朱 威，鄧高湘，裴海龍

（華南理工大學(xué) 自主系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

作為無人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)[1]擔(dān)負(fù)著各種飛行狀態(tài)信息和任務(wù)載荷數(shù)據(jù)的采集與傳送任務(wù)，以便地面監(jiān)控系統(tǒng)對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)前，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面之間實(shí)時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)交換已成為無人機(jī)自主系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題。數(shù)據(jù)鏈技術(shù)較之其他的通信方式，具有傳輸速率快、抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低等諸多優(yōu)點(diǎn)。將其作為無人機(jī)通信手段可以達(dá)到高效、安全、可靠的效果，是當(dāng)前國內(nèi)外無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，在民用小型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域，還沒有形成一種通用有效的數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)。針對無人機(jī)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性要求，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)必須有十分可靠的無線傳輸設(shè)備和完善合理的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[2]。無人機(jī)本身的飛行控制就有一定的難度，而且要在各種惡劣環(huán)境中完成作業(yè)，必須保證有抗干擾能力強(qiáng)的通信設(shè)備和可以應(yīng)對各種復(fù)雜情況的數(shù)據(jù)鏈控制協(xié)議。因此，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且粋€復(fù)雜的通信系統(tǒng)，其應(yīng)用研究很有必要。

1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人直升機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括基站模塊[3]、地面站模塊、遙控模塊、無線發(fā)送與接收模塊、無人機(jī)主控制器模塊，其中基站模塊在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中是核心模塊，基站模塊處理器采用Compulab公司的CMT3530嵌入式核心板，它以基于Cortex-A8架構(gòu)的OMAP3530處理器為其核心，擁有強(qiáng)大的計算處理能力和豐富的外圍設(shè)備資源，其3個RS232串口及內(nèi)置支持WiFi802.11b/g協(xié)議的無線網(wǎng)卡，完全可以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。地面站模塊是在Linux系統(tǒng)采用GTK技術(shù)編寫的一個程序，能夠?qū)崟r監(jiān)測無人機(jī)狀態(tài)和上傳無人機(jī)控制信號，遙控模塊是采用FUTABA公司生產(chǎn)的10通道遙控器改裝而成，通過小型的無線模塊Xbee與基站的串口1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。地面部分的無線模塊是采用DIGI公司的Xtend無線射頻模塊，工作頻段為900 MHz，工作方式為全雙工，發(fā)射功率可調(diào)，這里設(shè)定為最大發(fā)射功率1 W，接收靈敏度為-110 dBm，連接接口為RS-232標(biāo)準(zhǔn)，串口波特率設(shè)定為19200 b/s。在具體應(yīng)用過程中，為構(gòu)建實(shí)用的輕小型系統(tǒng)，空中機(jī)載部分的無線射頻模塊選擇重量輕、體積小的Xtend-OEM模塊。無人機(jī)主控制器處理器采用ATMEL公司的 AT91SAM7SE（512）處理器，它基于ARM7TDMI內(nèi)核設(shè)計，擁有2個通用的同步/異步串行接口USART，可以充分滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)囊?，無人機(jī)主控制器有2個主要功能：一個是用來對無人機(jī)自主飛行的導(dǎo)航控制；另一個是接收并解析基站上傳的數(shù)據(jù)鏈路信息，以及打包下傳無人機(jī)的狀態(tài)信息，本節(jié)內(nèi)容即是對這一功能進(jìn)行討論。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main structure of data link system

2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計

2.1 協(xié)議介紹

數(shù)據(jù)鏈本質(zhì)上是具有一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)[4]，點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸鏈路是數(shù)據(jù)鏈通信的基礎(chǔ)。對于點(diǎn)對點(diǎn)鏈路，相對比較簡單的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議[5]（point-to-point protocol）是目前使用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

數(shù)據(jù)鏈就是2個或多個通信端點(diǎn)之間按照某種通信協(xié)議的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)信息交換。通信協(xié)議的分析與設(shè)計是整個無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計最重要的內(nèi)容，協(xié)議設(shè)計必須遵循的基本原則是在滿足實(shí)際系統(tǒng)需求的前提下，盡量選擇比較成熟的通信標(biāo)準(zhǔn)[6]，簡化軟、硬件的開發(fā)工作。根據(jù)以上原則，本系統(tǒng)設(shè)計的PPP通信協(xié)議遵循GCS協(xié)議[7]規(guī)范，數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。該協(xié)議將每個數(shù)據(jù)幀劃分為首部、數(shù)據(jù)報文和尾部3部分。

圖2 數(shù)據(jù)鏈通信協(xié)議格式Fig.2 Format of data link communication protocol

首部又包含有引導(dǎo)字頭、分類標(biāo)志和數(shù)據(jù)地址段。其中引導(dǎo)字頭固定占用一個字節(jié)的長度，ASCII碼顯示為“$”，標(biāo)志著一個數(shù)據(jù)包的開始；分類標(biāo)志是為了區(qū)別上行或下行的數(shù)據(jù)包類型所設(shè)定的，并且與引導(dǎo)字頭配合使用來標(biāo)識一個數(shù)據(jù)包的開始，接收端接收到一個完整的數(shù)據(jù)包后，先比較引導(dǎo)字頭和分類標(biāo)志的字符串組合，由此來判斷接收到的數(shù)據(jù)包類型。根據(jù)上行或下行數(shù)據(jù)信息的不同，本系統(tǒng)所設(shè)計的分類標(biāo)志主要有3個，如表1所示。

表1 分類標(biāo)志定義Tab.1 Define of class mark

尾部包含校驗(yàn)字段和結(jié)束字段。將每幀所有的字節(jié)數(shù)據(jù)直接相加，累加和作為校驗(yàn)碼放在幀尾；結(jié)束標(biāo)志固定為2個字節(jié)，ASCII碼顯示為“ ”，與“$”一起構(gòu)成幀定界符的開始和結(jié)束，接收端檢測到此連續(xù)字符則表示已接收到一幀完整的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)報文部分主要是下行的ADS報告和上行的詢問/控制報告。

2.2 上行協(xié)議

上行鏈路[8]完成從地面站到無人機(jī)數(shù)據(jù)信息的傳輸。上行鏈路數(shù)據(jù)包括的種類比較多，主要有遙控器信號、自控PID參數(shù)、軌跡規(guī)劃指令。在手控模式下，只上傳少量的控制器參數(shù)信號；在自控模式下，不再上傳遙控器信號，只上傳PID控制參數(shù)和軌跡規(guī)劃指令。不過，鏈路處于任何模式下的數(shù)據(jù)格式都是統(tǒng)一的。遙控器原始信號經(jīng)過內(nèi)部AVR解碼后，輸出形式如："$MA25025025025012501 "，格式說明如表2所示。

表2 遙控器信號數(shù)據(jù)格式Tab.2 Data format of remote-control signal

基站通過串口ttySl接收到遙控器信號，根據(jù)手/自控模式判斷：若是手控模式（M/A），則將數(shù)據(jù)幀擴(kuò)充為：“$MA25025025025012501******** ”，后面8個填充字節(jié)為保留字段，如果手控時需要上傳PID控制參數(shù)，則每次將一個參數(shù)添加到保留字段，連同手控信號一起上傳，如果沒有其他數(shù)據(jù)需要上傳，則保留字段為空；若是自控模式（AU），手控信號不再上傳，下位機(jī)程序不斷循環(huán)檢測有無其他上行數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)立即上傳，在每個循環(huán)周期開始時都要檢查手/自控模式，任何時刻只要遙控器開關(guān)變?yōu)槭挚貭顟B(tài)，就立即恢復(fù)手控信號的上傳。上行鏈路的控制參數(shù)主要包括4個通道（roll、pitch、yaw和coll）的手/自控模式、各個通道PWM基準(zhǔn)值以及各個通道內(nèi)外環(huán)PID參數(shù)上行鏈路的軌跡規(guī)劃指令主要包括目標(biāo)點(diǎn)在NED（north-east-down frame）坐標(biāo)系下的X、Y、Z軸坐標(biāo)及對應(yīng)的懸停時間，同一個目標(biāo)點(diǎn)的這4個參數(shù)封裝在一個向量中，可以根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量，完整的數(shù)據(jù)幀格式如下：

2.3 下行協(xié)議

下行數(shù)據(jù)是由無人機(jī)發(fā)送至地面站，以便能夠?qū)︼w機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，其內(nèi)容主要包括有飛機(jī)的姿態(tài)信息（IMU）、GPS 信息（U-blox）、航向信息（COMPASS）、高度信息（氣壓計）以及狀態(tài)標(biāo)志等信息。對于下行數(shù)據(jù)的傳輸，本設(shè)計遵循GCS協(xié)議規(guī)范，即所有的信息并不是根據(jù)數(shù)據(jù)類型分開傳輸，而是統(tǒng)一打包下傳，傳輸速率為115200 b/s。

3 軟件設(shè)計

3.1 基站軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)鏈基站是以一小型嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的獨(dú)立模塊，主要負(fù)責(zé)遙控器、地面站與無人機(jī)之間的通信，本系統(tǒng)基站預(yù)裝了一個內(nèi)核版本為2.6.24的Linux操作系統(tǒng)，基于此平臺上運(yùn)行一個多線程程序，程序中的數(shù)據(jù)流如圖3所示，在主線程中接收并解析從子線程中讀取來的各種數(shù)據(jù)，對于上行數(shù)據(jù)會通過無線模塊上傳至無人直升機(jī)主控制器，對于下行數(shù)據(jù)則直接通過UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)至地面站模塊。3個子線程用來讀取數(shù)據(jù)，其中：（1）子線程pthread_pcm_tid用來讀取來自遙控器的pcm信號，形如“$250250250250250250250250 ”，“$”為起始字符，“ ”為結(jié)束字符，中間每3位八進(jìn)制數(shù)為一組，分別代表8個通道的PWM值；（2）子線程pthread_socket_tid用來讀取地面站模塊需要上傳的PID參數(shù)等控制信息以及目標(biāo)航點(diǎn)信息，在主線程中，根據(jù)手自控情況，將子線程pthread_pcm_tid讀取的數(shù)據(jù)和子線程pthread_socket_tid讀取的數(shù)據(jù)重新編碼封裝在一個數(shù)據(jù)幀中，然后一次性通過無線發(fā)送函數(shù)上傳至無人直升機(jī)主控制器模塊；（3）子線程pthread_helistate_tid用來讀取無人直升機(jī)主控制器模塊下傳的下行數(shù)據(jù)，格式形如：$DATA，1，0.001，0.001，0.001，0.001，0.001，0.001，0.1，0.1，0.1，5，2，1，1，1，1 ，中間數(shù)據(jù)部分分別表示無人直升機(jī)的控制模式、姿態(tài)角、位置、速度、GPS星數(shù)、飛行模式、標(biāo)志位信息，讀取之后通過Wifi發(fā)送給地面站模塊。主線程負(fù)責(zé)對遙控器信號和地面站控制信號的融合和上傳，基站主線程的程序流程圖如圖4所示。

圖3 基站數(shù)據(jù)流圖Fig.3 Data stream of base station

圖4 基站主線程程序流程圖Fig.4 Program flow chart of main thread

3.2 ARM解碼設(shè)計

無人機(jī)主控制器ARM的串口0作為點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路的機(jī)載收發(fā)端點(diǎn)，利用串口中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，串口接收到數(shù)據(jù)之后，根據(jù)不同的標(biāo)志位，將接收到的結(jié)果保存在對應(yīng)的寄存器中，以便主程序處理地面站發(fā)送給飛機(jī)的控制信息。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)為手控信息時，主程序直接解碼為舵機(jī)的控制信號，當(dāng)收到的數(shù)據(jù)為控制器參數(shù)時，無人機(jī)首先對數(shù)據(jù)的前部分解碼為舵機(jī)的控制信號，對控制器參數(shù)部分解碼為控制器對應(yīng)的參數(shù)和路徑規(guī)劃的規(guī)劃點(diǎn)。對上行數(shù)據(jù)參數(shù)解碼的程序流程圖如圖5所示。一個主循環(huán)周期解碼一個參數(shù)，隨著主程序的循環(huán)執(zhí)行，參數(shù)最終可以完全解碼成功。

圖5 數(shù)據(jù)鏈上行參數(shù)解碼程序流程圖Fig.5 Program flow chart of parameter decode

4 測試與實(shí)驗(yàn)

無人直升機(jī)場外試飛時數(shù)據(jù)鏈測試數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是否滿足實(shí)際要求必須的過程，如果數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠滿足直升機(jī)現(xiàn)場飛行的需要，說明數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計是成功的，在飛機(jī)使用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)際飛行中，在手控模式下無人直升機(jī)對遙控信號的依賴性很高，遙控信號的延時和丟包會影響飛機(jī)的安全，所以主要測試的是是否能夠使用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)控制飛機(jī)，此項(xiàng)根據(jù)飛行員手控操作無人機(jī)的情況，本系統(tǒng)的時間延時對飛機(jī)的各個通道的影響在可接受范圍內(nèi)，表明數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的上行通路設(shè)計是成功的。

地面站接收到飛機(jī)下傳的位置信息如圖6所示。圖中N、E、D曲線是無人直升機(jī)在N、E、D坐標(biāo)下的位置信息，其中，N和E分別以北和東為正方向，D以垂直向下為正方向，從圖6可以看出，無人直升機(jī)在距離地面50 m高度上向東北方向飛行，實(shí)驗(yàn)的最遠(yuǎn)距離為北800 m，東500 m，說明數(shù)據(jù)鏈在較遠(yuǎn)的飛行過程中的傳輸是成功的。為了驗(yàn)證下傳數(shù)據(jù)的可靠性，將位置信息通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法將飛機(jī)位置信息下傳到地面站，現(xiàn)選取N方向上的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到的差值如圖7所示。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)鏈下傳的值與對比值幾乎是一樣的，只有在1325采樣點(diǎn)附近有2次數(shù)據(jù)不一致，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，數(shù)據(jù)鏈在傳輸過程中的數(shù)據(jù)可靠性是相當(dāng)高的，完全能夠滿足直升機(jī)控制系統(tǒng)的要求。

圖6 無人直升機(jī)位置信息Fig.6 Position message of unmanned helicopter

圖7 N軸向的數(shù)據(jù)對比Fig.7 Compare of N axis data

5 結(jié)語

本文克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種小型無人直升機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。建立了系統(tǒng)的總體框架，采用點(diǎn)對點(diǎn)通信協(xié)議作為協(xié)議基礎(chǔ)，設(shè)計了上行和下行通信的數(shù)據(jù)格式和消息標(biāo)準(zhǔn)，通過構(gòu)建空中飛機(jī)和地面基站，實(shí)現(xiàn)了二者之間的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)融合以及數(shù)據(jù)解析等操作，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)與地面站之間的數(shù)據(jù)可靠傳輸，突破了無人直升機(jī)遠(yuǎn)距離飛行控制的難題。

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