摘 要: 針對某無人機(jī)飛行監(jiān)測和控制要求，以VC++為開發(fā)環(huán)境，采用TRTD實時程序開發(fā)包開發(fā)人機(jī)界面，設(shè)計了操作方便，功能強(qiáng)大的集飛行監(jiān)測和控制、地面檢測于一體的無人機(jī)地面站軟件系統(tǒng)。軟件采用多線程設(shè)計方法，設(shè)計了主線程和串口通信子線程，串口通信以保證上行數(shù)據(jù)為主設(shè)計握手協(xié)議，將下行數(shù)據(jù)依對飛行安全重要性不同分為不同傳輸頻率的輔禎，解決了串口通信數(shù)據(jù)，容易導(dǎo)致通信堵塞和地面站需要數(shù)據(jù)更新快的矛盾。經(jīng)實際聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，通信實時性高，很好地完成了各部分功能，并具有良好的擴(kuò)展性。關(guān)鍵詞:無人機(jī); 地面站; 串口通信; 多線程

中圖分類號:TN911-34; TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0046-03

Design of Software for UAV Flight Control Ground Station Based on VC++ and TRTD

HE Xiang-zhi，WANG Rong-chun，ZHOU Wei

(Beijing Aeronautical Technology Research Center，Beijing 100076， China)

Abstract: According to the requirement of flight monitoring and control of certain UAV， a multifunctional and convinient flight control ground station software is designed which contain functions of flight control， monitoring and ground testing to develop human machine interface by using VC++ and TRTD. The software design used multithread method and designed the main thread and serial communication thread. To ensure the uplink data， the serial communication handshaking protocol is designed. The downlink data is divided into auxiliary frame of different transmission frequency according to different importance of flight safety， which can solve the problems of communication jamming and fast data update. Experiments show that the system works well and the communication is of perfect real-time property. The task of UAV ground station system is fulfilled with satisfaction and it also has good expansibility.Keywords: UAV; ground control station; serial communication; multithread

收稿日期:2010-06-18

0 引 言

無人機(jī)(UAV)是一種動力驅(qū)使、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器[1]。無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)包括兩個層次，如圖1所示，分別是飛機(jī)系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)。無人機(jī)的地面控制系統(tǒng)，即地面站GCS(Ground Control Station)，是無人機(jī)的重要組成部分，是整個無人機(jī)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”[2]，它控制系統(tǒng)各項功能的成功實現(xiàn)。地面站可以完成無人機(jī)的飛行操縱、數(shù)據(jù)鏈管理、機(jī)載任務(wù)設(shè)備控制和地面檢測，同時以數(shù)字和圖形形式提供飛機(jī)飛行狀態(tài)，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的監(jiān)控[3]。

為了提高實時性，本文采用Tilco公司的TRTD(Tilcon Real-Time Developer)實時程序開發(fā)包在Windows XP操作系統(tǒng)下開發(fā)地面站軟件。TRTD是一個簡單易用、快速、多平臺的實時程序開發(fā)包，它包括兩部分:TILCON Graphics Editor和TILCON Kernel。TILCON Graphics Editor是一個功能強(qiáng)大的圖形編輯器，可以產(chǎn)生諸如窗口、菜單、按鈕、復(fù)選框、表格等圖形對象，產(chǎn)生一個.twd文件供應(yīng)用程序調(diào)用。TILCON Kernel是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間相互連接的一個平臺，應(yīng)用程序調(diào)用TILCON Kernel提供的API (application programming interface)函數(shù)與操作系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系。經(jīng)過綜合考慮，選用C語言在Visual C/C++6.0集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序[4]。

1 軟件總體

1.1 軟件總體框架

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)如圖1所示。地面站的主要任務(wù)是定時采集分析遙測數(shù)據(jù)、實時發(fā)送遙控指令以及無人機(jī)的地面檢測。因此地面站軟件應(yīng)用程序主要分為兩個線程，主線程用于程序的初始化、子線程的創(chuàng)建和結(jié)束、應(yīng)用程序主窗口的管理以及遙控遙測數(shù)據(jù)的顯示和記錄;串口通信子線程主要管理遙控遙測與飛行控制計算機(jī)的通信，根據(jù)通信協(xié)議把通信內(nèi)容組幀或解幀[5]。軟件總體框架如圖2所示。

圖1 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

程序是從主函數(shù)WinMain()開始的，它們具有相同的程序架構(gòu)，程序流程如圖3所示。MainEventLoop()和DlinkRx()是程序在正常運(yùn)行情況下一直會執(zhí)行的函數(shù)體，DlinkRx()主要實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收及解碼，在MainEventLoop()中主要調(diào)用函數(shù)ProcessNotification()，所以函數(shù)ProcessNotification()成為主要運(yùn)行的函數(shù)體，由它來實現(xiàn)定時調(diào)用函數(shù)(case TRT_timer_hint) 以及處理主界面的一些操作(case TRT_window)。

圖3 軟件流程圖

1.2 界面設(shè)計

鑒于飛控地面站的主要任務(wù)，地面站軟件界面的設(shè)計分為遙控遙測界面和地面檢測界面，軟件界面的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。界面采用TRTD提供控件進(jìn)行設(shè)計，遙測數(shù)據(jù)顯示包括了數(shù)據(jù)顯示和圖形顯示[6]。數(shù)據(jù)顯示界面用來顯示飛行姿態(tài)信息、氣壓高度、空速、GPS信息等;圖形顯示用來實現(xiàn)飛行姿態(tài)信息、高度和空速的表盤顯示。故障回報通過故障燈閃爍報告飛機(jī)電源、鏈路、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、機(jī)載傳感器狀態(tài)，使地面站及時接收故障信息;采用Excel表格保存實時數(shù)據(jù)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析[7]。

圖4 界面總體設(shè)計

2 串口通信

地面站通過RS 232串口與無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)分為周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)2種。周期性數(shù)據(jù)主要是無人機(jī)飛行時的下行數(shù)據(jù)，即遙測數(shù)據(jù);非周期性數(shù)據(jù)主要是無人機(jī)飛行時的上行數(shù)據(jù)和地面檢測數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)孛嬲九c無人機(jī)通過數(shù)傳電臺進(jìn)行無線通信時，雖然地面站與地面數(shù)傳電臺以及無人機(jī)與機(jī)載數(shù)傳電臺采用RS 232串口為全雙工的工作方式，但機(jī)載電臺與地面電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時為半雙工的工作方式，因此在串口讀寫時要考慮握手協(xié)議。從無人機(jī)的飛行安全出發(fā)，要求無人機(jī)要能盡快響應(yīng)地面的指令，因此在串口通信設(shè)計時以地面上行指令為主。默認(rèn)情況下無人機(jī)不下發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)無人機(jī)收到上行的握手信號后才進(jìn)行數(shù)據(jù)的下傳，為了提高握手信號上行的精度，采用多媒體定時器來定時調(diào)用cmdsend_flag()，多媒體定時器回調(diào)函數(shù)的原型如下:

CALLBACK Timerdefine(UINT uDelay，UINT uMsg，DWORD dwUser，DWORD dw1，DWORD dw2)

同時為了避免可能產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)更新慢而影響到地面操作人員對飛機(jī)狀態(tài)的把握，將下行數(shù)據(jù)按重要等級分為A，B，C三個輔禎。A輔禎主要記錄飛機(jī)的姿態(tài)、角速率等信息;B輔禎主要記錄飛機(jī)的大氣數(shù)據(jù)，如高度、空速、地面控制指令等信息;C輔禎則記錄GPS的相關(guān)信息。A，B，C三個輔禎下行頻率為6∶3∶2，既滿足了地面操作人員對飛機(jī)安全相關(guān)信息的及時把握，又避免了由于數(shù)據(jù)多而導(dǎo)致的鏈路堵塞問題。

串口操作采用庫文件wsc32.lib提供的串行通信函數(shù)實現(xiàn)，常用的有SioGetc(int)和SioPuts(int，LPSTR，unsigned)，前者從指定串口接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)，后者將指定長度的數(shù)據(jù)通過出串口發(fā)送出去[8]。圖5給出數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收流程。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程

3 地面檢測

地面檢測的主要功能是接收飛控計算機(jī)發(fā)送下來的各種傳感器等信息，同時發(fā)送地面檢測指令信號給飛控計算機(jī)，實現(xiàn)在無人機(jī)沒有飛行之前對整個飛控系統(tǒng)進(jìn)行檢查，并完成飛控系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的配置。

地面檢測時無人機(jī)的下行數(shù)據(jù)同飛行時的遙測數(shù)據(jù)相同。然而地面檢測的上行數(shù)據(jù)比較繁雜，它包括控制指令中的地面檢測開關(guān)、回傳數(shù)據(jù)開關(guān)、裝訂數(shù)據(jù)開關(guān)等;又包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令中的各舵面PWM輸出測試指令、舵機(jī)參數(shù)中的比例因子、偏移量的設(shè)置，各舵面指令的發(fā)送及循環(huán)舵檢等;又包括任務(wù)航線的裝訂，發(fā)動機(jī)三段、油門的設(shè)置及輸出，以及各參數(shù)查詢及保存指令的上行等[9]。

4 結(jié) 語

本文介紹了某無人機(jī)系統(tǒng)地面控制站的軟件設(shè)計與實現(xiàn)。該軟件具有實時性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，人機(jī)界面友好，可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點。通過系統(tǒng)的實際聯(lián)調(diào)測試，該軟件可以實現(xiàn)長時間、大數(shù)據(jù)量的運(yùn)行。該軟件很好地實現(xiàn)了各部分功能，可以適用于不同的無人飛行器，且通用性很強(qiáng)[10]。

參考文獻(xiàn)

[1]寧金星，盧京潮，閆建國.基于VC++的無人機(jī)飛控地面站軟件的開發(fā)[J].計算機(jī)測量與控制，2007(3):596-598.

[2]王倩，陳懷民，吳成富，等.基于VC++導(dǎo)航控制臺仿真軟件的開發(fā)[J].計算機(jī)仿真，2007(11):48-50.

[3]龐洪，吳春，牛申閣.基于VC++的小型無人機(jī)地面控制導(dǎo)航軟件設(shè)計[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2008(3):22-26.

[4]吳成富，王睿，陳懷民，等.無人機(jī)導(dǎo)航地面站軟件研究[J].機(jī)械與電子，2009(4):7-9.

[5]張治生，陳懷民，吳成富，等.無人機(jī)地面站控制臺軟件設(shè)計[J].測控技術(shù)，2007，26(4):74-76.

[6]李南，葛衛(wèi)麗.小型無人機(jī)地面站導(dǎo)航顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(5):93-95.

[7]蔡強(qiáng)軍，黃一敏.無人機(jī)遙控遙測軟件地圖功能的實現(xiàn)[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2007(10):26-28.

[8]方國軍，王海濤，羅秋鳳，等.某小型無人機(jī)飛控系統(tǒng)串行通信程序的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2007(15):1850-1852.

[9]張玉剛，薛紅軍，欒義春，等.無人機(jī)地面控制系統(tǒng)操作員控制臺設(shè)計與仿真[J].火力與指揮控制，2008(10):141-144.

[10]楊國梁，王瑋，郭宗本.小型無人機(jī)地面控制站軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].遙控遙測，2008(5):12-15.