丁夢雨 ，蘆利斌 ，金國棟

（第二炮兵工程大學(xué)907教研室，陜西 西安 710025）

近年來，小型無人機（Mini-UAV）技術(shù)達到了迅猛發(fā)展，由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、機動性好、成本低、便于隱蔽等特點，使得小型無人機在軍事和民用領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。小型無人機的地面控制系統(tǒng)，即地面站GCS（Ground Control Station），是小型無人機的重要組成部分。它是小型無人機系統(tǒng)的指揮控制中心，可以實現(xiàn)對超小型無人機的監(jiān)視、導(dǎo)航和控制，從而完成既定的任務(wù)。

小型無人機地面導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱導(dǎo)航系統(tǒng)）作為整個地面站系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，承擔的主要任務(wù)是精確確定無人機在空間中的位置，能夠進行航跡的實時顯示及航拍圖像的回放，并且使無人機能夠?qū)崿F(xiàn)既定航線的跟蹤。針對某型小型無人機自身任務(wù)的特殊需求，對導(dǎo)航控制系統(tǒng)進行了全新的設(shè)計。

1 導(dǎo)航系統(tǒng)組成

小型無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)一般由3個部分組成：微處理器、GPS以及空氣數(shù)據(jù)傳感器。微處理器是數(shù)據(jù)處理和飛行控制的核心部分；GPS部分可以選擇性地過濾接收到的GPS信息，再將接收到的各類信息通過串口傳輸給微處理器，使其能夠進行導(dǎo)航運算；空氣數(shù)據(jù)傳感器則選擇采用半導(dǎo)材料的大氣壓力傳感器來為無人機駕駛提供外界數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖Fig.1 Navigation system principle diagram

2 添加圖層

矢量地圖比位圖地圖的資源內(nèi)容更加豐富，其原因是矢量地圖有多圖層。圖層的讀入和顯示是所有地圖操作的基礎(chǔ)，在程序中通過地圖文件路徑與文件名將地圖數(shù)（位圖文件）讀入內(nèi)存，并利用Windows中繪圖工具將位圖繪于指定區(qū)域（即地圖顯示區(qū)）[2]。部分核心代碼如下：

3 確定地圖工具的功能以及經(jīng)緯度信息

無人機地面站的地圖工具的基本功能是指地圖的指示箭頭、放大和縮小、漫游和選擇。無人機在發(fā)回給地面站的遙測信息中包含GPS定位信息，經(jīng)過處理后可在二維地圖里顯示出無人機的實時位置。在地圖操作時，若能顯示用戶操作的實際地理坐標，能夠給用戶提供指導(dǎo)信息，以便確定新添加的航路點位置。GPS采用的是世界大地坐標系（WGS－84），坐標原點是地球質(zhì)心，z軸指向 BIH1984.0定義的協(xié)議地極CTP（Coventional Terestrial Pole），其 x軸指向 BIH1984.0 的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道的交點，y軸與x軸、z軸構(gòu)成右手坐標系，如圖 2 所示[3－10]。

圖2 WGS－84坐標系Fig.2 WGSs－84s fastens by mark

地圖功能和經(jīng)緯度信息的實質(zhì)是在GPS坐標系和顯示器屏幕坐標系中建立相應(yīng)的關(guān)系。屏幕坐標系是以顯示像素作為繪圖單位，通過計算地圖上兩個配準點之間的經(jīng)、緯度差和屏幕坐標、方向上兩點之間的像素差，定出實際距離與顯示設(shè)備坐標的比例關(guān)系，就可以計算出每一個像素相當多少經(jīng)度或緯度，根據(jù)他們的相對距離的差值就可以根據(jù)配準點計算出某一點的位置坐標[4]。在實際的地圖繪制過程中，由于受屏幕顯示器區(qū)域的限制，地圖只有部分會被顯示，若想觀察未顯示的部分則需要移動顯示區(qū)域，此時，屏幕坐標與地圖坐標是不相同的。如果是從屏幕坐標獲得地圖坐標或還需要進行一次坐標的轉(zhuǎn)換。其原理比較簡單，只需要使地圖坐標等于屏幕坐標與移動坐標之和。

部分核心代碼如下：

經(jīng)過地圖配準后，通常采用Windows中圖形設(shè)備接口GDI（Graphics Device Interface）通過尋找屏幕坐標進行點線的繪制實現(xiàn)飛行航跡顯示、航點預(yù)定和航跡規(guī)劃。

4 航路規(guī)劃

地面站導(dǎo)航系統(tǒng)的航跡規(guī)劃、回放功能可以直觀的反映出無人機的飛行狀態(tài)，下面對航跡規(guī)劃功能進行說明：用戶單擊“航點規(guī)劃”后，即控制客戶圖層繪制的標志量，再點擊刷新圖層，準備接收用戶鼠標點擊的航點坐標，隨后在MapX的鼠標彈起消息處理函數(shù)時進行以下操作：鼠標左鍵彈起一次，表示確定一個航點，依此類推。在記錄規(guī)劃航點數(shù)目變量的同時，將新的航點坐標存儲到經(jīng)緯度數(shù)組相應(yīng)的存儲單元，同時移動鼠標，指針所指位置的經(jīng)緯度將實時地顯示在狀態(tài)欄里，以便用戶進行查看。但是需要注意，在每次確定新航點后，都必須立即刷新客戶圖層，并將當前所有航點按編號次序連接成一個閉合的多邊形，以便讓用戶參考的航跡是符合航跡規(guī)劃的。若完成本次規(guī)劃，單擊“規(guī)劃完畢”菜單，航點將立即被編碼、發(fā)送；若放棄本次規(guī)劃，單擊“取消規(guī)劃”菜單；若對已規(guī)劃的某個航點位置進行修改，單擊“修改航點”。

航跡規(guī)劃是基于繪制客戶圖層以開關(guān)變量控制不同任務(wù)的重要導(dǎo)航子系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

5 運行測試結(jié)果

通過實驗室測試和戶外飛行試驗，表明該小型地面站的導(dǎo)航系統(tǒng)能夠正常工作，下面給出實驗室測試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航系統(tǒng)運行結(jié)果Fig.3 Navigation system circulates a test result

由于實驗室條件的限制和測試項目的選擇，并不是所有的數(shù)據(jù)都能顯示出來，所以圖3中一些數(shù)據(jù)欄并沒有顯示數(shù)據(jù)，如高度標尺等沒有顯示。

6 結(jié)束語

文章主要討論了導(dǎo)航系統(tǒng)組成、圖層的添加、確定了地圖工具的功能以及經(jīng)緯度信息以及航路的規(guī)劃。通過地圖配準建立了GPS定位信息與屏幕顯示坐標之間相互對應(yīng)的關(guān)系，然后根據(jù)尋找屏幕坐標進行點線的繪制實現(xiàn)飛行航跡顯示、航點預(yù)定和航跡規(guī)劃，并給出相關(guān)內(nèi)容的部分核心代碼。

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