虞炳文，蔡紅維，丁思煒，楊 波，王 康

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000)

0 引言

目前的標(biāo)校，根據(jù)跟蹤目標(biāo)的屬性，可以區(qū)分為對(duì)靜態(tài)目標(biāo)的標(biāo)校以及對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的標(biāo)校。

對(duì)靜態(tài)目標(biāo)的跟蹤標(biāo)校實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但是需要標(biāo)校塔或者標(biāo)校桿配合進(jìn)行，因此受到場(chǎng)地限制的約束較為明顯。

通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤標(biāo)校，較為常見(jiàn)的有三種方式，分別是利用標(biāo)校衛(wèi)星、利用飛機(jī)、利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行標(biāo)校。

利用標(biāo)校衛(wèi)星，即利用天平衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)校，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可行，但是此種方法只能對(duì)測(cè)控設(shè)備的跟蹤性能(基帶指標(biāo))進(jìn)行標(biāo)校，對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能(伺服指標(biāo))則無(wú)法進(jìn)行有效標(biāo)校。

利用飛機(jī)標(biāo)校，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的跟蹤性能和動(dòng)態(tài)性能都能進(jìn)行有效的檢驗(yàn)，但缺點(diǎn)也很明顯，就是成本高昂。

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行標(biāo)校，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，起飛在一定程度上不受場(chǎng)地限制，對(duì)測(cè)控設(shè)備的跟蹤和動(dòng)態(tài)性能在理論上都能進(jìn)行有效的驗(yàn)證，但是缺點(diǎn)是，目前所使用的無(wú)人機(jī)上可攜帶的應(yīng)答機(jī)較為簡(jiǎn)單，以及無(wú)人機(jī)容易受到天氣等因素影響，驗(yàn)證精度無(wú)法得到有效保證。

而文中通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)、應(yīng)答機(jī)等的硬件指標(biāo)設(shè)計(jì)，對(duì)標(biāo)校相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，提高無(wú)人機(jī)的標(biāo)?？煽啃裕ＷC其精度，從而保證無(wú)人機(jī)標(biāo)校的可行性。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析，提出了對(duì)于標(biāo)校軟件功能和無(wú)人機(jī)、應(yīng)答機(jī)等硬件指標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)標(biāo)校精度與可靠性，推動(dòng)無(wú)人機(jī)標(biāo)校的應(yīng)用有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)人機(jī)標(biāo)校存在的問(wèn)題

在前期開(kāi)展的無(wú)人機(jī)標(biāo)校過(guò)程中，暴露出一些問(wèn)題。

1)無(wú)人機(jī)在高空中穩(wěn)定性差，容易受到高空風(fēng)等因素影響，導(dǎo)致不能按照既定飛行軌跡飛行。

2)目前基地正在使用的標(biāo)校無(wú)人機(jī)，攜帶的是信標(biāo)機(jī)，并非應(yīng)答機(jī)，無(wú)應(yīng)答模式。

3)無(wú)人機(jī)攜帶的信標(biāo)機(jī)的發(fā)射頻點(diǎn)與信號(hào)強(qiáng)度不支持修改。

4)因機(jī)載信標(biāo)機(jī)較為簡(jiǎn)易，未配備頻標(biāo)設(shè)備，頻率的穩(wěn)定性較差。

5)飛行軌跡的設(shè)計(jì)依靠無(wú)人機(jī)產(chǎn)家提供的商業(yè)軟件，例如DJI Pilot，并非專(zhuān)業(yè)的標(biāo)校軟件，因此使用上有很多限制，例如在手動(dòng)添加飛行軌跡的路徑點(diǎn)時(shí)，難以避免地會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)密度較低，點(diǎn)分布不均勻等情況。另外，在飛行軌跡的導(dǎo)入導(dǎo)出格式上，也會(huì)出現(xiàn)不匹配的情況。

6)專(zhuān)業(yè)的無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟件的缺失，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的飛行軌跡的設(shè)計(jì)無(wú)法考慮到很多重要因素，例如被標(biāo)校設(shè)備的指標(biāo)參數(shù)，當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐淖匀灰蛩氐取?/p>

2 無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟硬件分析設(shè)計(jì)

在此對(duì)無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)分析及設(shè)計(jì)，涉及硬件及軟件內(nèi)容。

2.1 應(yīng)答機(jī)需求分析及設(shè)計(jì)

應(yīng)答機(jī)應(yīng)包含六個(gè)模塊，依次為：控制天線、無(wú)線通信模塊、控制模塊、應(yīng)答模塊、射頻天線、供電模塊，應(yīng)答機(jī)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 應(yīng)答機(jī)平面示意圖

對(duì)機(jī)載應(yīng)答機(jī)作如下要求：

1)應(yīng)答機(jī)的重量主要來(lái)源于應(yīng)答機(jī)保護(hù)外殼、無(wú)線通信模塊、應(yīng)答模塊、電池。應(yīng)答機(jī)總重量小于15 kg。

2)供電模塊的輸入端電壓為12 V，電流為2 A，即功率為24 W。

3)應(yīng)答機(jī)外接3S電池。

4)可通過(guò)地面控制臺(tái)無(wú)線控制應(yīng)答機(jī)信號(hào)開(kāi)關(guān)，調(diào)整信號(hào)頻點(diǎn)、調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度，切換應(yīng)答及信標(biāo)模式等。

2.2 標(biāo)校無(wú)人機(jī)需求分析及設(shè)計(jì)

標(biāo)校無(wú)人機(jī)的重要指標(biāo)為：無(wú)人機(jī)載重與飛行穩(wěn)定性。

1)無(wú)人機(jī)載重量與無(wú)人機(jī)的電機(jī)、螺旋槳槳葉長(zhǎng)度、螺距等密切相關(guān)。電池、電機(jī)、螺旋槳選型與搭配很重要，一般情況下，整機(jī)重量，應(yīng)該小于電機(jī)最大動(dòng)力的2/5。

2)飛行穩(wěn)定性受飛控影響較大。選擇大疆A3 Pro飛控，搭載D-RTK-GNSS，可使得飛行懸停精度達(dá)到垂直方向約0.02 m，水平方向約0.01 m。

3)機(jī)架選用六旋翼機(jī)架，材質(zhì)輕且堅(jiān)固。

4)電池的選擇需要綜合考慮電池的重量及容量。無(wú)人機(jī)電池容量保證載重10 kg下，可飛行30 min。

5)無(wú)人機(jī)遙控天線與應(yīng)答機(jī)射頻天線、應(yīng)答機(jī)通信控制天線區(qū)分開(kāi)。

6)無(wú)人機(jī)可同時(shí)接收來(lái)自遙控器及地面控制臺(tái)的控制信號(hào)。遙控器控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行操作，地面控制臺(tái)通過(guò)上傳規(guī)劃好的航線驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)啟動(dòng)航線飛行。

無(wú)人機(jī)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)人機(jī)俯視圖

2.3 無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟件需求分析及設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟件是為標(biāo)校無(wú)人機(jī)專(zhuān)用設(shè)計(jì)的桌面端應(yīng)用軟件，運(yùn)行在地面控制臺(tái)服務(wù)器上，其作用是能夠根據(jù)測(cè)控設(shè)備及機(jī)載應(yīng)答機(jī)的性能參數(shù)、指標(biāo)要求以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素，綜合生成一條滿足標(biāo)校需求的飛行軌跡，并且能夠?qū)w行軌跡上傳至無(wú)人機(jī)飛控，驅(qū)動(dòng)標(biāo)校無(wú)人機(jī)實(shí)施飛行計(jì)劃。同時(shí)，無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載應(yīng)答機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

2.3.1 軟件功能

無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟件需要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：

1)生成一條可靠的飛行軌跡；

2)將飛行軌跡導(dǎo)入飛控，并實(shí)施；

3)遠(yuǎn)程控制機(jī)載應(yīng)答機(jī)。

2.3.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件部分使用較為成熟的C++開(kāi)發(fā)框架：

1)操作系統(tǒng)：Linux操作系統(tǒng)。

2)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：C++。

3)開(kāi)發(fā)工具：Qt及QtCreator。

4)編譯器：GCC 5.4.0/5.5.0以上版本。

2.3.3 功能設(shè)計(jì)

軟件功能設(shè)計(jì)分為三部分進(jìn)行闡述。

2.3.3.1 生成飛行軌跡功能

生成飛行軌跡的功能是整個(gè)軟件部分的基礎(chǔ)內(nèi)容。

2.3.3.1.1 功能分析

飛行軌跡的規(guī)劃，需要考慮以下幾個(gè)方面的情況：

1)標(biāo)校的目的。跟蹤靜態(tài)目標(biāo)與跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)所要達(dá)成的目標(biāo)是不同的。跟蹤靜態(tài)目標(biāo)的通常是為了檢查測(cè)控設(shè)備的極性、AGC曲線標(biāo)定。跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)通常是為了測(cè)試設(shè)備的伺服性能，即設(shè)備方位俯仰上的速度、加速度、加加速度等，能否達(dá)到指標(biāo)要求，因此在設(shè)計(jì)飛行軌跡時(shí)，需考慮其極限值。

2)飛行軌跡的約束條件。標(biāo)校無(wú)人機(jī)允許飛行的最大高度與起飛點(diǎn)位置相關(guān)。測(cè)控設(shè)備與應(yīng)答機(jī)之間的最小距離與電磁波傳輸特性有關(guān)，即電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)距離公式，見(jiàn)公式(1)，其中D為天線口徑，λ為電磁波頻率；最遠(yuǎn)距離與測(cè)控設(shè)備與應(yīng)答機(jī)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度、接收靈敏度有關(guān)。

3)無(wú)人機(jī)飛行的干擾因素。主要是環(huán)境因素，包括高空風(fēng)、大氣折射率、溫濕壓、太陽(yáng)夾角、月球夾角等。

4)飛行軌跡的模擬仿真。搭建三維立體場(chǎng)景進(jìn)行模擬仿真，一方面實(shí)現(xiàn)飛行軌跡可視化，一方面驗(yàn)證各參數(shù)的正確性，可選用OpenSceneGraph及osgEarth函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

2.3.3.1.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上述影響分析，對(duì)飛行軌跡的功能作如下設(shè)計(jì)。

1)設(shè)計(jì)飛行軌跡生成函數(shù)類(lèi)，QGenerateTraj。

2)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體trajStruct，包含每個(gè)飛行軌跡跡點(diǎn)的數(shù)據(jù)格式值，見(jiàn)代碼 1，其中T為相對(duì)時(shí)間，X、Y、Z分別為地心固定坐標(biāo)系下的X軸值、Y軸值、Z軸值，Vx、Vy、Vz分別為在X軸、Y軸、Z軸方向的速度分量。

代碼1:飛行軌跡點(diǎn)結(jié)構(gòu)體

struct trajStruct{

int T;

int X;

int Y;

int Z;

int Vx;

int Vy;

int Vz;

}

3)函數(shù)emulateTrajectory()，無(wú)返回值，功能為根據(jù)生成的飛行軌跡在三維環(huán)境中進(jìn)行仿真。

4)函數(shù)getFlyTrajectory()，返回值為保存為QList的飛行軌跡，即保存為每個(gè)跡點(diǎn)的數(shù)據(jù)的容器，功能為根據(jù)輸入的參數(shù)生成飛行軌跡，該函數(shù)在emulateTrajectory()中被調(diào)用。

5)setOsgSceneParaAndDisplay(QList traj)函數(shù)，返回值為QList的飛行軌跡，輸入值為getFlyTrajectory()輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)，功能為在三維空間中演示輸入的飛行軌跡。該函數(shù)在emulateTrajectory()中被調(diào)用。

6)函數(shù)setFlyTrajPara()，無(wú)返回值，輸入值為各指標(biāo)參數(shù)，功能為設(shè)置飛行軌跡設(shè)計(jì)中需要用到的基本參數(shù)，如測(cè)站地理坐標(biāo)、測(cè)試指標(biāo)、飛行限制條件、環(huán)境干擾因素、數(shù)據(jù)輸出格式等。該函數(shù)在getFlyTrajectory()函數(shù)中被調(diào)用。

7)函數(shù)setFlyTrajPara()，無(wú)返回值，輸入值為測(cè)試指標(biāo)參數(shù)，功能為設(shè)置測(cè)試期望達(dá)到的指標(biāo)參數(shù)。該函數(shù)在setFlyTrajPara()被調(diào)用。在該函數(shù)下，根據(jù)指標(biāo)參數(shù)的不同，分別調(diào)用setElSpeed(int val)設(shè)置方位速度，調(diào)用setElAcceleration(int val)設(shè)置方位加速度，調(diào)用setElJerk(int val)設(shè)置方位加加速度，調(diào)用setAzSpeed(int val)設(shè)置方位速度，調(diào)用setAzAcceleration(int val)設(shè)置方位加速度，調(diào)用setAzJerk(int val)設(shè)置方位加加速度。

8)函數(shù)setFlyLimitPara()，無(wú)返回值，輸入值為飛行軌跡的限制條件，功能為設(shè)置因設(shè)備性能帶來(lái)的限制條件。該函數(shù)在setFlyTrajPara()被調(diào)用。在該函數(shù)下，根據(jù)指標(biāo)參數(shù)的不同，分別調(diào)用setRadarEmitPower (int val)設(shè)置測(cè)控設(shè)備的發(fā)送功率，調(diào)用setRadarRecvMinVal (int val)設(shè)置測(cè)控設(shè)備的接收靈敏度，調(diào)用setRespEmitPower (int val)設(shè)置應(yīng)答機(jī)的發(fā)送功率，調(diào)用setRespRecvMinVal (int val)設(shè)置應(yīng)答機(jī)的接收靈敏度，調(diào)用setRemoteDist (int val,int fr)設(shè)置并計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)距離，其中val為天線口徑，fr為電磁波頻率。

9)函數(shù)setFlyInterPara()，無(wú)返回值，輸入值為環(huán)境因素帶來(lái)的干擾參數(shù)，功能為設(shè)置因環(huán)境因素帶來(lái)的干擾。該函數(shù)在setFlyTrajPara()被調(diào)用。在該函數(shù)下，根據(jù)指標(biāo)參數(shù)的不同，分別調(diào)用ifUpperAirWinds(bool ok)設(shè)置是否啟用高空風(fēng)誤差修正，調(diào)用ifAtmosRef(bool ok)設(shè)置是否啟用大氣折射修正，調(diào)用ifTempHumiPressure(bool ok)設(shè)置是否啟用溫濕壓修正，調(diào)用ifSunAngle(bool ok)設(shè)置是否避開(kāi)太陽(yáng)夾角干擾，調(diào)用ifMoonAngle(bool ok)設(shè)置是否避開(kāi)月球夾角干擾。

函數(shù)調(diào)用關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 生成飛行軌跡函數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.3.1.3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵技術(shù)主要圍繞與OSG相關(guān)的內(nèi)容。

2.3.3.1.3.1 三維環(huán)境的搭建

為搭建一個(gè)高還原度、可測(cè)量、準(zhǔn)確可靠的三維世界，選用開(kāi)源的osgEarth函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。osgEarth是基于OSG函數(shù)庫(kù)二次開(kāi)發(fā)的，專(zhuān)門(mén)用于地理信息系統(tǒng)建模的函數(shù)庫(kù)，使用范圍廣，可配置性強(qiáng)。選用osgEarth2.10版本及OSG3.6.4版本進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

通過(guò)osgEarth實(shí)現(xiàn)三維建模主要有兩種方法，一種是純代碼形式，所有的配置項(xiàng)通過(guò)代碼中調(diào)用函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)；另一種是代碼加配置文件形式，三維地理模型的絕大部分配置內(nèi)容，都可以通過(guò)*.earth文件中的配置項(xiàng)實(shí)現(xiàn)配置。在無(wú)人機(jī)標(biāo)校軟件的設(shè)計(jì)中使用第二種方式。

2.3.3.1.3.1.1 編寫(xiě)*.earth文件

編寫(xiě)*.earth文件，可以將其命名為simple.earth配置文件，earth后綴的文件格式，類(lèi)似于*.xml文件，是用作配置三維地理模型的配置文件。定義地理信息模型，需要最少包含五部分內(nèi)容，一是確定空間參考系，二是確定地形渲染參數(shù)，三是加載高程數(shù)據(jù)，四是加載紋理信息，五是確定數(shù)據(jù)緩存方式。

1)確定空間參考系。空間參考系配置選用geocentric，地固系坐標(biāo)系，即地心為質(zhì)心的空間直角坐標(biāo)系。

代碼2:空間參考系配置項(xiàng)

2)定義地形引擎如何渲染影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)?？蓪?duì)地理模型的插值方式、是否開(kāi)啟地形表面的光照、加載地形數(shù)據(jù)(瓦片)的策略、多影像數(shù)據(jù)疊加時(shí)集成最終影像數(shù)據(jù)的方式、地形瓦片分割的最大層數(shù)、瓦片范圍系數(shù)、瓦片的采樣率、瓦片邊緣率、高程夸張系數(shù)、邊緣緩沖率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

代碼3:地形渲染方式配置項(xiàng)

3)加載高程數(shù)據(jù)。使用加載DEM圖的方式加載高程數(shù)據(jù)，DEM圖是一種每個(gè)圖元像素都包含了地理信息，如經(jīng)緯度、高程信息的TIF格式圖。在此使用的DEM圖為包含了中國(guó)范圍內(nèi)的1Km精度的高程信息。加載高程數(shù)據(jù)的操作，可以先貼上一張高程精度較低的DEM圖，然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)需求在特定區(qū)域貼上精度更高的DEM圖，如下圖所示。之所以要選擇不同精度的不同范圍的DEM圖，是因?yàn)榫热绻?，就?huì)導(dǎo)致DEM圖非常大，加載起來(lái)就會(huì)非常困難，因此要合理安排DEM圖的精度。

代碼4:加載高程數(shù)據(jù)配置項(xiàng)

4)加載紋理信息，即貼圖操作。是為了使得地理模型可以更直觀且美觀的展現(xiàn)，如果沒(méi)有貼圖操作，則顯示的地理模型就是一個(gè)密密麻麻的點(diǎn)云。貼圖操作可以先貼上一張分辨率較低的全球影像圖，然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)需求在特定區(qū)域貼上分辨率更高的影像圖。原因同高程數(shù)據(jù)。

代碼5:加載紋理信息配置項(xiàng)

5)確定數(shù)據(jù)緩存的方式和存儲(chǔ)位置。緩存在三維建模中顯得較為重要，因?yàn)榧虞d一次高程和紋理圖的數(shù)據(jù)量較大，需要較長(zhǎng)時(shí)間，如果在每一次運(yùn)行時(shí)都去重新加載，那顯然是不可接受的，因此osgEarth給出的一種方案是，第一次加載完成后，就會(huì)生成緩存數(shù)據(jù)，以后每次加載，則從緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，這樣會(huì)顯著提升效率。

代碼6:數(shù)據(jù)緩存的配置項(xiàng)

/media/ybw/SSD/OSG_DATA/MAIN_DATA/FileCache

2.3.3.1.3.1.2 運(yùn)行并顯示三維世界

因?yàn)檫x用Qt作為開(kāi)發(fā)工具，要將osgEarth顯示的地理模型，顯示在Qt的窗口中。在osgEarth開(kāi)發(fā)中，至少需要配置兩部分內(nèi)容，一是加載三維模型，二是設(shè)置相機(jī)操作器。

1)加載*.earth模型。

代碼7:讀取模型的代碼

osg::Node* pNode =

osgDB::readNodeFile("./Data/simple.earth");

osgEarth::MapNode* mapNode =

osgEarth::MapNode::findMapNode(pNode.get());

2)初始化相機(jī)操作器，即相機(jī)參數(shù)。osgEarth的界面顯示，實(shí)際上是將顯示界面當(dāng)作一個(gè)攝像頭，顯示的是攝像機(jī)視角。

代碼8:設(shè)置相機(jī)操作器的代碼

osgEarth::Util::EarthManipulator *em = new osgEarth::Util::EarthManipulator;

if(mapNode.valid())

{

em.get()->setNode(mapNode);

}

em.get()->getSettings()->setArcViewpointTransitions(true);

osgViewer::Viewer * pViewer=this->getOsgViewer();

pViewer->setCameraManipulator(em.get());

pViewer->setSceneData(mRoot.get());//添加到場(chǎng)景

pViewer->realize();

2.3.3.2 航線導(dǎo)入飛控并實(shí)施功能

在生成了航線之后，就需要考慮如何將該航線轉(zhuǎn)換為無(wú)人機(jī)可識(shí)別的格式并上傳使用。

2.3.3.2.1 功能分析

實(shí)現(xiàn)飛行軌跡的導(dǎo)入，需要解決幾方面的問(wèn)題。

1)將生成的飛行軌跡數(shù)據(jù)整理成飛控程序能識(shí)別的格式。

2)將整理后的飛行軌跡數(shù)據(jù)上傳至飛控。

3)驅(qū)動(dòng)飛行器按既定飛行軌跡飛行。

2.3.3.2.2 程序設(shè)計(jì)

大疆無(wú)人機(jī)設(shè)備基于C++的二次開(kāi)發(fā)，大疆官方提供了OSDK開(kāi)發(fā)工具包，目前最新的版本為V4.0.0。

2.3.3.2.2.1 DJI OSDK簡(jiǎn)介

在此介紹OSDK開(kāi)發(fā)包。

1)DJI OSDK是由大疆自主開(kāi)發(fā)的一個(gè)運(yùn)行于桌面端的軟件庫(kù)，貼合用戶自主進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的需要，可個(gè)性定制對(duì)無(wú)人機(jī)在飛行中與自動(dòng)化相關(guān)的的需求，其提供了一些基礎(chǔ)的API，用于實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能；開(kāi)發(fā)者在使用調(diào)用規(guī)劃相關(guān)的庫(kù)的同時(shí)，可以根據(jù)個(gè)人需要，對(duì)功能進(jìn)一步擴(kuò)展，可根據(jù)實(shí)際的使用需求，設(shè)計(jì)并編寫(xiě)相應(yīng)的航點(diǎn)任務(wù)以及熱點(diǎn)任務(wù)，制定一套個(gè)性化控制無(wú)人機(jī)自動(dòng)化飛行的控制邏輯。

2)在無(wú)人機(jī)標(biāo)校中主要用到的功能是航點(diǎn)規(guī)劃的功能。航點(diǎn)規(guī)劃，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)設(shè)置一系列的軌跡點(diǎn)，連接成線，然后將航跡上傳給無(wú)人機(jī)，指令控制無(wú)人機(jī)按照指定的航線啟動(dòng)飛行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)根據(jù)既定航線自動(dòng)化飛行的控制功能。開(kāi)發(fā)者通過(guò)調(diào)用DJI OSDK 的API接口，能夠控制無(wú)人機(jī)以指定的高度、方向飛往既定的位置，并且執(zhí)行約定好的動(dòng)作，根據(jù)任務(wù)需求，還可以編寫(xiě)更多的任務(wù)動(dòng)作，控制無(wú)人機(jī)多次重復(fù)執(zhí)行該任務(wù)，以此實(shí)現(xiàn)多輪次標(biāo)校的功能。

3)開(kāi)發(fā)者在代碼開(kāi)發(fā)中，調(diào)用航點(diǎn)任務(wù)相關(guān)的API，需要指定的參數(shù)為航點(diǎn)數(shù)量和對(duì)應(yīng)的航點(diǎn)類(lèi)型。航點(diǎn)數(shù)量在最新版本的API中，最多可設(shè)置65535個(gè)點(diǎn)。航點(diǎn)類(lèi)型主要包含三種飛行模式，分別為曲率飛行、直線飛行和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。

4)OSDK庫(kù)文件同時(shí)還為開(kāi)發(fā)者提供了更多方便簡(jiǎn)潔的功能，以便直接調(diào)用，比如對(duì)速度的控制功能，開(kāi)發(fā)者能夠按照既定任務(wù)要求，為不同的航點(diǎn)配置不同的速度，當(dāng)然，也可以為同一個(gè)航點(diǎn)設(shè)置多個(gè)速度。另外，在無(wú)人機(jī)執(zhí)行航線飛行任務(wù)時(shí)，修改或查詢(xún)無(wú)人機(jī)全局巡航速度等的狀態(tài)數(shù)據(jù)的函數(shù)，也是事先寫(xiě)好，可以直接調(diào)用的。

2.3.3.2.2.2 主要函數(shù)類(lèi)

為實(shí)現(xiàn)航點(diǎn)任務(wù)功能，利用OSDK函數(shù)庫(kù)，主要將設(shè)計(jì)到以下幾個(gè)代碼文件：

1)dji_mission_type.hpp文件。該文件主要用于定義在航線自動(dòng)飛行中會(huì)用到的一些數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體文件，主要的內(nèi)容為WaypointV2結(jié)構(gòu)體，其中主要涉及到的內(nèi)容有：longitude為精度值，latitude為緯度值，relativeHeight為高程值，maxFlightSpeed為最大速度值，autoFlightSpeed為自動(dòng)巡航速度值。

代碼9:WaypointV2結(jié)構(gòu)體內(nèi)容

typedef struct WaypointV2

{

float64_t longitude;

float64_t latitude;

float32_t relativeHeight; /*! relative to takeoff height*/

DJIWaypointV2FlightPathMode waypointType;

DJIWaypointV2HeadingMode headingMode;

WaypointV2Config config;

uint16_t dampingDistance;

float32_t heading;

DJIWaypointV2TurnMode turnMode;

RelativePosition pointOfInterest;

float32_t maxFlightSpeed;

float32_t autoFlightSpeed;

}WaypointV2;

2)dji_mission_base.hpp文件。在這部分代碼中，主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)航線任務(wù)的控制函數(shù)，start()實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)任務(wù)，stop()實(shí)現(xiàn)停止任務(wù)，pause()實(shí)現(xiàn)暫停任務(wù)，resume()實(shí)現(xiàn)重啟任務(wù)。

代碼10:dji_mission_base.hpp主要代碼

virtual void start(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData=0)=0;

virtual ACK::ErrorCode start(int timer) = 0;

virtual void stop(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData = 0) = 0;

virtual ACK::ErrorCode stop(int timer) = 0;

virtual void pause(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData = 0) = 0;

virtual ACK::ErrorCode pause(int timer) = 0;

virtual void resume(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData = 0)=0;

virtual ACK::ErrorCode resume(int timer) = 0;

3)dji_waypoint_v2.hpp、dji_waypoint_v2.cpp代碼文件。其中的WaypointV2MissionOperator類(lèi)為主要功能實(shí)現(xiàn)的類(lèi)，在該類(lèi)中主要涉及到的函數(shù)有，init(WayPointV2InitSettings *info,int timeout)函數(shù)為實(shí)現(xiàn)該類(lèi)函數(shù)的初始化操作，其中WayPointV2InitSettings為航線任務(wù)結(jié)構(gòu)體，在該結(jié)構(gòu)體中主要規(guī)定了任務(wù)ID值，missionID，任務(wù)重復(fù)次數(shù)repeatTimes，航線結(jié)束時(shí)的動(dòng)作finishedAction，最大飛行速度maxFlightSpeed，自動(dòng)飛行速度autoFlightSpeed，前往第一個(gè)任務(wù)點(diǎn)的方式gotoFirstWaypointMode，以及裝載了任務(wù)航點(diǎn)的容器mission。downloadInitSetting()即從飛控設(shè)備下載航跡任務(wù)的初始化配置信息。start()函數(shù)用于啟動(dòng)航線任務(wù)，stop()為停止航線任務(wù)，pause()函數(shù)用于暫停飛行任務(wù)，resume()用于重啟飛行任務(wù)，注意到，start()、stop()、pause()、resume()四個(gè)函數(shù)都繼承自dji_mission_base.hpp代碼。uploadMission()函數(shù)用于上傳任務(wù)航線，downloadMission()用于下載在飛控中的任務(wù)航線。uploadAction()用于上傳飛行器動(dòng)作。RegisterMissionEventCallback()和RegisterMissionStateCallback()分別用于反饋目前的動(dòng)作和狀態(tài)信息。

代碼11:dji_waypoint_v2.hpp主要代碼:

class WaypointV2MissionOperator

{

public:

const uint16_t MAX_WAYPOINT_NUM_SIGNAL_PUSH = 260;

WaypointV2MissionOperator(Vehicle* vehiclePtr);

～WaypointV2MissionOperator();

ErrorCode::ErrorCodeType init(WayPointV2InitSettings *info, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType downloadInitSetting(WayPointV2InitSettingsInternal &info, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType start(int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType stop(int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType pause(int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType resume(int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType uploadMission(int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType downloadMission(std::vector&mission, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType getGlobalCruiseSpeed(GlobalCruiseSpeed &cruiseSpeed, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType setGlobalCruiseSpeed(const GlobalCruiseSpeed &cruiseSpeed, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType uploadAction(std::vector&actions, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType getActionRemainMemory(GetRemainRamAck &remainRamAck, int timeout);

ErrorCode::ErrorCodeType getWaypointIndexInList(GetWaypontStartEndIndexAck &startEndIndexAck, int timeout);

inline DJIWaypointV2MissionState getCurrentState() { return currentState; }

inline DJIWaypointV2MissionState getPrevState() { return prevState; }

void setPrevState(DJIWaypointV2MissionState state) {prevState = state; }

void setCurrentState(DJIWaypointV2MissionState state) {currentState = state; }

float32_t getTakeoffAltitude(){return takeoffAltitude;};

void setTakeoffAltitude(float32_t altitude){ takeoffAltitude = altitude;};

void RegisterMissionEventCallback(void *userData, PushCallback cb = NULL);

void RegisterMissionStateCallback(void *userData, PushCallback cb = NULL) ;

private:

std::vector missionV2;

DJIWaypointV2MissionState currentState;

DJIWaypointV2MissionState prevState;

Vehicle *vehiclePtr;

float32_t takeoffAltitude;

void RegisterOSDInfoCallback(Vehicle *vehiclePtr);

};

2.3.3.2.2.3 流程設(shè)計(jì)

航線導(dǎo)入并啟動(dòng)的功能實(shí)施流程如下：

1)在之前已經(jīng)設(shè)計(jì)好航線的前提下，需要將該航行的數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)模式修改為大疆指定的數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)方式；

2)將生成的航線通過(guò)API調(diào)用上傳航線任務(wù)的整體信息。

3)一個(gè)航點(diǎn)任務(wù)包含航線飛行任務(wù)的ID、航點(diǎn)任務(wù)的航點(diǎn)數(shù)、任務(wù)重復(fù)次數(shù)、航點(diǎn)任務(wù)結(jié)束后的動(dòng)作、最大飛行速度和巡航速度。

4)上傳航點(diǎn)信息基礎(chǔ)參數(shù)：航點(diǎn)坐標(biāo)(設(shè)置航點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和相對(duì)于起飛點(diǎn)的高度)、航點(diǎn)類(lèi)型、航向類(lèi)型和飛行速度?？蛇x參數(shù)：緩沖距離、航向角度、轉(zhuǎn)向模式、興趣點(diǎn)、單點(diǎn)最大飛行速度、單點(diǎn)巡航速度。

5)將航線任務(wù)上傳至標(biāo)校無(wú)人機(jī)飛控。

6)控制無(wú)人機(jī)執(zhí)行航點(diǎn)任務(wù)。上傳完成后，標(biāo)校無(wú)人機(jī)可通過(guò)開(kāi)發(fā)者之前預(yù)設(shè)的動(dòng)作，如開(kāi)始、停止或暫停任務(wù)、設(shè)置或獲取巡航速度等。

2.3.3.2.2.4 程序?qū)崿F(xiàn)

本章節(jié)內(nèi)容旨在將上一章節(jié)內(nèi)容以代碼實(shí)現(xiàn)。

1)首先判斷是否支持航線任務(wù)規(guī)劃的功能，通過(guò)如下代碼。

代碼12:判斷函數(shù)是否支持功能

if (!vehiclePtr->isM300()) {

DSTATUS("This sample only supports M300!"); /*當(dāng)前waypoint v2 僅支持M300機(jī)型*/

return false;

}

int timeout = 1;

GetRemainRamAck actionMemory = {0};

ErrorCode::ErrorCodeType ret;

if(!setUpSubscription(timeout))

{

DERROR("Failed to set up subscription!");

return -1;

}

else

{

DSTATUS("Set up subscription successfully!");

}

/*! wait for subscription data come*/

sleep(timeout);

2)而后創(chuàng)建mission任務(wù)，初始化mission任務(wù)，用到initMissionSetting()函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)初始化配置的功能，部分代碼見(jiàn)代碼7內(nèi)容。

代碼13:上傳任務(wù)的代碼

/*! init mission */ /* 初始化mission任務(wù) */

ret = initMissionSetting(timeout);

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

sleep(timeout);

3)其中代碼8中為添加航跡點(diǎn)的核心代碼。是initMissionSetting代碼中內(nèi)容，通過(guò)這段代碼，添加每個(gè)航點(diǎn)信息。

代碼14:上傳任務(wù)的代碼

/*! Init waypoint settings*/

WayPointV2InitSettings missionInitSettings;

missionInitSettings.missionID = rand();

missionInitSettings.repeatTimes = 1;

missionInitSettings.finishedAction = DJIWaypointV2MissionFinishedGoHome;

missionInitSettings.maxFlightSpeed = 10;

missionInitSettings.autoFlightSpeed = 2;

missionInitSettings.exitMissionOnRCSignalLost = 1;

missionInitSettings.gotoFirstWaypointMode = DJIWaypointV2MissionGotoFirstWaypointModePointToPoint;

missionInitSettings.mission = generatePolygonWaypoints(radius, polygonNum);

missionInitSettings.missTotalLen = missionInitSettings.mission.size();

ErrorCode::ErrorCodeType ret = vehiclePtr->waypointV2Mission->init(&missionInitSettings,timeout);

4)代碼9的內(nèi)容是在代碼8中進(jìn)一步展開(kāi)，特別將generatePolygonWaypoints()函數(shù)單獨(dú)講解，這部分內(nèi)容是generatePolygonWaypoints()函數(shù)的內(nèi)容。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了航點(diǎn)數(shù)據(jù)的添加功能。這一步函數(shù)調(diào)用，也是實(shí)現(xiàn)在飛行軌跡設(shè)計(jì)完成之后，將設(shè)計(jì)的航跡進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得無(wú)人機(jī)飛控可以使用的關(guān)鍵。

代碼15:上傳任務(wù)的代碼

std::vector WaypointV2MissionSample::generatePolygonWaypoints(float32_t radius, uint16_t polygonNum) {

// Let's create a vector to store our waypoints in.

std::vector waypointList;

WaypointV2 startPoint;

WaypointV2 waypointV2;

Telemetry::TypeMap::type subscribeGPosition = vehiclePtr->subscribe->getValue();

startPoint.latitude = subscribeGPosition.latitude;

startPoint.longitude = subscribeGPosition.longitude;

startPoint.relativeHeight = 15;

setWaypointV2Defaults(startPoint);

waypointList.push_back(startPoint);

// Iterative algorithm

for (int i = 0; i < polygonNum; i++) {

float32_t angle = i * 2 * M_PI / polygonNum;

setWaypointV2Defaults(waypointV2);

float32_t X = radius * cos(angle);

float32_t Y = radius * sin(angle);

waypointV2.latitude = X/EARTH_RADIUS + startPoint.latitude;

waypointV2.longitude = Y/(EARTH_RADIUS * cos(startPoint.latitude)) + startPoint.longitude;

waypointV2.relativeHeight = startPoint.relativeHeight ;

waypointList.push_back(waypointV2);

waypointList.push_back(startPoint);

return waypointList;

}

5)而后將自定義的航線任務(wù)上傳至無(wú)人機(jī)飛控。見(jiàn)代碼8內(nèi)容。

代碼16:上傳任務(wù)的代碼

/*! upload mission */

/*! upload mission's timeout need to be longer than 2s*/

int uploadMissionTimeOut = 3;

ret = uploadWaypointMission(uploadMissionTimeOut); /* 上傳任務(wù)，注意注釋部分，這里的超時(shí)需要設(shè)置為3s, 設(shè)置為1時(shí)，可能因?yàn)樯蟼魅蝿?wù)過(guò)多，報(bào)index錯(cuò)誤*/

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

sleep(timeout);

6)從飛控中下載航線，這一步可以起到檢查航線的作用。

代碼17:下載并檢查任務(wù)的代碼

/*! download mission */ /* 下載任務(wù)，可以查看對(duì)比上傳的任務(wù) debug的時(shí)候可以用來(lái)對(duì)比排查問(wèn)題 */

std::vector mission;

ret = downloadWaypointMission(mission, timeout);

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

sleep(timeout);

7)而后上傳在航線進(jìn)行過(guò)程中，需要涉及的一些飛行器動(dòng)作。

代碼18:上傳飛行器動(dòng)作的代碼

/*! upload actions */ /* 上傳actions：*/

/*! check action memory */

ret = getActionRemainMemory(actionMemory, timeout); //上傳action前先檢查action容量，避免上傳的任務(wù)過(guò)多導(dǎo)致action被擠掉了，執(zhí)行動(dòng)作可能不完整。最大貌似為65535 byte

if (actionMemory.remainMemory <= 0)

{

DSTATUS("action memory is not enough.Can not upload more action!");

return ErrorCode::SysCommonErr::UndefinedError;

}

ret = uploadWapointActions(timeout);

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

ret = getActionRemainMemory(actionMemory, timeout);

sleep(timeout);

8)開(kāi)始執(zhí)行飛行任務(wù)。

代碼19:開(kāi)始執(zhí)行飛行任務(wù)的代碼

/*! start mission */

ret = startWaypointMission(timeout); //開(kāi)始執(zhí)行

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

sleep(20);

9)設(shè)置飛行過(guò)程中的一些參數(shù)，比如最大飛行速度等。

代碼20:設(shè)置飛行參數(shù)的代碼

/*! set global cruise speed */

setGlobalCruiseSpeed(1.5, timeout); //設(shè)置巡航速度，巡航速度為全程航線的巡航速度，不是通過(guò)單點(diǎn)航點(diǎn)任務(wù)來(lái)設(shè)置的?？梢栽趩吸c(diǎn)航點(diǎn)中更改，間接實(shí)現(xiàn)不同的航點(diǎn)以不同的速度運(yùn)行。

sleep(timeout);

10)獲取巡航速度，以判斷飛行器飛行狀態(tài)。

代碼21:獲取飛行參數(shù)的代碼

/*! get global cruise speed */

getGlobalCruiseSpeed(timeout);

sleep(timeout);

11)可以測(cè)試暫停飛行。

代碼22:暫停飛行的代碼

/*! pause the mission*/

ret = pauseWaypointMission(timeout);

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

sleep(5);

12)測(cè)試重啟飛行任務(wù)的功能。

代碼23:重啟飛行的代碼

printf("kyle test: pauseWaypointMission and resumeWaypointMission/n");

/*! resume the mission*/

ret = resumeWaypointMission(timeout); //暫停及回復(fù)航線指令

if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

return ret;

sleep(50);

2.3.3.3 遠(yuǎn)控機(jī)載應(yīng)答機(jī)功能

當(dāng)無(wú)人機(jī)按照既定設(shè)計(jì)的航線自動(dòng)飛行后，就需要考慮標(biāo)校無(wú)人機(jī)機(jī)載應(yīng)答機(jī)的控制問(wèn)題。

2.3.3.3.1 功能分析

這部分功能需要根據(jù)應(yīng)答機(jī)廠家所提供的API接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)，但是無(wú)論是哪家廠家，根據(jù)使用者的需求對(duì)接，軟件接口至少包含以下內(nèi)容。

1)開(kāi)關(guān)機(jī)控制；

2)信號(hào)頻率的選擇；

3)應(yīng)答機(jī)信號(hào)發(fā)送強(qiáng)度的衰減值；

4)在應(yīng)答和信標(biāo)模式之間切換；

5)射頻信號(hào)是否允許輸出。

6)網(wǎng)絡(luò)通信功能?？梢詫⑦@部分功能設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)通信的形式，與近端的應(yīng)答機(jī)控制模塊進(jìn)行通信，使其控制遠(yuǎn)端的應(yīng)答機(jī)。

2.3.3.3.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，可以將功能分為兩部分，一部分是參數(shù)設(shè)置模塊，一部分是網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

1)參數(shù)設(shè)置模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體，將所有的參數(shù)包含在內(nèi)，以方便使用和查看。

代碼24:遠(yuǎn)控應(yīng)答機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊

Typedef struct

{

unsigned char OnOff;//開(kāi)關(guān)機(jī)控制

unsigned char FreqChoose;//頻率選擇

unsigned char Attenuator;//衰減器控制

unsigned char WorkMode;//工作方式

unsigned char SPout;//射頻輸出允許

}

2)網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

代碼25:遠(yuǎn)控應(yīng)答機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信模塊

QudpSocket *SendudpSocket;

SendudpSocket->writeDatagram(buf,len,QhostAddress(FSendIp),FSendPort);

3 無(wú)人機(jī)標(biāo)校應(yīng)用場(chǎng)景

在某次車(chē)載測(cè)控設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)后，受場(chǎng)地限制，沒(méi)有標(biāo)校桿或者標(biāo)校塔可供其進(jìn)行標(biāo)校，此時(shí)，需要起降標(biāo)校無(wú)人機(jī)，進(jìn)行標(biāo)校。

1)利用無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)生成飛行軌跡功能，輸入當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境因素，如溫濕壓，海拔，以及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)位置等參數(shù)，利用OSG在三維仿真空間中，生成飛行軌跡；

2)利用無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)導(dǎo)入航線的功能，通過(guò)OSDK上傳飛行軌跡；

3)利用無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)控制無(wú)人機(jī)的功能，控制無(wú)人機(jī)起飛，并飛行至等待點(diǎn)位置；

4)通過(guò)無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)遠(yuǎn)控機(jī)載應(yīng)答機(jī)的功能，設(shè)置合適的應(yīng)答機(jī)頻點(diǎn)及強(qiáng)度，并開(kāi)啟應(yīng)答機(jī)；

5)標(biāo)校無(wú)人機(jī)根據(jù)飛行軌跡實(shí)施完畢靜態(tài)及動(dòng)態(tài)標(biāo)校，并返航。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)從生成飛行軌跡、到將飛行軌跡導(dǎo)入飛控并實(shí)施以及遠(yuǎn)控應(yīng)答機(jī)完整功能的軟件，并配套相應(yīng)的硬件模塊，提升了無(wú)人機(jī)標(biāo)校的可靠性、為后續(xù)無(wú)人機(jī)標(biāo)校工作的推動(dòng)提供了一套可行的技術(shù)方案。