[发明专利]一种基于云的多无人机监控方法

摘要

本发明公开了一种基于云的多无人机监控方法，目的是提高多无人机监控的实时性。其特征在于构建由客户端层‑云服务层‑无人机层组成的无人机监控系统，客户端层向云服务层发送注册指令，从云服务层接收无人机监控数据；云服务层为无人机提供计算和存储能力，并为客户端层提供访问无人机的接口；无人机层包含N台无人机；云服务层根据注册指令进行无人机连接，构造无人机化身，进行无人机分组，云服务层和客户端层相互配合，通过收集无人机化身的属性值实现对多个无人机进行监控。采用本发明将计算存储任务卸载到云服务层，并对无人机的飞行状态数据进行监控，可以支撑无人机集群大规模数据监控场景，并保证多无人机监控的实时性。

主权项

1.一种基于云的多无人机监控方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建无人机监控系统，无人机监控系统由客户端层‑云服务层‑无人机层组成；客户端层包含N个客户端，N为正整数，客户端层为用户提供访问接口，由运行在浏览器的web应用和第一接口层组成；客户端层接收用户输入的注册指令，为用户提供资源访问的入口；客户端层通过WebService接口以HTTP协议的方式向云服务层发送注册指令，客户端层通过WebService接口从云服务层接收无人机监控数据；云服务层为无人机提供计算和存储能力，并为客户端层提供访问无人机的接口，云服务层采取“自下而上”的层次化架构，依次由第二接口层、存储层、计算层组成；第二接口层是第一层，用来获取并解析来自无人机层和客户端层发送过来的数据信息，并向上与存储层进行交互；存储层是第二层，用来存储接口层传递过来的数据；计算层是第三层，用来从存储层获取监控的数据，并进行对应处理；第二接口层提供两种接口：Sockets接口和Web Service接口；Sockets接口接收来自无人机的MAVLink消息，对其进行解析得到无人机状态监控数据，将无人机状态监控数据存储到Redis缓存；Web Service接口与客户端层相连，WebService接口从客户端层接收通过HTTP传递过来的注册指令，将注册指令发送给注册模块，并将从存储层接收的无人机监控数据封装成HTTP状态消息发送给客户端层；存储层由无人机状态数据库、无人机注册数据库和缓存Redis组成；无人机状态数据库存储无人机监控数据，具体包括无人机ID，集群ID，IP地址，端口号，飞控版本，注册日期，连接状态，无人机航向角，三维速度，高度，空速，姿态角，经纬度和电池信息14个表项，其中无人机ID是无人机的唯一标识；集群ID是该无人机所在的集群分组，同一无人机只能在一个集群分组内；一个无人机对应唯一的IP地址和端口号；飞控版本是无人机飞行控制系统的版本；注册日期是注册模块注册无人机的日期；连接状态指当前无人机监控系统是否连接无人机，若是连接无人机，记为1，否则记为0；无人机航向角是无人机纵轴与地球北极之间的夹角；三维速度是无人机在x轴、y轴和z轴三个方向的速度；高度是无人机相对于海平面的相对高度；空速是当前飞行时候的风速；姿态角是无人机的机体坐标和地理坐标系之间的关系确定的航向角、俯仰角和横滚角三个欧拉角；经纬度是标示无人机位置的坐标；电池信息是无人机的剩余电量大小；无人机注册数据库记录无人机注册信息，包括无人机ID、客户端ID、集群ID、IP地址、端口号、飞控版本、注册日期、连接状态8个表项，客户端ID是客户端的唯一标识，一个无人机ID对应一个客户端ID，其它7个表项与无人机状态数据库中的对应表项内容一致；缓存Redis临时存储无人机状态监控数据，具体包括无人机ID，、无人机航向角、三维速度、高度、空速、姿态角、经纬度、电池信息8个数据项，这8个表项与无人机状态数据库中的对应表项内容一致；计算层由实时流数据处理框架Storm、消息队列Kafka、监控模块、注册模块、连接模块、分组模块组成；注册模块与连接模块相连，连接模块与分组模块相连，分组模块与监控模块相连，监控模块与消息队列Kafka相连，消息队列Kafka和实时数据处理框架Storm相连；计算层先收集缓存Redis存储的8项数据，并根据无人机状态监控数据中的无人机ID，在无人机注册数据库中查询该无人机的IP地址，端口号，集群ID，飞控版本，注册日期，连接状态6项数据，将这14项数据组成无人机监控数据，加载进Kafka中，然后通过Storm进行实时数据处理，将处理之后的无人机监控数据存入无人机状态数据库中；Kafka的主要作用是临时存储无人机监控数据；注册模块进行无人机注册，连接模块进行无人机连接，分组模块进行无人机分组，监控模块和客户端层配合，进行无人机监控；无人机层包含N台无人机，对应N个客户端；每台无人机的飞控固件采用MAVLink协议实现数据链路传输，并通过Sockets接口与云服务层上的Sockets接口进行交互；第二步，初始化无人机状态数据库，无人机注册数据库和缓存Redis；在云服务层部署无人机状态数据库和无人机注册数据库，并将无人机状态数据库和无人机注册数据库内容置空，在云服务层部署缓存Redis，并将缓存Redis内容置空；第三步，客户端层选取K个客户端进行注册，K为用户需要同时监控的无人机数量，1≤K≤N，方法是：3.1 客户端层在N个客户端中选取一个空闲的客户端，执行注册操作，发送注册指令；3.2 云服务层的Web Service接口从该客户端接收当前需要注册无人机的注册指令，注册指令包括无人机的IP地址、端口号和客户端ID3部分，将注册指令发送给云服务层的注册模块；3.3 注册模块根据注册指令中的IP地址和端口号查找无人机注册数据库，因为一个IP地址和端口号只对应唯一的无人机，如果在无人机注册数据库找到了相同的IP地址和端口号，则将此无人机的连接指令发送给连接模块，连接指令包括无人机的IP地址、端口号和无人机ID3部分，执行第四步；否则执行3.4；3.4 注册模块给无人机分配一个无人机ID，并将无人机ID和当前需要注册的无人机的IP地址、端口号、集群ID、飞控版本、注册日期、连接状态以及当前发送注册指令的客户端的客户端ID添加到无人机注册数据库，并将此无人机的连接指令发送给连接模块，执行第四步；第四步，云服务层的连接模块进行无人机连接，方法是：4.1 云服务层的连接模块从注册模块接收连接指令；4.2 云服务层的连接模块将连接指令发送给Sockets接口，Sockets接口通过连接指令中的IP地址和端口号找到无人机层的对应无人机；4.3 Sockets接口从无人机层的对应无人机接收MAVLink消息，对MAVLink消息进行解析得到无人机状态监控数据，将无人机状态监控数据存储到缓存Redis；4.4 连接模块构造连接指令中的IP地址和端口号所对应无人机的无人机化身；无人机化身的构造方法为：连接模块从缓存Redis中获取无人机状态监控数据，选取无人机ID，无人机航向角，三维速度，高度，空速，姿态角，经纬度和电池信息8个数据项，并根据无人机状态监控数据中的无人机ID，在无人机注册数据库中查询该无人机的IP地址，端口号，集群ID，飞控版本，注册日期，连接状态6个数据项，由此得到无人机监控数据的14个数据项，同时作为无人机化身的属性，这些属性就构成了无人机化身；第五步，云服务层的分组模块进行无人机分组，统计无人机化身总数，若无人机化身总数小于K，转第三步3.1，若无人机化身总数等于K值，执行第六步；第六步，云服务层和客户端层相互配合，进行无人机监控，方法是：6.1 监控模块从分组模块获得所有的K个无人机化身，将无人机化身中的无人机监控数据放入到消息队列Kafka中；6.2 实时流数据处理框架Storm开启K个线程并行从消息队列Kafka获取K项无人机监控数据，将K项无人机监控数据并行存入无人机状态数据库；6.3 Web Service接口从无人机状态数据库并行读取K项无人机监控数据，将K项无人机监控数据均转换成JSON数据格式，并通过K项无人机监控数据中的无人机ID在无人机注册数据库中进行查找，找到这K个无人机ID所对应的K个客户端ID，将K项JSON数据格式的无人机监控数据分别返回给K个客户端ID对应的客户端；6.4 K个客户端ID对应的客户端解析对应无人机ID下的无人机监控数据，并行从文件读取电子地图，在电子地图上根据无人机监控数据绘制对应无人机的位置、路径信息，对K个无人机的监控状态进行数据展示。第七步，结束。