劉洋，韓泉泉，趙娜

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司 陜西 西安　710065）

無人機(jī)地面綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉洋，韓泉泉，趙娜

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司 陜西 西安710065）

介紹了無人機(jī)地面控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。采用VC++和NI Measurement Studio開發(fā)套件設(shè)計(jì)了一套地面綜合監(jiān)控系統(tǒng)，討論了該系統(tǒng)軟件的構(gòu)成、設(shè)計(jì)原理和工作流程，實(shí)現(xiàn)了飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、飛行控制和導(dǎo)航控制指令在線發(fā)送、航跡規(guī)劃及裝訂、地區(qū)位置查詢及調(diào)圖、飛行和導(dǎo)航參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)記錄與回放顯示等功能。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的地面綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足飛行任務(wù)要求，實(shí)時(shí)性高，操作方便，人機(jī)界面友好，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

無人機(jī)；飛控系統(tǒng)；地面控制系統(tǒng)；綜合監(jiān)控

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)［1］在地理環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)區(qū)視察、通信中繼、科學(xué)研究等各領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越普遍。無人機(jī)的地面監(jiān)控系統(tǒng)是保證無人機(jī)安全飛行的一個(gè)重要系統(tǒng)，它是無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，可以完成無人機(jī)的飛行操作、鏈路管理、機(jī)載任務(wù)設(shè)備監(jiān)控，同時(shí)提供飛機(jī)飛行狀態(tài)、圖像偵察信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的監(jiān)控。國外無人機(jī)［2］地面監(jiān)控系統(tǒng)正在向智能化、通用化、模塊化、系列化方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬儀表技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)地面系統(tǒng)實(shí)踐的不斷深入，如何利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、圖形學(xué)和虛擬儀表進(jìn)行無人機(jī)地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為了無人機(jī)地面系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。

1　系統(tǒng)概述

無人機(jī)地面綜合監(jiān)控［3］系統(tǒng)由實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)、飛行監(jiān)控計(jì)算機(jī)和航跡監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。實(shí)時(shí)處理軟件、飛行監(jiān)控軟件和航跡監(jiān)控軟件分別安裝在其對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)上。實(shí)時(shí)處理軟件采用串口接收地面數(shù)據(jù)終端GDT下傳的遙測數(shù)據(jù)，同時(shí)建立定時(shí)事件處理模塊，實(shí)時(shí)［4］地將接收到的數(shù)據(jù)解算并組成完整的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過UDP以太網(wǎng)定時(shí)發(fā)送給飛行監(jiān)控軟件和航跡監(jiān)控軟件。飛行監(jiān)控軟件和航跡監(jiān)控軟件一方面利用網(wǎng)絡(luò)消息接收遙測數(shù)據(jù)，軟件界面定時(shí)刷新，以圖形文字并存的形式顯示所需的飛行和導(dǎo)航參數(shù)；同時(shí)用虛擬儀表控件經(jīng)鼠標(biāo)消息觸發(fā)機(jī)制向?qū)崟r(shí)處理軟件發(fā)送飛行、導(dǎo)航控制指令或系統(tǒng)控制指令等，實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)將控制指令編碼組幀后通過串口發(fā)送至數(shù)據(jù)鏈，再由無線電數(shù)據(jù)鏈傳送給飛機(jī)。飛行監(jiān)控軟件向?qū)崟r(shí)處理軟件發(fā)送系統(tǒng)控制指令（如數(shù)據(jù)回放、前進(jìn)、后退、選擇飛行數(shù)據(jù)等），實(shí)時(shí)處理軟件接收并改變其功能控制狀態(tài)。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)工作流程圖

2　綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件［5-6］包括實(shí)時(shí)處理軟件、飛行監(jiān)控軟件、航跡監(jiān)控軟件。下面分別介紹各個(gè)軟件［7-8］的主要功能和設(shè)計(jì)方法。

2.1實(shí)時(shí)處理軟件

1）控制通訊［9］數(shù)據(jù)的編碼與發(fā)送。實(shí)時(shí)地接收航跡監(jiān)控和飛行監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的飛控指令和導(dǎo)航指令等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時(shí)組幀、編碼并通過串口傳送至無線電數(shù)據(jù)鏈的遙控通道；接收計(jì)算機(jī)軟面板的系統(tǒng)控制指令（如記錄、播放等），并按系統(tǒng)控制指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，改變實(shí)時(shí)處理軟件的工作狀態(tài)。

2）飛行數(shù)據(jù)的接收與解碼。實(shí)時(shí)周期性地解碼與數(shù)據(jù)處理，然后組成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包向飛行監(jiān)控和航跡監(jiān)控軟件分發(fā)。

3）數(shù)據(jù)的記錄與回放顯示。實(shí)時(shí)處理軟件記錄包括遙控遙測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果等所有數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)的硬盤中。然后通過接收飛行監(jiān)控軟件發(fā)送的播放指令，執(zhí)行數(shù)據(jù)的同步回放。再將遙控遙測復(fù)合數(shù)據(jù)發(fā)送至各個(gè)監(jiān)控軟件。

2.2飛行監(jiān)控軟件

1）PFD主飛行顯控。以圖形加文字的雙重形式顯示速度、高度、姿態(tài)角。用虛擬儀表［10］控制按鈕對(duì)高度和姿態(tài)角進(jìn)行控制。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)顯控。以圖形加文字形式顯示油量和轉(zhuǎn)速，文字顯示缸溫等重要參數(shù)，用虛擬儀表控制按鈕對(duì)風(fēng)門和氣道進(jìn)行控制。

3）數(shù)據(jù)鏈參數(shù)顯控。負(fù)責(zé)天線姿態(tài)角、高低角、數(shù)據(jù)鏈信道、機(jī)載天線以及工作模式、鏈路鎖定狀況的顯示與控制。

4）飛行管理。負(fù)責(zé)飛行參數(shù)和鏈路參數(shù)顯示，對(duì)地面零位和機(jī)載零位進(jìn)行設(shè)置等。

2.3航跡監(jiān)控軟件

1）地圖管理。包括加載地圖、地圖漫游與縮放，距離和面積測量等。

2）導(dǎo)航［11］控制指令發(fā)送。設(shè)置導(dǎo)航模式或輸入導(dǎo)航參數(shù)并發(fā)送給實(shí)時(shí)處理軟件。

3）飛機(jī)位置及航跡顯示。從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中解算出飛機(jī)的位置信息，以飛機(jī)圖標(biāo)的形式實(shí)時(shí)、直觀的顯示飛機(jī)的位置，并顯示飛機(jī)的真實(shí)飛行軌跡。

4）導(dǎo)航［12］參數(shù)顯示。單獨(dú)的可彈出顯示界面，顯示航偏、經(jīng)緯度等導(dǎo)航參數(shù)。

5）航跡［13］規(guī)劃及裝訂。在航線規(guī)劃模式下，用鼠標(biāo)在地圖上任意選取航點(diǎn)或者用鍵盤輸入的方法將需要的航點(diǎn)通過航線規(guī)劃界面輸入到航線航點(diǎn)列表中，然后將它們存儲(chǔ)在Access數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)將它們自動(dòng)連成折線狀航線。確定好輸入的航線無誤后，再將這些航點(diǎn)的經(jīng)緯度組成數(shù)據(jù)包發(fā)送給實(shí)時(shí)處理軟件，經(jīng)無線電數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)載軟件完成規(guī)劃航線的裝訂。程控飛行時(shí)飛機(jī)將沿著已規(guī)劃的航線飛行。規(guī)劃航線如圖2所示。

3　關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)采用Microsoft VC++［14-15］8.0和NI Measurement Studio開發(fā)套件。其中，航跡監(jiān)控軟件采用了數(shù)字地圖顯示技術(shù)。下面列舉系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

圖2　規(guī)劃航線

3.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)

實(shí)時(shí)處理軟件對(duì)飛行監(jiān)控和航跡監(jiān)控軟件的接口是以太網(wǎng)接口，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用面向數(shù)據(jù)報(bào)的UDP廣播。本系統(tǒng)采用WindowsSockets2.0版，在程序初始化函數(shù)OnInitialUpdate（）中對(duì)UDP廣播進(jìn)行初始化，在WindowProc（）消息處理函數(shù)中接收遙測數(shù)據(jù)，運(yùn)用Sendto（）函數(shù)發(fā)送指令。網(wǎng)絡(luò)通訊流程如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)通訊流程

3.2數(shù)字地圖加載

利用VC++8.0開發(fā)語言和Skyline的ActiveX控件，通過二次開發(fā)將數(shù)字地圖應(yīng)用到航跡監(jiān)控軟件中。

首先創(chuàng)建基于CFormView的單文檔應(yīng)用程序，在窗口視圖的對(duì)話框上添加Skyline的TE Window控件。在初始化函數(shù)OnInitialUpdate（）中調(diào)用地圖數(shù)據(jù)庫并顯示，具體實(shí)現(xiàn)語句如下：

3.3虛擬儀表繪制

飛行監(jiān)控軟件主要采用虛擬儀表顯示飛行參數(shù)、發(fā)送飛行控制指令，利用VC++8.0的ActiveX組件來開發(fā)虛擬儀表。為了解決繪圖中屏閃的問題，程序采用了雙緩存方法。以PFD模塊為例，界面采用黑色背景對(duì)話框，在黑色背景上放置上籃下黃的橢圓形圖片，用來模擬天地。Windows主控程序周期性的發(fā)送定時(shí)器消息，并在其處理函數(shù)中發(fā)送姿態(tài)顯示刷新消息。姿態(tài)顯示模塊接收到刷新消息后，在預(yù)先已裝好的橢圓形天地圖片上，根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的傾斜角和俯仰角繪制飛機(jī)姿態(tài)圖形，同時(shí)以文字形式顯示姿態(tài)角參數(shù)。

3.4地區(qū)位置查詢及調(diào)圖

用戶會(huì)在不同的地區(qū)完成飛行任務(wù)，每到一個(gè)地區(qū)就需要查詢?cè)摰貐^(qū)的地理位置信息，傳統(tǒng)的人工查詢費(fèi)時(shí)費(fèi)力。根據(jù)此需求在航跡監(jiān)控軟件中設(shè)計(jì)了快速查詢地區(qū)地理位置（經(jīng)緯度）及以該地區(qū)地理位置為中心點(diǎn)調(diào)圖的功能。

通過在地區(qū)位置查詢界面中輸入需要查詢的地區(qū)名稱，點(diǎn)擊查詢按鈕就會(huì)在列表中列出所有包含該地區(qū)名稱的地理位置信息，點(diǎn)擊所需要的地理位置信息即可調(diào)出以該地區(qū)為中心點(diǎn)的地圖。這里用到了Access數(shù)據(jù)庫和SQL查詢語句進(jìn)行模糊查詢。地區(qū)位置查詢界面如圖4所示。

圖4　地區(qū)位置查詢界面

4　試驗(yàn)中的問題及解決方法

在某型民用無人機(jī)地面指控系統(tǒng)中對(duì)該綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測試，在飛行測試過程中出現(xiàn)的問題及處理如下。

4.1油量測量失準(zhǔn)的問題

由于無人機(jī)油量傳感器容易受到外界信號(hào)干擾，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械卡死而導(dǎo)致測量失準(zhǔn)的情況發(fā)生。針對(duì)此問題對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了一種燃油估計(jì)算法，并且在飛行監(jiān)控軟件中對(duì)此算法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。通過飛行試驗(yàn)對(duì)估算油耗和實(shí)際油耗進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明此燃油估計(jì)算法可以作為飛機(jī)實(shí)際油耗的準(zhǔn)確參考，并作為油量傳感器的有效備份。

4.2飛行時(shí)間估算

飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過程中會(huì)遇到各種突發(fā)情況，因此會(huì)比計(jì)劃的飛行時(shí)間要長一些，這就帶來了剩余油量是否夠用的問題。為此根據(jù)當(dāng)前飛行速度以及發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率等參數(shù)對(duì)剩余飛行時(shí)間進(jìn)行估算并顯示在航跡監(jiān)控軟件界面上方，以用來提醒操縱人員提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

5　結(jié)　論

將非實(shí)時(shí)的飛行監(jiān)控、航跡監(jiān)控和實(shí)時(shí)的實(shí)時(shí)處理相結(jié)合，構(gòu)成無人機(jī)地面綜合監(jiān)控系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于多型民用無人機(jī)。經(jīng)飛行試驗(yàn)及使用方表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展性好，用戶界面友好，顯示效果真實(shí) ，操作方便，能夠很好地控制無人機(jī)的飛行和任務(wù)執(zhí)行。

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Design and realization of ground synthetic monitor and control system for UAV

LIU Yang，HAN Quan-quan，ZHAO Na
（Xi’an ASN Technology Group Co.，Ltd，Xi’an 710065，China）

The structure and function of UAV ground control system are introduced.The VC++and NI Measurement Studio development suite were adopt to design a set of ground synthetic monitor and control system.The design principles and work flow of synthetic monitoring and control system is discussed.Real-time flight data acquisition，flight control and navigation control instructions sent online，route planning and fixing，district position querying and map loading，flight and navigation parameters display，data recording and playback display are realized.Flight test results show that synthetic ground monitor and control system can meet mission requirements，easy to operate，friendly interface，with high practical value.

UAV；flight control system；ground control system；synthetic monitor and control

TN96

A

1674-6236（2016）14-0110-03

2016-03-12稿件編號(hào)：201603146

國家自然科學(xué)基金（61074155）

劉 洋（1980—），女，陜西乾縣人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：導(dǎo)航、制導(dǎo)與地面指揮控制。