小型無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

劉永軍

南京國際關(guān)系學(xué)院六系，江蘇南京 210039

小型無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

劉永軍

南京國際關(guān)系學(xué)院六系，江蘇南京 210039

小型無人機(jī)具有重量輕、體積小、成本低、易于操作等特點(diǎn)，在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文在分析小型無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要完成無人機(jī)飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、航線規(guī)劃和航線回放等功能。系統(tǒng)借助于豐富的地理信息來輔助實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的地面監(jiān)控，利用串口通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與地面控制站的通信，利用地圖控制文件實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的調(diào)度。簡單介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方案。

飛行數(shù)據(jù)；小型無人機(jī)；地面監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)通信

引 言

無人機(jī)系統(tǒng)主要由飛行控制系統(tǒng)、地面站監(jiān)控系統(tǒng)、通信鏈路系統(tǒng)、有效載荷系統(tǒng)以及起飛和回收系統(tǒng)等幾大部分組成。涉及專業(yè)較多，系統(tǒng)復(fù)雜。小型無人機(jī)具有重量輕、體積小、成本低、易于操作等特點(diǎn)，在森林防火、航拍、反恐維穩(wěn)等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。地面監(jiān)控系統(tǒng)作為無人機(jī)監(jiān)控與信息接收的核心部分在整個(gè)系統(tǒng)中十分重要。無人機(jī)的地面監(jiān)控仿真系統(tǒng)是作為無人機(jī)控制驗(yàn)證系統(tǒng)及可視化的一部分，模擬地面控制站的監(jiān)控功能，為地面人員提供實(shí)時(shí)的、直觀的無人機(jī)飛行信息，實(shí)現(xiàn)地面人員與無人機(jī)的高效溝通。無人機(jī)在實(shí)際飛行過程中，地面測控系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出大量飛行數(shù)據(jù)，要求操縱人員快速判斷并做出反應(yīng)，靈活及時(shí)地參與無人機(jī)的控制，這對無人機(jī)飛行操縱安全至關(guān)重要。如何提高對大量飛行數(shù)據(jù)的反應(yīng)速度，減少數(shù)據(jù)分析的工作量，這是無人機(jī)飛行控制過程中的突出問題。將GIS技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)飛行控制過程中，可以用圖形和圖像來表征飛行數(shù)據(jù)，將隱藏在大量數(shù)據(jù)中的信息以相對直觀、易于領(lǐng)會的圖形方式表達(dá)出來，加快人們從數(shù)據(jù)中獲取信息的速度。

1 無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)特征分析

無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型可分為：定性數(shù)據(jù)與定量數(shù)據(jù)。定性數(shù)據(jù)主要包括：開關(guān)遙控指令、飛行狀態(tài)及任務(wù)設(shè)備狀態(tài)、故障類別名稱及飛行時(shí)間（時(shí)、分、秒）等。定量數(shù)據(jù)主要包括：飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)、發(fā)動機(jī)參數(shù)、機(jī)載設(shè)備參數(shù)、導(dǎo)航參數(shù)等。其中飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)包括三個(gè)姿態(tài)角（俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角），三個(gè)角速度（俯仰角速度、偏航角速度、滾轉(zhuǎn)角速度），兩個(gè)氣流角（迎角和側(cè)滑角），兩個(gè)線性位移（縱向角方向的位移和側(cè)向角方向的位移）及一個(gè)線速度（速度向量）；導(dǎo)航基本參數(shù)包括無人機(jī)的即時(shí)位置、速度和航向等。

對于飛行數(shù)據(jù)中的定性數(shù)據(jù)（如飛機(jī)的狀態(tài)開關(guān)量），按照人們常規(guī)習(xí)慣，采用字符串直接顯示，并通過字符串顏色的變化表示狀態(tài)的改變。飛行數(shù)據(jù)內(nèi)變量間的相互關(guān)系分為直接關(guān)系和間接關(guān)系。飛行數(shù)據(jù)之間多表現(xiàn)為間接關(guān)系，即多個(gè)變量聯(lián)合顯示在一起，通過代表各個(gè)變量的圖形符號之間的位置關(guān)系表現(xiàn)變量間的關(guān)系，從而表示一個(gè)狀態(tài)，如飛機(jī)的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)等三個(gè)姿態(tài)角構(gòu)成飛機(jī)的飛行姿態(tài)。另外，數(shù)據(jù)的歸類顯示也是體現(xiàn)變量之間的一種間接關(guān)系，如無人機(jī)飛行航跡、發(fā)動機(jī)參數(shù)等。

對于飛行數(shù)據(jù)中的定量數(shù)據(jù)，如無人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角信息可以用海鷗圖符來可視化表示；無人機(jī)的速度、航向、高度可以用游標(biāo)圖符的游動指示。

以上這些數(shù)據(jù)及可視化的圖形圖像都直接或間接地繪制在數(shù)字地圖上，這樣可以在顯示無人機(jī)飛行航跡的同時(shí)，以開辟小窗口或切換新視圖的方式實(shí)時(shí)獲得無人機(jī)飛行過程中的其他信息，使得地面上的操作員對空中無人機(jī)的監(jiān)控工作變得簡單直觀。

2 系統(tǒng)功能

2.1 飛行狀態(tài)顯示功能

當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，知道飛機(jī)的實(shí)際航線是否與事先規(guī)劃的航線重合或者偏離設(shè)定航線的距離有多少等信息是非常重要的，所以航跡顯示是一個(gè)非常重要的功能。通過網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)從地面控制站實(shí)時(shí)獲取GPS經(jīng)緯度信息，根據(jù)獲取的經(jīng)緯度位置信息在視圖中以直觀的小飛機(jī)圖符顯示無人機(jī)的當(dāng)前位置，飛機(jī)圖符可根據(jù)航向旋轉(zhuǎn)。飛行航跡的顯示通過按鍵控制，當(dāng)航跡顯示按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)以不同于地圖背景顏色的紅色實(shí)時(shí)對飛機(jī)當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的位置點(diǎn)進(jìn)行連線完成航跡顯示，使得操作手可以第一時(shí)間得到無人機(jī)的位置信息。航跡顯示過程中還設(shè)置保存數(shù)據(jù)的功能，以便在航程再現(xiàn)時(shí)使用。

2.2 任務(wù)航線規(guī)劃功能

當(dāng)在任務(wù)區(qū)域內(nèi)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，無人機(jī)是按照預(yù)先指定的偵察次序和偵察重點(diǎn)執(zhí)行一條參考航路，并可根據(jù)當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)場需要適時(shí)地調(diào)整、修正參考航路。所以在執(zhí)行偵察飛行任務(wù)時(shí)，需要提前進(jìn)行任務(wù)航線規(guī)劃。在數(shù)字地圖上隨著鼠標(biāo)的移動，鼠標(biāo)所在位置可以同時(shí)顯示出地圖上該點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，此時(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)即將該點(diǎn)自動追加為航線中新的航程點(diǎn)，這樣的操作明顯地方便了操作人員，大大縮短了任務(wù)規(guī)劃所需的時(shí)間。當(dāng)任務(wù)規(guī)劃完后，同樣通過網(wǎng)絡(luò)通信將任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)打包發(fā)送到地面控制站，然后由地面控制站通過無線電鏈路將數(shù)據(jù)上傳至無人機(jī)駕駛儀。

2.3 航線回放功能

在無人機(jī)的實(shí)際飛行過程中獲得并保存數(shù)據(jù)之后，通過航線回放可以得到與航跡顯示功能完全相同的視覺效果，離線地再現(xiàn)無人機(jī)某一次飛行的全過程，方便了對無人機(jī)的飛行狀況及任務(wù)執(zhí)行情況的分析。這是在一次飛行任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行的工作，為接下來的任務(wù)規(guī)劃工作和數(shù)據(jù)處理工作提供了一定的依據(jù)和參考。

2.4 其他功能

系統(tǒng)功能還包括：

數(shù)字地圖顯示和操作功能：數(shù)字地圖的快速顯示以及放大、縮小、漫游等操作；

打印輸出功能：主要實(shí)現(xiàn)由屏幕電子航跡地圖到傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖的轉(zhuǎn)換，通過繪圖儀和圖面設(shè)置、繪圖范圍設(shè)置、頁邊距設(shè)置、打印預(yù)覽、打印等步驟來實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方案

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)與地面控制站之間的網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信方式一般有面向連接的流方式即TCP／IP協(xié)議和無連接的數(shù)據(jù)報(bào)文方式即UDP協(xié)議。為了滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性的通信要求，選用了面向連接的流方式，這種方式是通過串口通信實(shí)現(xiàn)的。

要完成串口通信，在32位模式下，一般有以下幾種方法：

（1）以文件方式打開串口；（2）使用現(xiàn)成的控件；（3）直接嵌入?yún)R編法；

以上方法中第二種方法比較簡單，只需要對串口進(jìn)行簡單配置；第三種方法需要了解硬件電路結(jié)構(gòu)原理，專業(yè)化程度較高；第一種方法使用面較廣，使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)封裝Win32 API函數(shù)，提供一個(gè)用于串行通信的類，只要理解這種類的幾個(gè)成員函數(shù)，就能方便地使用。本系統(tǒng)采用第一種方式。

3.2 調(diào)度多比例尺地圖技術(shù)

多比例尺地圖符合人們由遠(yuǎn)及近、由整體到局部漸次清晰的空間認(rèn)知習(xí)慣。由于地圖數(shù)據(jù)量很大，多比例尺地圖的管理與快速顯示成為系統(tǒng)研制時(shí)的一個(gè)難題。系統(tǒng)采用地圖控制文件對多比例尺數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，地圖控制文件主要是描述多比例尺數(shù)據(jù)的顯示層次和坐標(biāo)范圍。

以地圖控制文件為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)多比例尺數(shù)據(jù)的平滑切換顯示，其基本原理是：

①若窗口顯示范圍>當(dāng)前地圖范圍，則切換至上一級（小比例尺）地圖；②若窗口顯示范圍<當(dāng)前地圖范圍，則切換至下一級（大比例尺）地圖。

地圖控制文件中記錄了每幅地圖的路徑、比例尺、坐標(biāo)范圍和顯示層次，在地圖開窗放大、縮小時(shí)，計(jì)算窗口的坐標(biāo)范圍，從而根據(jù)該坐標(biāo)范圍選擇相應(yīng)比例尺的地圖。為了實(shí)現(xiàn)地圖的快速顯示，在裝載相應(yīng)比例尺地圖前，首先讀取對應(yīng)的空間索引文件，然后根據(jù)索引的范圍裝入相應(yīng)大小的地圖數(shù)據(jù)。通過地圖控制文件和空間索引的結(jié)合，系統(tǒng)能夠較好地解決多比例尺地圖的快速顯示和比例尺的自動平滑過渡。

4 結(jié)束語

該地面監(jiān)控系統(tǒng)能夠解決網(wǎng)絡(luò)通信、地圖數(shù)據(jù)調(diào)度等問題，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行狀態(tài)的可視化、航線規(guī)劃和航線回放等功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。結(jié)合小型無人機(jī)易于操作，可隨時(shí)進(jìn)行實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)等特點(diǎn)，具有良好的可擴(kuò)充性。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.011

劉永軍（1981～），男，助教，研究方向?yàn)闊o人機(jī)運(yùn)用。