魏明哲

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

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無人機(jī)航跡規(guī)劃與狀態(tài)追蹤系統(tǒng)

魏明哲

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

摘要：針對小型無人機(jī)控制的復(fù)雜性，設(shè)計了一套地面站綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有航向的監(jiān)測與控制、航跡的規(guī)劃與顯示、任務(wù)信息的接收與執(zhí)行等功能，可以實現(xiàn)小型無人機(jī)的超視距控制和任務(wù)信息的回傳與追蹤。實驗表明，系統(tǒng)可實現(xiàn)64 bit數(shù)據(jù)幀間隔50 ms收發(fā)與間隔1 000 ms顯示數(shù)據(jù)更新，滿足實際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；航跡規(guī)劃；狀態(tài)追蹤；地面站控制系統(tǒng)

0引言

無人機(jī)通過陀螺儀感知自身飛行狀態(tài)，依據(jù)地面控制站發(fā)送來的路徑信息和任務(wù)信息，自動計算飛行路線并控制旋翼動作到達(dá)預(yù)定目標(biāo)。路引等研究人員對電臺上行與下行數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行了仿真，并結(jié)合OpenGL功能仿真了飛行器姿態(tài)[1]。本文將對無人機(jī)飛行中實際采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制分析，并在上行與下行數(shù)據(jù)幀構(gòu)成上結(jié)合實際情況作了修改，具有實用價值。

1無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的組成

無人機(jī)的應(yīng)用技術(shù)可分為以下三個部分：地面站控制系統(tǒng)、運動載荷和任務(wù)載荷。

地面站控制系統(tǒng)運行于計算機(jī)中，負(fù)責(zé)智能無人機(jī)的航跡規(guī)劃、GPS坐標(biāo)和多種傳感器實時數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)的顯示與存儲、無線電臺數(shù)據(jù)的收發(fā)控制；運動載荷負(fù)責(zé)無人機(jī)航跡規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收與運動方向的計算、傳感器數(shù)據(jù)的無線發(fā)送；任務(wù)載荷主要負(fù)責(zé)無人機(jī)附加功能的實現(xiàn)，如視頻接入、探測掛載等。

2無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的組成

地面控制站需具有航跡規(guī)劃、飛行速度設(shè)定、協(xié)議轉(zhuǎn)換等發(fā)送功能，同時具有無人機(jī)實時回傳狀態(tài)信息的接收與顯示監(jiān)控功能，從而使無人機(jī)能夠安全可靠地飛行和完成指定任務(wù)。筆者主要設(shè)計開發(fā)了地面站控制系統(tǒng)。針對航跡規(guī)劃和狀態(tài)追蹤的功能需求，設(shè)計實現(xiàn)路徑規(guī)劃功能和針對GPS信息、姿態(tài)傳感器的狀態(tài)追蹤功能[2]；同時結(jié)合E30-TTL-100無線串口電臺，開發(fā)實現(xiàn)界面友好、基于UDP協(xié)議的地面站控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)的來源采用軟件模擬結(jié)合硬件實現(xiàn)，通過E30-TTL-100無線串口電臺收發(fā)。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1　地面控制系統(tǒng)的組成

2.1無線電臺

2.1.1硬件平臺

為實現(xiàn)無人機(jī)和地面站控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，選用E30-TTL-100無線串口電臺，該無線電臺常用工作頻段為433 MHz，最大功率20 dBm(約合100 mW)，空中速率1.0 Kbps，接收靈敏度為-119 dBm，空間最大傳輸距離為2 000 m[3]。在地面站終端通過串口轉(zhuǎn)換模塊與計算機(jī)連接，在無人機(jī)端采用RS232通訊接口與無人機(jī)主控進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.1.2軟件平臺

電臺軟件負(fù)責(zé)地面站控制系統(tǒng)和無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，主要涉及波特率的設(shè)置、空中速率的設(shè)置、規(guī)劃平臺和監(jiān)控平臺的UDP數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。同時，針對輔助平臺，筆者還設(shè)計實現(xiàn)了其與無人機(jī)模擬平臺的UDP通信和無線收發(fā)功能。電臺硬件如圖2所示。

圖2　E30-TTL-100無線串口電臺

2.2規(guī)劃平臺

圖3　規(guī)劃平臺結(jié)構(gòu)

規(guī)劃平臺結(jié)合Google Earth軟件實現(xiàn)[4]。采用Google Earth指定飛行路線，生成經(jīng)緯度坐標(biāo)文件，規(guī)劃平臺調(diào)用經(jīng)緯度坐標(biāo)文件，設(shè)定無人機(jī)飛行速度，依照通信協(xié)議組成待發(fā)送數(shù)據(jù)，通過UDP協(xié)議發(fā)送至電臺進(jìn)行發(fā)射。規(guī)劃平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.3監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺主要由儀表盤和數(shù)據(jù)列表組成[5]。通過電臺接收下來的無人機(jī)實時數(shù)據(jù)，依據(jù)通信協(xié)議解析出經(jīng)緯度、航向、橫滾、俯仰和速度等信息，送至監(jiān)控儀表盤實時顯示，追蹤無人機(jī)運動狀態(tài)，同時在數(shù)據(jù)列表中顯示[6]。監(jiān)控平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　監(jiān)控平臺結(jié)構(gòu)

2.4輔助平臺

無人機(jī)的運動載荷采用軟件模擬的方式設(shè)計，實現(xiàn)無人機(jī)輔助模擬平臺。模擬平臺通過電臺接收規(guī)劃平臺的數(shù)據(jù)，解析出路線規(guī)劃經(jīng)緯度坐標(biāo)和無人機(jī)飛行速度信息；將采集存儲的無人機(jī)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)提取，依據(jù)通信協(xié)議組成待發(fā)送數(shù)據(jù)傳至電臺發(fā)送[7]。無人機(jī)模擬平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　無人機(jī)模擬平臺結(jié)構(gòu)

3無人機(jī)系統(tǒng)交互軟件

交互軟件基于.NET平臺設(shè)計實現(xiàn)。其中，本地IP為運行地面控制系統(tǒng)的計算機(jī)的IP地址，IP地址采用16進(jìn)制碼顯示；網(wǎng)絡(luò)端口為預(yù)先設(shè)定平臺識別端口，不同平臺之間采用UDP協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)端口識別目的地址，實現(xiàn)同局域網(wǎng)下數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

3.1規(guī)劃平臺軟件

規(guī)劃平臺的軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6　規(guī)劃平臺軟件設(shè)計流程

規(guī)劃平臺交互軟件如圖7所示。其中規(guī)劃平臺航跡規(guī)劃產(chǎn)生的GPS坐標(biāo)文件已由Google Earth軟件生成。軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)GPS坐標(biāo)文件的瀏覽、速度設(shè)定、規(guī)劃數(shù)據(jù)發(fā)送和無人機(jī)飛行指令的生成與發(fā)送；可實現(xiàn)規(guī)劃航跡數(shù)據(jù)在Google Earth上劃線顯示功能[8]。

圖7　規(guī)劃平臺交互軟件

3.2監(jiān)控平臺軟件

監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計流程如圖8所示。監(jiān)控平臺交互軟件如圖9所示。軟件可實現(xiàn)無人機(jī)實時回傳的64bit狀態(tài)數(shù)據(jù)的列表顯示與儀表盤動態(tài)顯示功能[9]。

圖8　監(jiān)控平臺軟件設(shè)計流程

圖9　監(jiān)控平臺交互軟件

3.3電臺平臺軟件

電臺平臺與E30-TTL-100無線串口電臺硬件通過USB接口相連接，完成UDP數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)中轉(zhuǎn)。其交互軟件如圖10所示。

圖10　電臺平臺交互軟件

3.4模擬平臺軟件

模擬平臺的軟件設(shè)計流程如圖11所示。模擬軟件實現(xiàn)航跡規(guī)劃平臺的規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收與顯示功能模擬，以及真實航跡數(shù)據(jù)的發(fā)送功能，以上兩項功能的實現(xiàn)均需結(jié)合電臺軟件實現(xiàn)，如圖12所示。

4結(jié)語

無人機(jī)航跡規(guī)劃和狀態(tài)追蹤系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了規(guī)劃數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、模擬實時數(shù)據(jù)的接收與顯示，結(jié)合無線電臺實現(xiàn)了間隔為1 s的數(shù)據(jù)更新和儀表板顯示更新，滿足系統(tǒng)性能要求。

圖11　模擬平臺軟件設(shè)計流程

圖12　模擬平臺交互軟件

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(責(zé)任編校：夏玉玲)

An UAV Flight Path Planning and State Tracking System

WEI Ming-zhe

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：In the light of small-sized UAV control complexity，the author of this paper has designed a ground integrated control system for UAV， which is capable of monitoring and controlling courses， planning and displaying tracks， receiving and executing tasks， performing the BVR control of a small UAV， and sending back and tracking information. Experiments show that the system can receive and transmit 64 bit data at the interval of 50 ms and display data update at the interval of 1000 ms， thus meeting the application requirements.

Key Words：UAV； route planning； state tracking； ground control system

基金項目：2014年度唐山市科技計劃項目(14110213a)

作者簡介：魏明哲(1983-)，男，河北安平人，講師，碩士，主要從事信號處理與通信系統(tǒng)研究。

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0031-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.010