论文总字数：20414字

摘 要

本论文主要探讨了在4G模块拨号上网下wifi热点的创建，最终实现无人机搭载树莓派的空中热点。基于“无人机 树莓派”的空中WiFi接入点，通过LTE无线通信模块，为其它接入设备提供可靠的网络连接。主要工作如下：

1.介绍了目前无人机的发展情况，并介绍了无人机网络的工作特点。

2.介绍了目前已有的无人机网络的组网方式以及它们的不足。

3.分析了使用4G LTE模块为无人机联网的优势以及可行性。

4.介绍了如何通过华为4G LTE模块拨号上网，并且通过hostapd配置热点，itables配置数据转发关系来创建一个可用的WiFi为其他无人机提供接入点。

关键词：无人机，树莓派，空中WiFi，hostapd ，iptables，数据转发，4G模块

Abstract

This paper mainly discusses the creation of wifi hotspots under the dial-up access of the 4G module, and finally realizes the air-flying hot spots of the drone equipped with the Raspberry Pi. Based on the "drone Raspberry Pi" air WiFi access point, through the LTE wireless communication module, provide a reliable network connection for other access devices. The main work is as follows:
1. Describes the current development of drones and describes the working characteristics of drone networks.
2. Presented the existing network of unmanned aerial vehicles and their shortcomings.
3. Analyzed the advantage and feasibility of using 4G LTE module for UAV networking.
4. Describes how to use Huawei's 4G LTE module to dial-up the Internet and configure hotspots through hostapd. Itables configures data forwarding relationships to create an available WiFi to provide access points for other drones.


Keywords: drone, raspberry pie, air WiFi, hostapd, iptables, data forwarding, 4G module

目 录

摘 要 1

Abstract 2

1.1 引言 1

1.2 无人机集群发展现状 2

1.2.1 无人机集群由来及优势 2

1.2.2 无人机集群发展状况 3

1.3 论文组织结构 4

第二章 无人机组网技术 5

2.1地面大功率发射塔 5

2.2自组织网络 5

2.3使用4G LTE网络 6

第三章 相关软件与系统介绍 8

3.1 树莓派相关 8

3.2 hostapd 9

3.3 iptables 10

3.3.1 iptbles的规则表和链 11

3.3.2 iptables数据包的传输过程 12

3.4 4G LTE 13

第四章 平台架构 15

4.1单台无人机架构 15

4.2多台无人机架构 16

第五章 WiFi配置及实验效果展示 18

5.1实验概述 18

5.2 hostapd配置 18

5.2.1 hostapd基本配置 18

5.2.2认证方式配置 19

5.3 4G模块拨号上网 19

5.4 iptables配置数据转发 20

5.5 实验结果分析 20

第六章 总结和展望 23

6.1现有研究成果总结 23

6.2未来研究工作展望 23

致 谢 24

参考文献 25

第一章 绪论

1.1 引言

随着计算机科学与技术的飞速发展，我们已经步入了自动化、智能化和信息化的时代，由此衍生出了一系列科技产物，无人飞机就是其中之一。无人机体积较小，成本低，航程较远并且不需要人为驾驶，而且能有效利用当今的一些高新技术，在很多地方无人机都能发挥用武之地。无人机一开始主要用于军事方面比如战场的侦察等等，现在不仅在军事方面得到充分使用，在民用方面也得到了广泛的关注和发展。

与单个无人机系统相比，多无人机系统即无人机集群可以更高效，更经济地协同完成任务，还具有可生存性更强、可扩展性更高等优势，因此无人机集群将是无人机发展的必然趋势。然而，对于无人机集群工作而言，还有很多实际问题亟待解决，最重要的就是解决集群无人机之间以及无人机与地面站之间的通信问题。

现在解决无人机键通信问题可以使用地面大功率发射塔或者采用自组网技术。使用地面大功率发射塔可以保证附近无人机能够正常通信，确保对附近地区的通信覆盖，但是范围有限，一旦超出发射塔的通信范围便不能正常工作。同样的，自组网技术要实现基站与无人机集群远距离无人机的通信，需要通过多架无人机作为中继来进行信息交互，要确保通信正常，就需要确保作为中继的无人机不能出错，成本高且容错率低。

因此我们提出使用LTE进行简单状态信息和控制指令收发。本论文使用4G LTE模块为无人机集群中的领头无人机提供网络服务，是无人机集群与互联网接通，并通过领头无人机为其它所有无人机提供无线数据通信接入。这样只要在4G信号覆盖到的地方都能保证无人机集群的正常工作。本毕设基于“无人机 树莓派开发板”这样的平台设计并实现空中WiFi热点，使无人机与无人机之间以及无人机与基站之间都能正常通信。

本论文使用了4G LTE模块，采用拨号上网的方式连接移动4G网络，不同于地面大功率发射塔和自组织网络，4G拨号上网的方式让无人机的飞行距离得到了质的提升，前面两种方式无人机只能在一定区域内活动，而使用4G LTE网络则可以让无人机实现超视距飞行，换句话说，只要这个区域由4G网络信号覆盖，无人机集群就能去这儿工作，而无人机通信不会受到影响。同时，这也增强了无人机的抗干扰性和一般性，如今4G网络基本已经全国覆盖了，因此无人机集群基本可以飞入任何一个区域工作，无人机集群也得到了更广泛的应用。

1.2 无人机集群发展现状

1.2.1 无人机集群由来及优势

集群一词是从生物学中派生过来的，原本值得是一种生物的集体行为，生物界中包括人类在内的很多生物都有集群行为，我们最常见的集群行为有大量的蚂蚁聚集在一起搬运食物，这些蚂蚁聚在一起朝特定的方向行动，这就是集群。无人机集群，又称为空中机器人集群，就是群体原理在机器人（空中机器人）方面的应用而来的。

在无人机集群中无人机个体与整体是如何组织在一起的呢，有三种方式可以实现：第一种方式是个体独立行动，比如下面所讲的建设信号发射塔，个体无人机均直接与基站联系；第二种方式是只需要本地信息即可行动，每架无人机通过自己收到的本地信息指令执行行动动，与能否获取全局信息无关；第三种方式是行动匿名，这种方式下是无人机集群作为一个整体完成任务，于第二种方式相反，这种方式与个体信息的了解与否无关，只要有群体的指令即可。相比较单个无人机工作而言，集群无人机具有明显的优势：

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