小型無人機地面站導(dǎo)航顯示系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：介紹了小型無人機地面站系統(tǒng)的構(gòu)成，地面站視頻接收機的工作原理和飛行數(shù)據(jù)借助于SRV100實現(xiàn)實時傳輸?shù)倪^程。主要研究了地面站計算機在Windows環(huán)境下利用Visual C⁺⁺6.0讀取串行口輸入的GPS定位數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行處理和顯示的方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了盤旋、自動回家功能模塊，達到了應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：小型無人機;GPS;VC⁺⁺6.0;導(dǎo)航顯示系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0509302

Design of Ground Station of Navigation Vision System for Mini-UAV

LI Nan，GE Weili

(Engineering College of Armed Police Force，Xi′an，710086，China)

Abstract：The paper introduces that the composition of autonomous navigation system for mini-UAV，the working principle of video receiver and the real-time transmission progress of aviation data recurring to SRV100.A method to receive and process GPS positioning data in ground computer using Visual C⁺⁺6.0 under Windows environment is analyzed. Basing on that，the function module of circling and homing are designed and empoldered which is up to the application demand.

Keywords：mini-UAV;GPS VC⁺⁺6.0;navigation vision system

1 引 言

小型無人機(Mini-UAV)通常指最大起飛重量小于10 kg的飛行器。由于Mini-UAV攜帶方便，操作簡易，成本低廉，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。小型無人機可以在多種氣象條件下執(zhí)行空中偵察、目標(biāo)搜索、精確打擊等任務(wù)。考慮到Mini-UAV軍事應(yīng)用上的隱蔽性及保密性，單純采用人工遙控導(dǎo)航飛行是不夠的。

本文針對小型無人機的特點，在閱讀了有關(guān)GPS導(dǎo)航^[1]資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一個人工遙控導(dǎo)航與自主導(dǎo)航相結(jié)合的小型無人機地面站導(dǎo)航顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有飛行監(jiān)視、記錄回放等功能。作為無人機地面站控制^[2]的一個重要組成部分，導(dǎo)航顯示系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能(定位、顯示、路線優(yōu)化等)更具廣泛的實用性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本地面站系統(tǒng)^[3]由地面站設(shè)備和導(dǎo)航顯示軟件兩部分組成，如圖1所示。其中地面站設(shè)備由視頻接收機、視頻眼罩、天線組成。

2.1 導(dǎo)航顯示軟件

導(dǎo)航顯示軟件是運行在地面站計算機上的軟件系統(tǒng)，他是無人機飛行控制和管理系統(tǒng)的核心部件，主要完成飛行任務(wù)管理、任務(wù)設(shè)備管理、地面通訊、系統(tǒng)自檢等功能。飛行任務(wù)管理包括電子地圖的配準(zhǔn)、航線規(guī)劃以及飛行狀態(tài)監(jiān)視等。任務(wù)設(shè)備管理包括任務(wù)設(shè)備控制和任務(wù)設(shè)備狀態(tài)回送。

機載飛控系統(tǒng)^[4]首先將GPS接收信號中自主導(dǎo)航需要的數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度和高度)讀取出來，然后根據(jù)用戶數(shù)據(jù)所確定的Mini-UAV當(dāng)前位置和飛控系統(tǒng)存儲器中的預(yù)定航線自主導(dǎo)航^[5]飛行。同時，機載飛控系統(tǒng)需要將用戶數(shù)據(jù)輸入到機載發(fā)送器發(fā)送到地面，經(jīng)由單片機接口電路輸入到計算機中進行處理和顯示，以便于地面人員觀察Mini-UAV的自主導(dǎo)航飛行情況。

2.2 視頻接收

地面站視頻接收機是本無人機地面站系統(tǒng)機載視頻載荷與地面進行通訊的核心設(shè)備。他與飛機建立了兩條單向的無線通信線路：機載視頻信息和低速下行數(shù)據(jù)鏈。 視頻發(fā)射機將調(diào)制后的視頻模擬信號發(fā)射至地面站。地面站的視頻接收機經(jīng)天線接收到視頻信號，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)伺服器將視頻信號進行解調(diào)，最終在地面站顯示器上顯示出來。如圖2所示。

3 通信服務(wù)程序

在地面站設(shè)計中，使用了一種具備路由能力的通訊服務(wù)程序——SRV100，該程序可以使無人機和地面站計算機之間實現(xiàn)組網(wǎng)功能。

地面站計算機和無人機之間通過無線數(shù)傳進行通信^[6]。物理上，地面站計算機之間采用TCP/IP通訊(UDP協(xié)議)，所以任意兩個設(shè)備之間都具有數(shù)據(jù)聯(lián)系的通路。邏輯上，分布于地面站計算機上的通訊服務(wù)程序?qū)⒇撠?zé)所有飛行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)，利用用戶手動填寫的路由表，實現(xiàn)任意兩臺飛控設(shè)備之間的點對點或廣播式通訊。

4 GPS數(shù)據(jù)的采集與顯示

4.1 開發(fā)環(huán)境及方法

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是軟件系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的新方法。利用Visual C⁺⁺ 6.0^[7]可方便地生成各種菜單及美觀大方的圖形界面，軟件質(zhì)量高且開發(fā)周期短。在Windows環(huán)境下開發(fā)GPS應(yīng)用軟件，操作系統(tǒng)完全接管了各種硬件資源，不允許用戶直接控制串行口的中斷管理。以往，程序員只能通過數(shù)目繁多的API函數(shù)來控制串行口，此方法較復(fù)雜。Visual C⁺⁺6.0為用戶提供了一個Active X控件Microsoft Comm Control(MSComm)，利用他可以很方便地進行計算機串行口的通訊管理。

4.2 GPS的數(shù)據(jù)格式

本文用的是瑞士u-blox公司研制開發(fā)的LEA系列GPS接收機。他采用的是NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)模式;輸出數(shù)據(jù)采用ASCII字符碼;GPS接收機的輸入輸出語句均按串行通信協(xié)議;數(shù)據(jù)格式設(shè)為8個數(shù)據(jù)位，1個起始位，1個停止位，無奇偶校驗，波特率為9 600 b/s。GPS可輸出多種不同功能的數(shù)據(jù)語句，其中我們所感興趣的是GGA定位數(shù)據(jù)語句，其格式如下：

＄GPGGA，033812.40，4020.736723，N，11647.862761，E，1，05，1.8，57.701，M，-6.434，M，，0000*48

格式中的主要數(shù)據(jù)定義如下：

4.3 數(shù)據(jù)的處理和顯示

本導(dǎo)航顯示軟件的核心部分包括位置信息欄和電子地圖兩部分。

位置信息欄用于實時顯示GPS接收機接收的數(shù)據(jù)，其中導(dǎo)航顯示軟件所需要的數(shù)據(jù)是GGA定位數(shù)據(jù) 中的經(jīng)度、緯度和高度，自定義發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)如下：4020.736723N11647.862761E57.70。

電子地圖中顯示了用戶飛行器的預(yù)定航點、預(yù)定航線、當(dāng)前位置、實際航跡等。

4.4 編程實現(xiàn)

(1) 在程序中的某個窗體上，插入MSComm控件，設(shè)置其相應(yīng)屬性值。在該控件的OnComm事件中，讀取接收緩沖區(qū)中的全部數(shù)據(jù)，并從讀出的數(shù)據(jù)中截取出有用的字符串和所需的一幀完整數(shù)據(jù)，將其賦值給三個文本框(TextBox)控件進行顯示和保存，并附加相應(yīng)的按鈕(Button)控件，用以使地面站更好地控制無人機的飛行姿態(tài)。利用保存下來的數(shù)據(jù)在必要時可以復(fù)現(xiàn)Mini-UAV某次自主導(dǎo)航飛行的情況，以便分析自主導(dǎo)航飛行的效果。

(2) 根據(jù)已讀取出的緯度、經(jīng)度和高度的值，利用圖片框(Picture Box)控件，將預(yù)先設(shè)定的飛行航線和自主導(dǎo)航的實際航線實時顯示出來，以便地面人員實時了解和分析Mini-UAV的自主導(dǎo)航飛行情況，如圖3所示。

(3) 針對應(yīng)用需求，在設(shè)計開發(fā)時附加兩個復(fù)選框(Check Box)，設(shè)置其相應(yīng)屬性值，分別定義為盤旋和回家。利用Windows API通信函數(shù)對控件進行串口編程。當(dāng)無人機達到目標(biāo)航點時，選中復(fù)選框(盤旋)，無人機收到指令將在目標(biāo)航點上空盤旋飛行。在初始化無人機時，選中復(fù)選框(回家)，當(dāng)無人機飛出遙控范圍，失去所有指令時，無人機將自動執(zhí)行預(yù)先在飛控系統(tǒng)中設(shè)置好的回家指令，朝著起飛地點自主飛行。

4.5 功能實現(xiàn)

通過試驗仿真和實際飛行證明，該導(dǎo)航顯示系統(tǒng)完成了如下功能：數(shù)據(jù)的實時傳輸顯示，電子地圖與實際航線的同步顯示與配準(zhǔn)，在功能模塊上，開發(fā)了盤旋、回家功能，提高了無人機飛行的安全性與可靠性。

5 結(jié) 語

本文介紹了GPS的數(shù)據(jù)格式和自定義的發(fā)送／接收數(shù)據(jù)格式，主要討論了在Windows環(huán)境下利用Visual C⁺⁺ 6.0開發(fā)小型無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS定位數(shù)據(jù)處理和顯示的方法。該方法具有簡單實用、開發(fā)周期短、效果好等優(yōu)點。

參考文獻

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”