的正常通信。而且，编队内无人机通常不会距离过宽。所以选择WIFI通信进行无人机编队的通信系统设计是一个很好的选择。5.1.3实飞测试图5-9实飞测试5.2本章小结本章针对无人机编队的仿真和通信丢包率情况进行了测试，确保编队通信无论是在哪种情况下都可以完成起飞、编队飞行和降落的过程，确保整个编队无人机通信系统可以正常进行，并对其进行完善。6总结及展望6.1总结本文设计了一款基于WIFI的编队无人机通信系统。该系统主要实现无人机编队和QGC地面站之间通过WIFI信号搭建通信网络，利用Mavlink协议完成通信的相关设计，在系统设计的过程中，主要完成了以下工作：1.详细阐述了国内无人机编队