一種小型無人機的導航系統方法設計

丁夢雨 ，蘆利斌 ，金國棟

（第二炮兵工程大學907教研室，陜西 西安 710025）

近年來，小型無人機（Mini-UAV）技術達到了迅猛發展，由于其結構簡單、體積小、重量輕、機動性好、成本低、便于隱蔽等特點，使得小型無人機在軍事和民用領域得到越來越廣泛的應用。小型無人機的地面控制系統，即地面站GCS（Ground Control Station），是小型無人機的重要組成部分。它是小型無人機系統的指揮控制中心，可以實現對超小型無人機的監視、導航和控制，從而完成既定的任務。

小型無人機地面導航系統（以下簡稱導航系統）作為整個地面站系統的一個子系統，承擔的主要任務是精確確定無人機在空間中的位置，能夠進行航跡的實時顯示及航拍圖像的回放，并且使無人機能夠實現既定航線的跟蹤。針對某型小型無人機自身任務的特殊需求，對導航控制系統進行了全新的設計。

1 導航系統組成

小型無人機的導航系統一般由3個部分組成：微處理器、GPS以及空氣數據傳感器。微處理器是數據處理和飛行控制的核心部分；GPS部分可以選擇性地過濾接收到的GPS信息，再將接收到的各類信息通過串口傳輸給微處理器，使其能夠進行導航運算；空氣數據傳感器則選擇采用半導材料的大氣壓力傳感器來為無人機駕駛提供外界數據。整個系統原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 導航系統原理圖Fig.1 Navigation system principle diagram

2 添加圖層

矢量地圖比位圖地圖的資源內容更加豐富，其原因是矢量地圖有多圖層。圖層的讀入和顯示是所有地圖操作的基礎，在程序中通過地圖文件路徑與文件名將地圖數（位圖文件）讀入內存，并利用Windows中繪圖工具將位圖繪于指定區域（即地圖顯示區）[2]。部分核心代碼如下：

3 確定地圖工具的功能以及經緯度信息

無人機地面站的地圖工具的基本功能是指地圖的指示箭頭、放大和縮小、漫游和選擇。無人機在發回給地面站的遙測信息中包含GPS定位信息，經過處理后可在二維地圖里顯示出無人機的實時位置。在地圖操作時，若能顯示用戶操作的實際地理坐標，能夠給用戶提供指導信息，以便確定新添加的航路點位置。GPS采用的是世界大地坐標系（WGS－84），坐標原點是地球質心，z軸指向 BIH1984.0定義的協議地極CTP（Coventional Terestrial Pole），其 x軸指向 BIH1984.0 的零子午面與CTP相應的赤道的交點，y軸與x軸、z軸構成右手坐標系，如圖 2 所示[3－10]。

圖2 WGS－84坐標系Fig.2 WGSs－84s fastens by mark

地圖功能和經緯度信息的實質是在GPS坐標系和顯示器屏幕坐標系中建立相應的關系。屏幕坐標系是以顯示像素作為繪圖單位，通過計算地圖上兩個配準點之間的經、緯度差和屏幕坐標、方向上兩點之間的像素差，定出實際距離與顯示設備坐標的比例關系，就可以計算出每一個像素相當多少經度或緯度，根據他們的相對距離的差值就可以根據配準點計算出某一點的位置坐標[4]。在實際的地圖繪制過程中，由于受屏幕顯示器區域的限制，地圖只有部分會被顯示，若想觀察未顯示的部分則需要移動顯示區域，此時，屏幕坐標與地圖坐標是不相同的。如果是從屏幕坐標獲得地圖坐標或還需要進行一次坐標的轉換。其原理比較簡單，只需要使地圖坐標等于屏幕坐標與移動坐標之和。

部分核心代碼如下：

經過地圖配準后，通常采用Windows中圖形設備接口GDI（Graphics Device Interface）通過尋找屏幕坐標進行點線的繪制實現飛行航跡顯示、航點預定和航跡規劃。

4 航路規劃

地面站導航系統的航跡規劃、回放功能可以直觀的反映出無人機的飛行狀態，下面對航跡規劃功能進行說明：用戶單擊“航點規劃”后，即控制客戶圖層繪制的標志量，再點擊刷新圖層，準備接收用戶鼠標點擊的航點坐標，隨后在MapX的鼠標彈起消息處理函數時進行以下操作：鼠標左鍵彈起一次，表示確定一個航點，依此類推。在記錄規劃航點數目變量的同時，將新的航點坐標存儲到經緯度數組相應的存儲單元，同時移動鼠標，指針所指位置的經緯度將實時地顯示在狀態欄里，以便用戶進行查看。但是需要注意，在每次確定新航點后，都必須立即刷新客戶圖層，并將當前所有航點按編號次序連接成一個閉合的多邊形，以便讓用戶參考的航跡是符合航跡規劃的。若完成本次規劃，單擊“規劃完畢”菜單，航點將立即被編碼、發送；若放棄本次規劃，單擊“取消規劃”菜單；若對已規劃的某個航點位置進行修改，單擊“修改航點”。

航跡規劃是基于繪制客戶圖層以開關變量控制不同任務的重要導航子系統，在實際應用中發揮著至關重要的作用。

5 運行測試結果

通過實驗室測試和戶外飛行試驗，表明該小型地面站的導航系統能夠正常工作，下面給出實驗室測試結果，如圖3所示。

圖3 導航系統運行結果Fig.3 Navigation system circulates a test result

由于實驗室條件的限制和測試項目的選擇，并不是所有的數據都能顯示出來，所以圖3中一些數據欄并沒有顯示數據，如高度標尺等沒有顯示。

6 結束語

文章主要討論了導航系統組成、圖層的添加、確定了地圖工具的功能以及經緯度信息以及航路的規劃。通過地圖配準建立了GPS定位信息與屏幕顯示坐標之間相互對應的關系，然后根據尋找屏幕坐標進行點線的繪制實現飛行航跡顯示、航點預定和航跡規劃，并給出相關內容的部分核心代碼。

[1]樓超英，張鵬翼，李南翔.一種小型無人機導航系統的設計[J].科技資訊，2006（33）:31－32

LOU Chao-ying，ZHANG Peng-yi，LI Nan-xiang.Design of the navigation system method for a small UAV[J].Science&Technology Information，2006（33）:31-32.

[2]吳成富，王睿，陳懷民，等.無人機導航地面站軟件研究[J].機械與電子，2009（4）:7-9.

WU Cheng-fu，WANG Rui，CHEN Huai-min.Studyon software of UAV navigation ground station[J].Machinery&Electronics，2009 （4）:7-9.

[3]李明峰，馮寶紅，劉三枝.GPS定位技術及其應用[M].北京:國防工業出版社，2006.

[4]龔真春，宋執環，李平.超小型無人機GPS導航中的坐標轉換[J].兵工自動化，2005，4（24）：29-30

GONG Zhen-chun，SONG Zhi-huai，LIPing.Coordinate transform and its application in GPS navigation of SUVA[J].Ordnance Industry Automation，2005，4（24）：29-30.

[5]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京：科學出版社，2003：394-396.

[6]李明峰，馮寶紅，劉三枝.GPS定位技術及其應用[M].北京：國防工業出版社，2006.

[7]YANG Hui，CHENG Zhi-ping，XU Shan-jia，etal.An unmanned air vehicle （UAV）GPS location and navigation system [C]//InternationalConference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings，1998：472-475.

[8]Sun Xiaorong，Xu Chunguang，Wang Yongsheng.Unmanned space vehicle navigation by GPS[J].IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine，1996（7）:31-34.

[9]Parkinson B W.Global positioning system:theory and application[M].USA:AIAA Inc，1996.

[10]趙琦，張曉林.基于Windows平臺的無人機導航地面測試軟件的設計[J].北京航空航天大學學報，2003，1（29）:17-19.

ZHAO Qi，ZHANG Xiao-lin.Design of test software in base station for navigation under windows environment[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2003，1（29）:17-19.