無人機航跡規劃與狀態追蹤系統

魏明哲

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

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無人機航跡規劃與狀態追蹤系統

魏明哲

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

摘要：針對小型無人機控制的復雜性，設計了一套地面站綜合控制系統。該系統具有航向的監測與控制、航跡的規劃與顯示、任務信息的接收與執行等功能，可以實現小型無人機的超視距控制和任務信息的回傳與追蹤。實驗表明，系統可實現64 bit數據幀間隔50 ms收發與間隔1 000 ms顯示數據更新，滿足實際應用需求。

關鍵詞：無人機；航跡規劃；狀態追蹤；地面站控制系統

0引言

無人機通過陀螺儀感知自身飛行狀態，依據地面控制站發送來的路徑信息和任務信息，自動計算飛行路線并控制旋翼動作到達預定目標。路引等研究人員對電臺上行與下行數據傳輸模式進行了仿真，并結合OpenGL功能仿真了飛行器姿態[1]。本文將對無人機飛行中實際采集的傳感器數據進行數據傳輸控制分析，并在上行與下行數據幀構成上結合實際情況作了修改，具有實用價值。

1無人機應用技術的組成

無人機的應用技術可分為以下三個部分：地面站控制系統、運動載荷和任務載荷。

地面站控制系統運行于計算機中，負責智能無人機的航跡規劃、GPS坐標和多種傳感器實時數據及視頻數據的顯示與存儲、無線電臺數據的收發控制；運動載荷負責無人機航跡規劃數據的接收與運動方向的計算、傳感器數據的無線發送；任務載荷主要負責無人機附加功能的實現，如視頻接入、探測掛載等。

2無人機地面站控制系統的組成

地面控制站需具有航跡規劃、飛行速度設定、協議轉換等發送功能，同時具有無人機實時回傳狀態信息的接收與顯示監控功能，從而使無人機能夠安全可靠地飛行和完成指定任務。筆者主要設計開發了地面站控制系統。針對航跡規劃和狀態追蹤的功能需求，設計實現路徑規劃功能和針對GPS信息、姿態傳感器的狀態追蹤功能[2]；同時結合E30-TTL-100無線串口電臺，開發實現界面友好、基于UDP協議的地面站控制系統；數據的來源采用軟件模擬結合硬件實現，通過E30-TTL-100無線串口電臺收發。系統的組成框圖如圖1所示。

圖1　地面控制系統的組成

2.1無線電臺

2.1.1硬件平臺

為實現無人機和地面站控制系統之間的數據傳輸，選用E30-TTL-100無線串口電臺，該無線電臺常用工作頻段為433 MHz，最大功率20 dBm(約合100 mW)，空中速率1.0 Kbps，接收靈敏度為-119 dBm，空間最大傳輸距離為2 000 m[3]。在地面站終端通過串口轉換模塊與計算機連接，在無人機端采用RS232通訊接口與無人機主控進行連接，實現數據的無線傳輸。

2.1.2軟件平臺

電臺軟件負責地面站控制系統和無人機之間的數據收發，主要涉及波特率的設置、空中速率的設置、規劃平臺和監控平臺的UDP數據收發等功能。同時，針對輔助平臺，筆者還設計實現了其與無人機模擬平臺的UDP通信和無線收發功能。電臺硬件如圖2所示。

圖2　E30-TTL-100無線串口電臺

2.2規劃平臺

圖3　規劃平臺結構

規劃平臺結合Google Earth軟件實現[4]。采用Google Earth指定飛行路線，生成經緯度坐標文件，規劃平臺調用經緯度坐標文件，設定無人機飛行速度，依照通信協議組成待發送數據，通過UDP協議發送至電臺進行發射。規劃平臺結構如圖3所示。2.3監控平臺

監控平臺主要由儀表盤和數據列表組成[5]。通過電臺接收下來的無人機實時數據，依據通信協議解析出經緯度、航向、橫滾、俯仰和速度等信息，送至監控儀表盤實時顯示，追蹤無人機運動狀態，同時在數據列表中顯示[6]。監控平臺結構如圖4所示。

圖4　監控平臺結構

2.4輔助平臺

無人機的運動載荷采用軟件模擬的方式設計，實現無人機輔助模擬平臺。模擬平臺通過電臺接收規劃平臺的數據，解析出路線規劃經緯度坐標和無人機飛行速度信息；將采集存儲的無人機實時狀態數據提取，依據通信協議組成待發送數據傳至電臺發送[7]。無人機模擬平臺結構如圖5所示。

圖5　無人機模擬平臺結構

3無人機系統交互軟件

交互軟件基于.NET平臺設計實現。其中，本地IP為運行地面控制系統的計算機的IP地址，IP地址采用16進制碼顯示；網絡端口為預先設定平臺識別端口，不同平臺之間采用UDP協議，通過網絡端口識別目的地址，實現同局域網下數據的收發功能。

3.1規劃平臺軟件

規劃平臺的軟件設計流程如圖6所示。

圖6　規劃平臺軟件設計流程

規劃平臺交互軟件如圖7所示。其中規劃平臺航跡規劃產生的GPS坐標文件已由Google Earth軟件生成。軟件系統可實現GPS坐標文件的瀏覽、速度設定、規劃數據發送和無人機飛行指令的生成與發送；可實現規劃航跡數據在Google Earth上劃線顯示功能[8]。

圖7　規劃平臺交互軟件

3.2監控平臺軟件

監控平臺的軟件設計流程如圖8所示。監控平臺交互軟件如圖9所示。軟件可實現無人機實時回傳的64bit狀態數據的列表顯示與儀表盤動態顯示功能[9]。

圖8　監控平臺軟件設計流程

圖9　監控平臺交互軟件

3.3電臺平臺軟件

電臺平臺與E30-TTL-100無線串口電臺硬件通過USB接口相連接，完成UDP數據和串口數據的協議轉換和數據收發中轉。其交互軟件如圖10所示。

圖10　電臺平臺交互軟件

3.4模擬平臺軟件

模擬平臺的軟件設計流程如圖11所示。模擬軟件實現航跡規劃平臺的規劃數據的接收與顯示功能模擬，以及真實航跡數據的發送功能，以上兩項功能的實現均需結合電臺軟件實現，如圖12所示。

4結語

無人機航跡規劃和狀態追蹤系統很好地實現了規劃數據的發送和接收、模擬實時數據的接收與顯示，結合無線電臺實現了間隔為1 s的數據更新和儀表板顯示更新，滿足系統性能要求。

圖11　模擬平臺軟件設計流程

圖12　模擬平臺交互軟件

參考文獻：

[1]路引，郭昱津，浦黃忠，等.某型無人機全機仿真平臺設計[J].四川兵工學報，2015，36(5)：123-126.

[2]王洋，劉偉.盤旋跟蹤地面目標小型無人機控制系統設計[J].北京航空航天大學學報，2010，36(10)：1252-1255.

[3]羅珊，陳睿璟，路引，等.便攜式地面測控系統[J].兵工自動化，2012(8)：14-16.

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(責任編校：夏玉玲)

An UAV Flight Path Planning and State Tracking System

WEI Ming-zhe

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：In the light of small-sized UAV control complexity，the author of this paper has designed a ground integrated control system for UAV， which is capable of monitoring and controlling courses， planning and displaying tracks， receiving and executing tasks， performing the BVR control of a small UAV， and sending back and tracking information. Experiments show that the system can receive and transmit 64 bit data at the interval of 50 ms and display data update at the interval of 1000 ms， thus meeting the application requirements.

Key Words：UAV； route planning； state tracking； ground control system

基金項目：2014年度唐山市科技計劃項目(14110213a)

作者簡介：魏明哲(1983-)，男，河北安平人，講師，碩士，主要從事信號處理與通信系統研究。

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0031-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.010