宋樂

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所無人機(jī)事業(yè)部，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 背景和意義

無人直升機(jī)研制最早始于上世紀(jì)50年代初。我國則在“七五”期間就開始重視無人直升機(jī)的設(shè)計(jì)和研制工作[1]。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，無人直升機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無線電偵測(cè)、地質(zhì)地貌測(cè)繪、航空影拍、電力施工、森林防火、應(yīng)急救災(zāi)、通信中繼、反恐偵查等諸多領(lǐng)域[2]。近年來，無人直升機(jī)的傷亡風(fēng)險(xiǎn)低、機(jī)動(dòng)性好、起降條件少、使用方便等優(yōu)勢(shì)在民用市場(chǎng)需求中逐步顯現(xiàn)出來。我國民用無人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。越來越多的無人直升機(jī)系統(tǒng)研制已經(jīng)由“以平臺(tái)為中心”向“以任務(wù)為中心”的思想轉(zhuǎn)變[3]。如何提高無人直升機(jī)的多任務(wù)能力，如何降低無人直升機(jī)改裝的成本。這對(duì)無人機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本文使用模塊化設(shè)計(jì)思想研發(fā)無人直升機(jī)地面監(jiān)控軟件，為降低無人直升機(jī)多任務(wù)改裝帶來的風(fēng)險(xiǎn)提供幫助。

1 設(shè)計(jì)原則

軟件模塊化旨在建立可重用的軟件構(gòu)件[4]。在不需要修改或少量修改的情況下，可再次組建成新的軟件。進(jìn)而降低軟件的開發(fā)成本、提高軟件的可靠性和可維護(hù)性。軟件模塊的良好設(shè)計(jì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)要求軟件模塊具有較好彈性的同時(shí)不增加解決問題的復(fù)雜程度。

(2)要求軟件模塊具有較好的可移植性。

(3)要求軟件模塊具有更清晰的接口定義。

(4)要求軟件模塊具有更好的穩(wěn)定性。

(5)要求軟件模塊具有更好的獨(dú)立性。避免模塊間的過度依賴。

2 軟件模塊設(shè)計(jì)

無人直升機(jī)地面監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)地面人員對(duì)無人直升機(jī)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視功能。通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將獲取的無人機(jī)下行遙測(cè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析、分析和圖形化顯示。同時(shí)將控制指令編碼成上行遙控?cái)?shù)據(jù)幀發(fā)送到無人機(jī)飛控系統(tǒng)中。

具有不同任務(wù)載荷的無人直升機(jī)在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和通信協(xié)議方面有所不同。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則將地面監(jiān)控軟件的基本功能進(jìn)行底層抽象和數(shù)據(jù)分離。同時(shí)對(duì)用戶界面的圖形化顯示功能進(jìn)行組件封裝。圖1說明地面監(jiān)控軟件的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖1 地面監(jiān)控軟件模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

■2.1 底層功能抽象

長期實(shí)踐表明，良好的軟件彈性來自于更多高層次的抽象。地面監(jiān)控軟件最為核心和固化的功能就是根據(jù)不同的協(xié)議對(duì)各種數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析、組裝、分析和圖形化顯示。因此，將這些功能分成協(xié)議解析模塊、數(shù)據(jù)算法模塊、通信模塊和用戶界面組件模塊四大底層功能模塊。通過面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式各自形成四大互相獨(dú)立的類庫。這些類庫的設(shè)計(jì)具有以下的特點(diǎn)。

(1)采用單一職責(zé)[5]的類設(shè)計(jì)原則。不同職責(zé)的類相互獨(dú)立，沒有繼承或接口關(guān)系。

(2)相同職責(zé)的類實(shí)現(xiàn)同一接口、繼承同一父類?？梢愿鶕?jù)不同需要擴(kuò)展新類增加軟件彈性。

下面以協(xié)議解析模塊為例。該模塊以AbstractSignal為基類抽象出十六進(jìn)制字節(jié)數(shù)組與實(shí)際值的換算邏輯。而不同的換算邏輯實(shí)現(xiàn)在具體的子類中。比如AnalogSignal實(shí)現(xiàn)字節(jié)數(shù)組與數(shù)值的換算；TextSignal實(shí)現(xiàn)字節(jié)數(shù)組與文本的換算；DiscreteSignal實(shí)現(xiàn)字節(jié)數(shù)組與離散位狀態(tài)的換算等。Protocol類包含一組信號(hào)，實(shí)現(xiàn)幀數(shù)據(jù)的匹配、解析、過濾和校驗(yàn)功能。圖2展現(xiàn)協(xié)議解析模塊的UML類圖。

圖2 協(xié)議解析模塊UML類圖

■2.2 數(shù)據(jù)協(xié)議分離

地面監(jiān)控軟件處理數(shù)據(jù)需要依據(jù)不同的幀數(shù)據(jù)協(xié)議。將協(xié)議數(shù)據(jù)與功能進(jìn)行分離。可以使各底層模塊具有更好的獨(dú)立性，避免模塊間的過度依賴。同時(shí)將分離的協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和持久化存儲(chǔ)。有助于提高軟件的可配置性。降低因協(xié)議變化而造成軟件更改的風(fēng)險(xiǎn)。

協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和持久化存儲(chǔ)可以采用各種形式。比如XML結(jié)構(gòu)文件、JSON結(jié)構(gòu)文件、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等。圖3展現(xiàn)某協(xié)議的XML結(jié)構(gòu)。

圖3 協(xié)議XML結(jié)構(gòu)

■2.3 用戶界面組件化

地面監(jiān)控軟件最終目的是將解析和分析后的數(shù)據(jù)通過圖形用戶界面展現(xiàn)給用戶。不同項(xiàng)目軟件變化最大的部分就是圖形用戶界面（GUI）。將界面組件化能更好的降低UI設(shè)計(jì)中大量的重復(fù)性工作。

針對(duì)無人直升機(jī)的使用特點(diǎn)和習(xí)慣。我們抽象出了狀態(tài)燈、儀表盤、水平儀、刻度尺、游標(biāo)尺、能量柱、雷達(dá)圖和開關(guān)按鈕等UI組件。這些組件具備以下三個(gè)特點(diǎn)。

(1)每個(gè)組件都是獨(dú)立的模塊，在修改時(shí)不會(huì)影響其他的組件。

(2)每個(gè)組件都是完整的功能閉環(huán)。具有獨(dú)立的尺寸、顏色和狀態(tài)設(shè)置邏輯。

(3)每個(gè)組件都可以通過布局與其他組件自由組合成更大的組件或界面。

下面介紹幾個(gè)使用QT開發(fā)的QWidget組件，如圖4所示。

圖4 組件可視化界面

水平儀用于顯示無人直升機(jī)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角等姿態(tài)信息。使用setDegValue(int)、setRollValue(int)等方法實(shí)現(xiàn)背景圖、刻度線和方向指示器的旋轉(zhuǎn)。

游標(biāo)尺用于顯示無人直升機(jī)的速度和高度信息。使用setCursorValue(int)等方法實(shí)現(xiàn)游標(biāo)刻度的上下移動(dòng)，并在即將超出刻度范圍時(shí)刷新刻度軸。

儀表盤可以用于顯示各種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、旋翼轉(zhuǎn)速等信息。能量組可以用于顯示各種燃油量、滑油溫度等信息。雷達(dá)圖可以顯示無人直升機(jī)起飛降落時(shí)的定位信息。狀態(tài)燈可以顯示無人機(jī)直升機(jī)的各種告警信息。

3 應(yīng)用實(shí)例

在某無線電監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。無人直升機(jī)下行遙測(cè)數(shù)據(jù)包含BCD格式的時(shí)間量需要解析顯示。針對(duì)需求變化，在地面監(jiān)控軟件的協(xié)議解析模塊中增加了繼承AbstractSignal 的BCDTimeSignal類。通過getRealValue()方法直接可以獲取解析后的時(shí)間數(shù)據(jù)顯示在用戶界面中。此次變更只需要完成BCDTimeSignal的單元測(cè)試和時(shí)間數(shù)據(jù)顯示的配置項(xiàng)測(cè)試即可。

在某海事項(xiàng)目中。需要控制無人直升機(jī)上的部分任務(wù)設(shè)備。針對(duì)需求變化，需要在上行控制指令增加新的內(nèi)容。為此，地面監(jiān)控軟件通過修改上行控制幀協(xié)議的格式。在沒有更新任何代碼的情況下實(shí)現(xiàn)了需求。此次變更只需要完成針對(duì)指令發(fā)送功能的配置項(xiàng)測(cè)試即可。

經(jīng)過長期的項(xiàng)目實(shí)踐證實(shí)了模塊化設(shè)計(jì)的地面監(jiān)控軟件有效的降低了研發(fā)成本。為降低無人直升機(jī)平臺(tái)改裝需求帶來的風(fēng)險(xiǎn)提供了幫助。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了無人直升機(jī)地面監(jiān)控軟件的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并通過應(yīng)用實(shí)例說明經(jīng)過模塊化設(shè)計(jì)的地面監(jiān)控軟件具有更高的開發(fā)效率、更好的可配置能力和更低的研發(fā)成本。通過模塊組裝和參數(shù)配置，地面監(jiān)控軟件可以適應(yīng)更多具有不同任務(wù)載荷的無人直升機(jī)平臺(tái)。