無人機通用指控平臺設計與實現

劉 惠，王泓淼，胡 楠，顏 華

(1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津 300301)

無人機通用指控平臺設計與實現

劉 惠1，王泓淼2，胡 楠1，顏 華2

(1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津 300301)

現有不同型號無人機的數據協議格式差別較大，無人機指揮控制系統與無人機緊密耦合，針對不同機種要開發不同的指控系統，系統的通用性較差，開發、培訓成本高，且無法滿足未來多無人機協同作業的任務需求；因此，設計開發一套具有較高通用性的無人機指控系統，通過對異構的無人機測控數據進行通用化處理，形成具有較強可擴展性的無人機標準數據協議，用以消除不同無人機與指控系統之間的差異性，同時最大限度的保證指控平臺的可擴展能力。

無人機；通用化；指揮控制；數據協議

0 引言

隨著無人機應用的逐漸深入，無人機種類和數量都在不斷增多，隨之暴漏出來的問題也日益凸顯。一方面，國內外各型無人機系統接口形式多樣，數據協議格式差別較大，現有技術都是按照無人機原始數據協議進行透明傳輸，對后期的數據解析與應用帶來許多不便；另一方面，現有無人機平臺僅能通過各廠商自有系統進行分散監控，無人機平臺與指控系統的緊密耦合，導致系統的通用性、可擴展性較差，針對新機種要開發新的指控系統，開發、維護、培訓的成本較高，無法滿足無人機業務不斷發展的需求。

北約在2003 年制定了“北約無人機控制站互操作標準化接口”(STANAG 4586 標準)[1-3]，以提高無人機系統在北約盟軍聯合作戰中的互操作能力。目前，國外在實現無人機系統通用化方面主要是以北約制定的STANAG 4586協議為標準，該標準是北約部隊使用的一種無人機通用地面站系統的規格說明，以使北約各成員國可以應用各自無人機系統聯合支持軍事作戰行動，該種通用化是建立在應用同種數據協議標準的前提下，但是，迄今為止絕大多數無人機產品仍采用各自的標準設計，系統之間未實現標準化，直接導致各家無人機數據協議差別較大，操作平臺過多，維護成本過高等問題。在國內地面站方面，已經實現任務規劃、飛行控制、鏈路監控、飛行控制、載荷控制、航跡/參數綜合顯示、數據存儲處理與分發等功能[4]，但各項功能應用起來相對分散，缺乏統一的體系，且主要是針對某一機型或某類設備單獨研制，兼容性較差。

為解決上述問題，本文提出了一種基于XML的異構無人機通用數據解譯技術的無人機通用指控系統，實現對多型無人機的通用化、一體化測控；在軟件架構設計上采用通用的架構設計方法，各模塊以插件化方式進行集成[5-6]，內部提供統一的數據接口，可根據無人機參數的不同進行靈活的變化，無需更改程序即可兼容新型無人機，解決了系統擴展性的問題。

1 平臺設計實現

1.1 平臺設計分析

無人機指控平臺的基本功能是實現對無人機、載荷等任務設備的實時監視與控制，通用化的無人機指控平臺要求基于同一軟件平臺實現對多型無人機系統的兼容測控，并具有較高的先進性和可擴展性，以適應未來新型無人機的接入需求。

通過對國內外主流的大型無人直升機、中小型固定翼無人機、便攜式固定翼無人機、多旋翼無人機等多種機型進行對比分析發現不同廠家無人機的測控協議大不相同，例如，一般機型都是以二進制分幀格式進行表示，但也有個別機型如MD4-1000等是以ASCII編碼方式分幀表示，而且，不同機型測控數據幀的幀頭、幀長度、參數屬性等具體信息都不盡相同，這些都給無人機系統的通用測控帶來了很大困難，也是造成無人機指控系統間通用性較差的主要原因。

為了實現通用化，本文在原指控平臺基本功能上增加接口協議控制功能，該功能基于XML的異構無人機通用數據解譯技術，實現對多型無人機測控協議的統一解譯，并轉換為系統內部標準數據協議，各監控軟件只需對標準數據協議進行解析，不再依賴于各型無人機特定的協議，較好的提升了平臺的通用化水平。

1.2 硬件設計

圖1 平臺硬件組成

無人機指控系統分為機載端和地面指控端兩大部分，其中無人機通用指控平臺軟件部署于圖中的地面指控站上，地面站配備千兆交換機實現平臺內部信息的網絡化傳輸。

無人機搭載任務載荷對目標區域進行航拍，通過數據鏈路實時回傳遙測數據至地面指控站，由通訊與接口協議控制計算機對飛機、載荷遙測數據進行統一解析、分發和存儲，解析后的標準數據傳輸至各監控軟件進行狀態實時顯示。通訊與協議控制計算機同時接收飛機、載荷、鏈路的控制指令，按設備規定格式封裝后通過數據鏈路上傳至機載端，完成對機載設備的控制。

1.3 軟件組成

圖2 平臺軟件組成

如圖2所示，無人機通用指控平臺包括通訊與接口協議控制、鏈路監控、飛行監控和載荷監控四部分。

通訊與接口協議控制軟件基于異構無人機通用數據解譯技術(技術實現說明參見第2章)，是平臺通用化處理的核心部分，負責通訊接口和通訊協議的管理與控制，直接與外部設備進行交互，對內提供統一的數據接口，屏蔽不同無人機平臺的差異性。

通訊與接口協議控制軟件包括設備接口管理模塊、通訊協議管理模塊、網絡管理模塊和數據管理模塊四部分，其中，設備接口管理模塊負責對外部設備的接口形式進行統一接入處理，支持網口、串口等多種數據接口形式；通訊協議管理模塊負責對多型無人機協議進行配置與管理，應用異構無人機通用數據解譯技術，將原始數據統一轉換為內部標準協議推送至各監控軟件進行可視化展示；網絡管理模塊負責平臺內部的網絡協議配置、網絡傳輸方式設置等，支持TCP、UDP組播等多種網絡通信方式；數據管理模塊對內提供統一的數據管理接口，負責存儲和管理系統中原始遙測數據、遙控數據、標準協議數據、視頻數據以及各種日志數據等，保證數據的安全性、可靠性及完整性。

鏈路監控軟件負責對地空鏈路及通信設備進行指令控制和狀態監控，負責通信天線控制和狀態監視。鏈路監控軟件的首要任務是實現對地空鏈路的雙向控制，以及數據通訊端口的控制，該軟件能實時監控鏈路回報狀態信息，發現并提示鏈路異常狀態。

飛行監控軟件[7]負責無人機飛行控制和飛行狀態監視，包含飛行航跡規劃、起飛、航線導入與驗證、姿態位置監控及降落的控制等。

載荷監控軟件負責對機載載荷的控制與狀態監視，完成機載載荷的開關控制、方位姿態控制、載荷類型切換控制、參數設置等，同時接收載荷航拍數據并實現視頻解碼、顯示和回放。進入系統之前，需要對載荷類型進行選擇配置，機載載荷根據類型的不同，分配獨立的載荷身份識別PID標識，切換PID完成對不同載荷的控制，當載荷監控軟件完成PID切換時，視頻顯示部分優先顯示該PID對應載荷的下傳數據，以實現軟件對不同載荷數據的顯示、記錄和回放。

飛行監控和載荷監控軟件采用WPF界面設計框架，支持自定義界面組件，針對不同機型和載荷設備可實現界面定制化加載。

2 通用化關鍵技術

針對不同型號無人機數據協議的通用化解譯需求，通過對多型數據協議進行分析，本文提出了異構無人機通用數據解譯技術。該技術中設計了一種可滿足多型無人機測控協議的無人機遙控、遙測配置文件(XML格式)，包含與無人機測控有關的所有參數字段(比如：經度、緯度、姿態角以及飛機狀態等信息)，各機型對應一套配置文件，通過配置文件引導程序完成對各屬性值的解析，解決了數據譯碼的通用性[8]問題。兼容新機型時，分析該類無人機的測控協議，并按照配置協議標準格式創建針對該機型的遙控、遙測配置文件，以達到與系統內部協議兼容的目的，進而實現對多型無人機的通用化測控，該技術的工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理示意圖

以遙測數據為例，接收飛機遙測后，首先對遙測數據格式進行統一轉換，軟件根據設置的飛機類別檢索并加載對應型號的遙測協議配置文件，根據配置項相關信息，在遙測數據中解析出飛機的偏航角、方位角等飛行狀態信息和位置信息等。配置文件內容示例如下：

……

該配置文件描述了ZW310型無人機飛控遙測數據協議，文件中包括遙測數據幀頭、幀長、各屬性值的名稱、起止位置、類型、精度等信息，由該配置文件可知，遙測數據包的開頭標志為B562，其中，GPS子幀幀頭為020048，幀頭后的數據長度為103個字節，其中，“緯度”屬性開始于第16個字節，長度為4個字節，這時程序可以將 GPS 數據中的“緯度”數據信息解算出來，乘以相應的精度值(scale)換算成實際的緯度值，最后以JSON的形式封裝成系統內部標準協議格式，推送至各監控軟件進行顯示，保證了后端軟件的一致性，標準協議格式如下所示：

{

“PlaneData” :

{

“PlaneID”: “Plane00001”,

“Longitude”: “180.0”,

“Latitude”: “90.0”,

“GPSHeight”: “99999.0”,

“Pitch”: “90.00”,

“Roll”: “90.00”,

“Yaw”: “90.00”,

“GPSstarcount”:”8”,

……

}

}

發送遙控數據時，軟件會根據該類飛機唯一的類別編碼檢索配置文件里對應的該類飛機的遙控協議配置內容文件，根據配置項相關信息，對遙控指令進行組幀，以飛機可識別的格式發送給飛機平臺。

3 平臺應用實踐

平臺通訊與接口協議控制軟件是通用化實現的核心，軟件參數設置界面如圖4所示。

圖4 參數配置界面

通過對串口參數或者網口參數進行配置可實現與地面收發設備的數據通信，選擇“飛機類型”后，軟件自動加載與機型匹配的配置文件，解譯后封裝成JSON格式后轉發至監控軟件進行可視化展示。

平臺以單兵一號固定翼無人機、Z5型無人直升機、MD4-1000多旋翼無人機等多型無人機飛控為測試平臺，對本文設計的無人機通用指控平臺的通用性進行實際驗證，實驗結果表明本平臺對各型無人機具有較好的兼容性。目前，平臺已經實現對單兵一號、MD4-1000、智能鳥KC2000、CY-01H、海鷹310等八款無人機飛控的通用化兼容，并已部署在多省海域監控指揮車中進行應用，實際部署效果如圖5所示。

圖5 部署效果圖

4 結束語

無人機通用指控平臺可以最大限度的保證控制平臺的適應能力，消除無人機平臺與不同應用之間的差異性問題，同時具備協議管理、鏈路監控、載荷監控、飛行監控、航跡顯示、視頻圖像處理、數據管理等無人機指揮控制系統通用性功能，并可根據實際需求進行裁剪。

平臺建成后，通過行業分析加入領域模型和可變性分析，便可快速、低成本的搭建新的無人機行業應用系統，構建包括林業、海洋、石油、電力在內的多行業無人機指控系統也是本文以后的研究和應用方向。

[1] 王滿玉,邢富領,吳 潛.北約無人機控制站互操作標準化接口STANAG 4586標準解析[M].北京: 國防工業出版社,2011.

[2] 曲東才,陳偉良,陳琪等.無人機控制站交互性操作的標準化接口技術[J].飛機設計,2006(2):36-40.

[3] 曲東才,唐琳娜,吳曉男等.STANAG4586標準化接口——從理想到現實[J].飛航導彈,2005(9):6-13.

[4] 吳 潛.無人機測控系統的現狀與發展趨勢.電視技術[J].2009,49(9):90-94.

[5] 馬聰穎,高瑞周,朱玉祜.無人機地面控制站通用化軟件架構[J].航空計算技術,2013,43(3):112-118.

[6] 陳方明,陳 奇.基于插件思想的可重用軟件設計與實現[J] .計算機工程與設計,2005,26(1):172-173.

[7] 劉 洋,馬麗娜，劉 磊.無人機地面站飛行監控系統軟件設計[J].計算機測量與控制.2014,22(1):294-296.

[8] 趙 躍,祖家奎.無人機飛行數據通用化譯碼軟件設計及實現[J].工業控制計算機,2011,24(11):35-37.

Design and Implementation of Generalized UAV Command and Control Platform

Liu Hui1, Wang Hongmiao2, Hu Nan1, Yan Hua2

(1.National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China；2.Tianjin Zhongwei Aerospace Data System Technology Co.,Ltd., Tianjin 300301,China)

Existing a greater difference between the different type of data protocol format of unmanned aerial vehicle(UAV),and the ground command and control system closely coupled with UAV,according to different development models to different charges system,system of poor generality leads to development and high cost of training, and can’t meet the future demand for more UAV collaborative task.Therefore,it is necessary to research and development a high generality of unmanned aerial vehicle (UAV)charges system,through generalizing of heterogeneous UAV measurement data processing,forming strong extensibility of UAV standard data protocol,in order to eliminate the differences between different charges system,at the same time,the maximum guarantee control platform of extensible ability.

UAV;generalize;command and control;data protocol

2017-01-10；

2017-02-27。

海洋公益性行業科研專項經費項目(201405028)。

劉 惠(1966-),女,天津人，研究員，學士，主要從事計算機應用、無人機系統方向的研究。

王泓淼(1986-),女,碩士,助理工程師,主要從事無人機指揮控制系統方向的研究。

1671-4598(2017)07-0170-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.042

TP3

A