無人機地面綜合監控系統設計與實現

劉洋，韓泉泉，趙娜

（西安愛生技術集團公司 陜西 西安　710065）

無人機地面綜合監控系統設計與實現

劉洋，韓泉泉，趙娜

（西安愛生技術集團公司 陜西 西安710065）

介紹了無人機地面控制系統的結構和功能。采用VC++和NI Measurement Studio開發套件設計了一套地面綜合監控系統，討論了該系統軟件的構成、設計原理和工作流程，實現了飛行數據實時獲取、飛行控制和導航控制指令在線發送、航跡規劃及裝訂、地區位置查詢及調圖、飛行和導航參數顯示、數據記錄與回放顯示等功能。飛行試驗結果表明所設計的地面綜合監控系統能夠滿足飛行任務要求，實時性高，操作方便，人機界面友好，具有很高的實用價值。

無人機；飛控系統；地面控制系統；綜合監控

隨著科學的發展和技術的進步，無人機［1］在地理環境監測、災區視察、通信中繼、科學研究等各領域的應用將越來越普遍。無人機的地面監控系統是保證無人機安全飛行的一個重要系統，它是無人機系統的指揮控制中心，可以完成無人機的飛行操作、鏈路管理、機載任務設備監控，同時提供飛機飛行狀態、圖像偵察信息，實現對全系統的監控。國外無人機［2］地面監控系統正在向智能化、通用化、模塊化、系列化方向發展。隨著網絡技術、計算機圖形學和虛擬儀表技術的飛速發展，無人機地面系統實踐的不斷深入，如何利用計算機網絡、圖形學和虛擬儀表進行無人機地面系統的設計成為了無人機地面系統研究的熱點之一。

1　系統概述

無人機地面綜合監控［3］系統由實時處理計算機、飛行監控計算機和航跡監控計算機組成。實時處理軟件、飛行監控軟件和航跡監控軟件分別安裝在其對應的計算機上。實時處理軟件采用串口接收地面數據終端GDT下傳的遙測數據，同時建立定時事件處理模塊，實時［4］地將接收到的數據解算并組成完整的網絡數據包，通過UDP以太網定時發送給飛行監控軟件和航跡監控軟件。飛行監控軟件和航跡監控軟件一方面利用網絡消息接收遙測數據，軟件界面定時刷新，以圖形文字并存的形式顯示所需的飛行和導航參數；同時用虛擬儀表控件經鼠標消息觸發機制向實時處理軟件發送飛行、導航控制指令或系統控制指令等，實時處理計算機將控制指令編碼組幀后通過串口發送至數據鏈，再由無線電數據鏈傳送給飛機。飛行監控軟件向實時處理軟件發送系統控制指令（如數據回放、前進、后退、選擇飛行數據等），實時處理軟件接收并改變其功能控制狀態。系統工作流程如圖1所示。

圖1　系統工作流程圖

2　綜合監控系統軟件設計

綜合監控系統軟件［5-6］包括實時處理軟件、飛行監控軟件、航跡監控軟件。下面分別介紹各個軟件［7-8］的主要功能和設計方法。

2.1實時處理軟件

1）控制通訊［9］數據的編碼與發送。實時地接收航跡監控和飛行監控計算機發送的飛控指令和導航指令等網絡數據，同時組幀、編碼并通過串口傳送至無線電數據鏈的遙控通道；接收計算機軟面板的系統控制指令（如記錄、播放等），并按系統控制指令執行相應的操作，改變實時處理軟件的工作狀態。

2）飛行數據的接收與解碼。實時周期性地解碼與數據處理，然后組成網絡數據包向飛行監控和航跡監控軟件分發。

3）數據的記錄與回放顯示。實時處理軟件記錄包括遙控遙測數據、系統運行狀態數據及計算結果等所有數據，將其存儲在實時處理計算機的硬盤中。然后通過接收飛行監控軟件發送的播放指令，執行數據的同步回放。再將遙控遙測復合數據發送至各個監控軟件。

2.2飛行監控軟件

1）PFD主飛行顯控。以圖形加文字的雙重形式顯示速度、高度、姿態角。用虛擬儀表［10］控制按鈕對高度和姿態角進行控制。

2）發動機參數顯控。以圖形加文字形式顯示油量和轉速，文字顯示缸溫等重要參數，用虛擬儀表控制按鈕對風門和氣道進行控制。

3）數據鏈參數顯控。負責天線姿態角、高低角、數據鏈信道、機載天線以及工作模式、鏈路鎖定狀況的顯示與控制。

4）飛行管理。負責飛行參數和鏈路參數顯示，對地面零位和機載零位進行設置等。

2.3航跡監控軟件

1）地圖管理。包括加載地圖、地圖漫游與縮放，距離和面積測量等。

2）導航［11］控制指令發送。設置導航模式或輸入導航參數并發送給實時處理軟件。

3）飛機位置及航跡顯示。從網絡數據包中解算出飛機的位置信息，以飛機圖標的形式實時、直觀的顯示飛機的位置，并顯示飛機的真實飛行軌跡。

4）導航［12］參數顯示。單獨的可彈出顯示界面，顯示航偏、經緯度等導航參數。

5）航跡［13］規劃及裝訂。在航線規劃模式下，用鼠標在地圖上任意選取航點或者用鍵盤輸入的方法將需要的航點通過航線規劃界面輸入到航線航點列表中，然后將它們存儲在Access數據庫中，同時將它們自動連成折線狀航線。確定好輸入的航線無誤后，再將這些航點的經緯度組成數據包發送給實時處理軟件，經無線電數據鏈轉發給機載軟件完成規劃航線的裝訂。程控飛行時飛機將沿著已規劃的航線飛行。規劃航線如圖2所示。

3　關鍵技術的實現

綜合監控系統軟件開發的基礎平臺采用Microsoft VC++［14-15］8.0和NI Measurement Studio開發套件。其中，航跡監控軟件采用了數字地圖顯示技術。下面列舉系統設計過程中幾個關鍵技術的實現方法。

圖2　規劃航線

3.1網絡數據收發

實時處理軟件對飛行監控和航跡監控軟件的接口是以太網接口，網絡通信協議采用面向數據報的UDP廣播。本系統采用WindowsSockets2.0版，在程序初始化函數OnInitialUpdate（）中對UDP廣播進行初始化，在WindowProc（）消息處理函數中接收遙測數據，運用Sendto（）函數發送指令。網絡通訊流程如圖3所示。

圖3　網絡通訊流程

3.2數字地圖加載

利用VC++8.0開發語言和Skyline的ActiveX控件，通過二次開發將數字地圖應用到航跡監控軟件中。

首先創建基于CFormView的單文檔應用程序，在窗口視圖的對話框上添加Skyline的TE Window控件。在初始化函數OnInitialUpdate（）中調用地圖數據庫并顯示，具體實現語句如下：

3.3虛擬儀表繪制

飛行監控軟件主要采用虛擬儀表顯示飛行參數、發送飛行控制指令，利用VC++8.0的ActiveX組件來開發虛擬儀表。為了解決繪圖中屏閃的問題，程序采用了雙緩存方法。以PFD模塊為例，界面采用黑色背景對話框，在黑色背景上放置上籃下黃的橢圓形圖片，用來模擬天地。Windows主控程序周期性的發送定時器消息，并在其處理函數中發送姿態顯示刷新消息。姿態顯示模塊接收到刷新消息后，在預先已裝好的橢圓形天地圖片上，根據存儲在計算機網絡數據中的傾斜角和俯仰角繪制飛機姿態圖形，同時以文字形式顯示姿態角參數。

3.4地區位置查詢及調圖

用戶會在不同的地區完成飛行任務，每到一個地區就需要查詢該地區的地理位置信息，傳統的人工查詢費時費力。根據此需求在航跡監控軟件中設計了快速查詢地區地理位置（經緯度）及以該地區地理位置為中心點調圖的功能。

通過在地區位置查詢界面中輸入需要查詢的地區名稱，點擊查詢按鈕就會在列表中列出所有包含該地區名稱的地理位置信息，點擊所需要的地理位置信息即可調出以該地區為中心點的地圖。這里用到了Access數據庫和SQL查詢語句進行模糊查詢。地區位置查詢界面如圖4所示。

圖4　地區位置查詢界面

4　試驗中的問題及解決方法

在某型民用無人機地面指控系統中對該綜合監控系統進行了測試，在飛行測試過程中出現的問題及處理如下。

4.1油量測量失準的問題

由于無人機油量傳感器容易受到外界信號干擾，可能會出現機械卡死而導致測量失準的情況發生。針對此問題對發動機油耗進行建模，設計了一種燃油估計算法，并且在飛行監控軟件中對此算法進行代碼實現。通過飛行試驗對估算油耗和實際油耗進行對比，結果表明此燃油估計算法可以作為飛機實際油耗的準確參考，并作為油量傳感器的有效備份。

4.2飛行時間估算

飛機在執行任務的過程中會遇到各種突發情況，因此會比計劃的飛行時間要長一些，這就帶來了剩余油量是否夠用的問題。為此根據當前飛行速度以及發動機耗油率等參數對剩余飛行時間進行估算并顯示在航跡監控軟件界面上方，以用來提醒操縱人員提前做好應急準備。

5　結　論

將非實時的飛行監控、航跡監控和實時的實時處理相結合，構成無人機地面綜合監控系統，已成功應用于多型民用無人機。經飛行試驗及使用方表明，該系統實時性強、運行穩定可靠、擴展性好，用戶界面友好，顯示效果真實 ，操作方便，能夠很好地控制無人機的飛行和任務執行。

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Design and realization of ground synthetic monitor and control system for UAV

LIU Yang，HAN Quan-quan，ZHAO Na
（Xi’an ASN Technology Group Co.，Ltd，Xi’an 710065，China）

The structure and function of UAV ground control system are introduced.The VC++and NI Measurement Studio development suite were adopt to design a set of ground synthetic monitor and control system.The design principles and work flow of synthetic monitoring and control system is discussed.Real-time flight data acquisition，flight control and navigation control instructions sent online，route planning and fixing，district position querying and map loading，flight and navigation parameters display，data recording and playback display are realized.Flight test results show that synthetic ground monitor and control system can meet mission requirements，easy to operate，friendly interface，with high practical value.

UAV；flight control system；ground control system；synthetic monitor and control

TN96

A

1674-6236（2016）14-0110-03

2016-03-12稿件編號：201603146

國家自然科學基金（61074155）

劉 洋（1980—），女，陜西乾縣人，碩士，高級工程師。研究方向：導航、制導與地面指揮控制。