無人機空中交通監(jiān)視系統(tǒng)設計

摘 要：采用STM32單片機、飛控、數(shù)傳電臺、4G等模塊，以及C#軟件設計一套無人機空中交通監(jiān)控系統(tǒng)。無人機飛行中，通過數(shù)傳電臺把無人機的姿態(tài)，高度，精度，維度等信息無線傳送到設計好的地面站上并顯示信息數(shù)據(jù)。在無遙控器操作時可以通過地面站界修改PID，飛行路線等數(shù)據(jù)發(fā)送給飛控控制無人機飛行。無人機上的4G模塊可以超遠距離向空管發(fā)送飛機的地理位置，編號，操作手信息等信息。空管接收數(shù)據(jù)對無人機進行監(jiān)控也可以對無人機發(fā)送指令或者與地面站進行聯(lián)系。實現(xiàn)無人機，地面站，空管三者的全雙工通信以及空管監(jiān)控系統(tǒng)與無人機監(jiān)控系統(tǒng)的相結(jié)合。

關鍵詞：無人機；空中交通監(jiān)視；飛控系統(tǒng)；4G通信

引言

目前無人機飛行越來越普遍，在無人機飛行過程中不乏有“黑飛”現(xiàn)象，這種無監(jiān)視隨意飛行會導致各類事故發(fā)生，對民航飛行安全和個人安全都有很大的威脅。為防止安全事故發(fā)生，必須采用一套完整的監(jiān)視系統(tǒng)對無人機飛行進行有效的管理。目前民航飛機的飛行是由空管，簽派和飛行員共同協(xié)作完成。空管和簽派負責監(jiān)管和指揮，飛行員負責按規(guī)章操作飛機飛行，在三者的共同努力下保證了飛行的安全與飛行的規(guī)范。借鑒民航對飛機的管理體制，建立一套無人機，地面站，空管三者全雙工通信的無人機監(jiān)視系統(tǒng)，保證無人機飛行的安全合理。同時把無人機監(jiān)視系統(tǒng)與空管監(jiān)視系統(tǒng)相合，達到民航監(jiān)視與無人機監(jiān)視的一體化。

1 總體設計

無人機飛行中通過數(shù)傳電臺向地面站發(fā)送飛控中的飛行數(shù)據(jù)（高度，位置，姿態(tài)）。地面站接收數(shù)據(jù)并對飛機的飛行數(shù)據(jù)進行分析，再次通過數(shù)傳電臺向飛行發(fā)送新的數(shù)據(jù)達到對無人機的飛行路線，飛行姿態(tài)等的修改和操作從而達到無人機與地面站的全雙工通信。考慮到無人機飛行地點與空管距離十分遙遠，普通無線數(shù)傳的距離已經(jīng)遠遠達不到要求，故采用SIM7100C GSM（4G模塊）與空管建立穩(wěn)定的移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸通道，可以遠距離的把無人機飛行數(shù)據(jù)（地理位置，操作手信息）時時向空管傳送。同時空管可以利用4G向無人機發(fā)送AT指令從而對無人機進行操作，同時空管可通過電話等方式與操作手或這地面站進行語音或短信等方式進行信息交互。通過這種數(shù)據(jù)鏈的相互傳輸達到無人機，空管，地面站三者之間的全雙工通信。總體設計框圖如圖1所示：

2 模塊設計

2.1 飛控與地面站連接模塊

采用STM32，MUPU6050，MS5611等模塊建立飛控，通過數(shù)傳電臺向地面站傳輸信息，同時地面站的PID界面可以對飛機進行姿態(tài)微調(diào)以及修改無人機的飛行路線達到對無人機的監(jiān)視與操作，建立無人機與地面站之間的全雙工通信。主控制32系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.2 無人機與空管連接模塊

空管與無人機通信與無人機和地面站通信不同，無人機與空管距離遠，普通無線通信無法實現(xiàn)，故采用4G通信，方便且傳輸距離遠。利用sim7100C芯片建立的4G模塊向空管發(fā)送無人機飛行數(shù)據(jù)，對需要接收信號的電腦配置IP則可以接收到飛機地理位置信息。同時電腦也可以通過4G向無人機發(fā)送AT指令，對無人機進行操作。達到無人機與空管的全雙工通信。4G模塊原理圖如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)傳輸設計

無人機飛行數(shù)據(jù)通過數(shù)傳電臺傳輸?shù)剑么诔绦虬褦?shù)據(jù)從串口中取出，并編寫數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與地面站界面進行鏈接，讓地面站顯示所采集的數(shù)據(jù)。無人機的數(shù)據(jù)以及操作手的信息通過4G網(wǎng)絡傳輸?shù)焦潭↖P的電腦上，建立數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行整理后編寫協(xié)議與空管系統(tǒng)相鏈接，通過數(shù)據(jù)的鏈接可以在空管管制界面觀測到飛機的位置。

4 結(jié)束語

本設計基于飛控、數(shù)傳電臺、4G等模塊的設計，建立一套空管與無人機以及地面站三者之間的全雙工通信的無人機空中交通監(jiān)視系統(tǒng)。通過空管與地面站以及無人機三者信息的相互交流，相互配合，達到對無人機飛行的有效監(jiān)控。該系統(tǒng)的工作模式為無人機飛行時，時時向地面站和空管發(fā)送自己的地理位置，高度，姿態(tài)，航線等信息。當飛機飛行路線，位置，高度不當時，空管會聯(lián)系地面站對飛機的航線等進行調(diào)整，同時空管會輔助地面站對無人機進行操控。通過這種三方面信息的相互交流，從而讓無人機的飛行安全化，規(guī)范化。同時該系統(tǒng)與空管監(jiān)控系統(tǒng)相互結(jié)合可以實現(xiàn)空管監(jiān)控與無人機監(jiān)控一體化。此外該作品有很大的實際應用價值和現(xiàn)實意義：

（1）目前國內(nèi)沒有較為完善的無人機管理系統(tǒng)，此作品可以對無人機進行有效的管理與監(jiān)控，從而杜絕黑飛亂飛現(xiàn)象，保障民航飛行安全以及個人安全。

（2）目前國內(nèi)對無人機監(jiān)控領域的研究尚少，此項目可以促進國內(nèi)無人機監(jiān)視系統(tǒng)領域的研究與發(fā)展。對研究無人機的監(jiān)控管理系統(tǒng)有一定的推動作用。

（3）此系統(tǒng)可以與空管監(jiān)視系統(tǒng)相結(jié)合，提高空管的監(jiān)視能力，在一定程度可以避免無人機飛行干擾到民航飛機的正常運行。

（4）在未來無人機可運用的領域越來越多，運輸，探查等都離不開無人機。在無人機作業(yè)時對無人機時時監(jiān)控是必要的。該系統(tǒng)通過三方面很好的對無人機進行時時監(jiān)控，確保無人機正常作業(yè)。

（5）該系統(tǒng)具有很強的穩(wěn)定性，可以適應各類環(huán)境。在飛機上裝載其他模塊可以增強飛機的作業(yè)能力，如裝入環(huán)境測量等模塊，可以讓飛機飛入指定的無人區(qū)域進行環(huán)境勘察，提高無人機的實際利用價值。

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