無人機地面任務監控系統設計

劉宏娟，賀若飛2，王 晶，李 彥

(1.西安愛生技術集團公司,西安 710065；2.西北工業大學 第365研究所,西安 710065)

0 引言

當前，人們對無人機系統綜合感知能力要求不斷提升，機載任務載荷分系統正在由單任務載荷向多種任務載荷綜合集成的方向發展[1]。隨著數據鏈帶寬的不斷擴展和任務載荷的小型化集成化，同時裝載光電偵察載荷，小型SAR雷達以及數碼相機等任務載荷成為了中小型偵察無人機系統的發展潮流。任務載荷多裝載使無人機具備了一個架次對同一目標區域進行復合偵察并獲取綜合偵察結果的能力，極大增強了偵察效率與偵察品質[2]。為了滿足無人機多任務載荷偵察的要求，地面控制站也需要具備同時對多種偵察任務載荷進行監控并同時顯示多種任務信息的能力[3-4]。

由于地面控制車的空間資源限制，對多種任務設備的同時監控和多種任務信息的同時顯示必須在同一席位完成。

多任務設備同時監控涉及到對不同任務設備測控數據的分類處理；對多路任務信息同時顯示涉及到對多路視頻圖片的同步解碼和同步顯示；同時，在人機界面方面要考慮多種任務信息的同時或切換顯示問題。

本文介紹一種針對多任務載荷的地面任務監控系統，對前文提到的問題進行了專門研究和設計，較好地解決了在單個席位和有限計算資源的約束下對多種任務載荷數據分類處理，同步解碼顯示的問題。

1 任務監控系統簡介

無人機地面控制站主要由地面數據鏈、數據管理系統、飛行監控系統與任務監控系統組成[5]。數據管理系統作為地面控制站內部信息數據樞紐，一邊與飛行監控系統和任務監控系統通過網絡相連，一邊與地面數據鏈通過串口或網絡相連接，實時的獲得數據鏈傳送的飛機各類信息，實時的轉發地面監控系統的各類控制指令。

任務監控系統包括任務監控計算機、信息顯示計算機、信息處理計算機，載荷監控軟件安裝在任務監控計算機上，載荷信息顯示軟件安裝在信息顯示計算機上，載荷信息處理軟件安裝在信息處理計算機上[6]。任務監控系統利用網絡交換機與數據管理系統相連接，通過數據管理系統實時接收飛機當前遙測信息與任務載荷偵察數據，任務監控系統內部軟件定時更新任務設備各類參數信息與載荷偵察信息，同時采用消息觸發方式將載荷控制指令編碼組幀發送至數據管理系統，并且能夠將各類載荷偵察信息進行分類處理形成有價值的情報信息[7]。

圖1 系統工作流程圖

2 任務監控系統設計

系統結合通用無人機地面站任務監控技術的現狀，將系統功能設計劃分為載荷監控、載荷信息顯示與載荷信息處理三部分，軟件功能組合組成如圖2所示。任務監控系統中載荷偵察數據流向如圖3所示。

圖2 任務監控系統組成圖

圖3 任務監控系統偵察數據流向圖

2.1 系統總線設計

由于系統需要實時傳輸多路高清視頻與超大數字圖片，要求具有更高傳輸帶寬和更低更穩定的傳輸延時，對傳統傳輸總線提出了更高的要求。傳統的地面站以太網總線無法同時滿足傳輸測控信息和高速偵察信息并保持較低數據延遲的要求。綜合考察當前各種通用總線技術，本系統引入串行RapidIO總線技術用于對海量任務信息進行傳輸與分發。

串行RapidIO總線是Freescale和Mercury公司共同研發的一項互連技術標準，相比傳統技術具有高帶寬，低延遲，低軟件開銷，低成本的優勢。

與傳統以太網相比，RapidIO協議棧簡單，且一般都由硬件實現，軟件開銷很小。RapidIO支持直接點對點或通過交換器件實現的各種拓撲結構。RapidIO支持多種高效包格式，打包效率可達92～94%，遠高于以太網約79%的打包效率。

本系統采用雙總線設計，傳統以太網用于傳輸測控信號，采用RapidIO總線用于傳輸高速圖像信號，系統通信架構如圖4所示。

圖4 任務監控系統通信架構圖

2.2 載荷監控設計

載荷監控軟件通過網絡接收數據管理系統發送的遙測數據，顯示有效載荷的工作狀態和參數；將各種控制命令以網絡數據包形式發送遙控信息至數據管理系統，控制命令包括對不同載荷及平臺的控制，對載荷狀態控制及進行安全提示與告警；能夠實時顯示目標態勢及飛機航線、航跡信息。

載荷監控軟件主要功能如下所示：

1)人機交互界面：

選擇以地圖為背景人機界面，可在地圖上實時標注接收無人機坐標信息，確定無人機在屏幕上的位置，標繪無人機航跡航線，以及顯示當前飛機任務態勢。

人機交互界面如圖5所示。劃分為以下區域：標題欄區、地圖界面區、工具欄區、狀態欄區和任務設備監控區。人機操作以鼠標為主，鍵盤為輔。標題欄顯示軟件名稱。工具欄分為設置及任務規劃工具欄、地圖界面處理工具欄和載荷類型選擇工具欄，界面中所有控件的寬、高根據所顯示的字數以及界面整齊、美觀效果定義。

圖5 載荷監控軟件界面示意圖

2)任務令的編碼發送：

根據任務載荷的不同，操縱手段不盡相同，任務令可分為兩大類，一類是持續性發送的保持指令，另一類是設置次數限制的觸發指令，對于持續性控制的載荷功能需要保持所發送的任務控制令，對于觸發式控制的載荷功能，類似于開關的響應。所有的指令均需按照協議填入相應的指令控制碼與指令參數，通過網絡組播方式，以網絡數據包形式定時發送至數據管理系統，定時必須采用高精度準確的定時器。

3)載荷狀態的接收解碼：

載荷狀態的顯示包括各個傳感器自檢的狀態，載荷當前的工作模式，載荷當前的工作狀態，以及載荷的各類響應參數等。通過實時響應網絡組播消息接收數據管理系統發送的飛機遙測遙控數據，解析網絡數據中載荷狀態所在的數據幀格式，實時顯示有效載荷的工作狀態和參數，采用150 ms的低級別定時器進行界面顯示刷新，對于自檢異常的傳感器采用紅色的提示文字顯示自檢狀態。

4)初步任務態勢顯示：

無人機偵察工作主要包括偵察目標點與目標區域。以偵察為目的可攜帶的任務設備包括光電偵察載荷、雷達載荷、數碼相機偵察載荷等。

對于目標點的偵察，可選擇光電偵察載荷，任務態勢顯示載荷視場的收容范圍，主要是根據飛機位置姿態及載荷平臺的當前狀態，將載荷的覆蓋范圍在地圖背景上繪制出來，并將視軸中心點的位置標識出來，實時的更新飛機與載荷的狀態同步更新態勢描述。

對于目標區域的偵察，可選擇裝載雷達載荷或數碼相機載荷，任務態勢顯示掃描的條帶，主要是根據飛機位置姿態及載荷平臺所覆蓋的4個角點的位置信息，將載荷的覆蓋范圍在地圖背景上繪制出來，實時的更新飛機與載荷的狀態同步更新態勢描述。

2.3 載荷信息顯示設計

載荷信息是最直觀表現偵察結果的產品，任務載荷獲取地面各類偵察信息，通過地面載荷信息顯示軟件將所有任務信息進行顯示。由于偵察信息數據量大，對實時性要求高，為保證傳輸實時性，且為滿足數據鏈帶寬限制，將獲得的偵察信息進行壓縮處理，對于載荷視頻信息壓縮為H264碼流，載荷圖片信息壓縮為高壓縮率、高品質的JPEG2000格式數據文件。

目前偵察視頻信息已經滿足高清圖像，支持可見光視頻、紅外視頻與多路融合多光譜視頻。載荷圖片包括寬幅數碼照片、超寬幅SAR圖像與光電可見光照片。

載荷信息顯示軟件主要功能如下所示：

1)偵察數據接收分類：地面控制站數據管理系統接收載荷偵察數據后，直接通過網絡組播方式發送至載荷信息顯示軟件，載荷信息顯示軟件按照任務數據解析協議將數據進行同步、組幀后，分類形成H.264碼流、JPEG2000數據文件或其它偵察類數據。

2)視頻解碼顯示：H.264碼流的解壓采用商用的標準H.264解碼庫，采用線程方式將單幀數據不斷地解壓為視頻原始數據保存在緩沖區中。視頻顯示利用DirectX11.0根據顯控軟件顯示區域大小，自適應顯示每幀圖像。可顯示多架飛機任務視頻信息，或者一架飛機的多路視頻信息，同步解壓四路載荷視頻，顯示為四分屏模式，在執行任務操作過程中可將需要密切觀察的視頻切換為當前顯示視頻，進行單路視頻全屏顯示。

3)圖片解碼顯示：圖片解壓可調用商用Kakadu開源軟件模塊，解壓顯示圖片，可顯示多架飛機的圖片信息，或者一架飛機的多路圖片。在執行任務操作過程中可將需要密切觀察的圖片切換為當前顯示圖片，進行單路圖片全屏顯示。

4)其他載荷偵察信息顯示：包括偵察到的威脅無人機安全的其它飛行器輻射源信號探測和分析數據等信息。

2.4 載荷信息處理設計

載荷信息處理軟件主要完成載荷偵察數據的快速預處理，實現對固定目標定位，視頻片段截取，有效圖片格式轉換等功能，最終生成情報結果產品。

載荷信息處理軟件主要功能如下所示：

1)目標定位：根據當前飛機姿態與平臺參數信息計算獲得當前圖像上所選目標點的位置信息，并以文檔方式進行信息保存。

2)視頻處理：具備單幀圖像捕獲能力，可對捕獲的幀圖像進行幾何初校正，圖像進行增強、去霧處理等操作。

3)圖片處理：能夠將JPEG2000的圖片進行多種通用圖片格式轉換，可調整圖片的對比度，對圖片進行增強、降噪等處理后將圖片內的目標進行提取。

4)情報生成：可對單幀視頻或圖片等靜態圖像進行文字、數字標注；對視頻進行語音加注、與編輯；對圖片進行裁剪等生成附帶說明信息的情報產品。

3 關鍵技術的實現

3.1 多種載荷控制指令分類

任務控制指令對于不同的載荷與不同載荷的傳感器等需要不同的控制方式，設計單獨的任務控制令模塊，統一管理所有載荷控制令的發送，按照指令模式的不同，分為前部分數據緩沖區與后部分數據緩沖區，各種任務指令根據性質填充在相對應的發送緩沖區內，通過設置保持指令變量來控制當前指令是否是持續發送或多次發送，歸類模式之間可以相互解除持續發送狀態的指令。觸發式指令多次發送后及時清零。

3.2 多路視頻解碼顯示

單路視頻調用解壓庫，若同步存在多路視頻同時調用一個解壓庫，會出現參數被更改，或庫中的緩沖區被多次占用等問題，那么解決方法可以將解碼庫封裝為類，進行實例化，可定義多個實例，各路需要解碼的視頻獨立調用各自的類變量，間接調用視頻解碼庫，從而可以避免發生參數被更改或緩沖區占用問題。

3.3 視頻與圖片的同步顯示

無人機裝載的任務設備可能同時傳送多路視頻與圖片，當前視頻基本處于高清分辨率，圖片幅寬或高度至少為5k，將視頻與圖片分別顯示在兩個框架內，視頻實時存在作為主界面顯示，圖片作為輔助顯示界面，一般處于隱藏狀態，當圖片接收完整后，可將輔助顯示界面彈出，進行圖片顯示，顯示完成后可將輔助顯示界面關閉。

4 聯試中出現的問題及處理

4.1 四路視頻不同步

將一路攝像頭數據復制為四路，同步下傳至載荷信息顯示軟件，待程序運行一段時間，出現四路視頻不同步問題，四路視頻中存在任一路不確定的延時。經過分析，四路視頻同步解碼線程之間存在不同步，采用管理事件內核對象，包含一個使用計數，一個用于指明該事件的布爾值，另一個用于指明該事件處于已通知狀態還是未通知狀態的布爾值。采用自動重置的事件。當一個自動重置的事件得到通知時，等待該事件的線程中只有一個線程變為可調度線程，同時將該事件對象設置為無信號狀態，執行完保護代碼后，將該事件對象設置為有信號狀態。通過設置線程同步方式將同步四路視頻顯示。

4.2 解碼庫失效

當數據鏈不穩定狀態下，大量數據出現丟包或誤碼情況，視頻容易花屏，待鏈路穩定后，視頻不能恢復正常顯示，存在顏色失真或者畫面錯位現象。經過分析，穩定后的鏈路與數據管理系統之間，以及數據管理系統與任務監控系統之間接收數據不存在丟包問題，組幀后的視頻單幀實驗解碼顯示完全正確，存在問題可能原因是解碼庫中的配置被亂數更改，將解碼庫釋放后，重新初始化，問題得到解決。

4.3 內存不充足問題

程序在多次分配內存，釋放內存，存在小的碎片，再次分配一塊大區域的內存，分配不出來，那么解決方式是在計算好程序運行過程中共需要分配的內存區域后，在程序設計初始化階段，分配好所要使用的內存區域，直到程序完成后釋放這段內存空間。同步將最大性能的利用計算機開發環境，操作系統為64位，但是開發編譯環境VS2012采用了32位，將編譯環境改為64位，擴大內存范圍。

4.4 標注在視頻上的信息頻閃

在視頻上標注的字符會出現閃爍現象，因為圖像畫面與字符在同一個CDC緩存上顯示，字符寫到有圖像的CDC上會立即顯示，出現頻閃現象。

采用雙緩存方式，建立一個tmpCDC，把圖像與字符都畫在這個要顯示的tmpCDC上，然后統一復制到立即顯示的CDC上，一起顯示出來，從而解決了頻閃問題。

5 試驗驗證

系統設計完成后，組織進行了多次飛行試驗對任務監控系統功能性能進行試驗。

5.1 多任務載荷控制試驗

飛行試驗中無人機同時搭載了光電任務載荷，合成孔徑雷達和多路攝像頭。試驗過程中，載荷監控軟件能夠同時對以上多種任務載荷進行同時監控。監控過程中多種指令能夠同時發送，無數據沖突現象，表明本系統能夠對多種任務載荷保持同時監控。

5.2 多路視頻顯示試驗

圖6展示了載荷信息顯示軟件同時顯示四路視頻信號的界面實景。其中四路視頻分別為可見光任務圖像，紅外任務圖像，后視高清攝像頭和下視高清攝像頭圖像。

試驗過程中視頻圖像穩定流暢，無花屏閃爍，且四路視頻同步性較好，無忽快忽慢現象。表明系統采用的高速RapidIO總線能夠較好的對圖像數據進行傳輸，載荷信息顯示軟件能夠同步對多路視頻進行解碼顯示。

經過長時間測試，系統工作穩定。對數據鏈進行干擾使傳輸質量下降，此時盡管圖像出現馬賽克花屏等現象，但圖像始終保持正常顯示。表明前述解碼庫失效問題得到有效解決，系統可靠性能夠滿足實際使用要求。

5.3 視頻圖像復合顯示試驗

圖7展示了在顯示多路視頻信息的同時顯示超大數字圖片的界面實景。

圖7 載荷信息顯示軟件部分界面圖2

試驗過程中在光電任務載荷工作的空時，合成孔徑雷達同時對任務區域進行掃描并生成偵察圖像。

本系統在顯示多路視頻的同時能夠對雷達圖片進行分類數據拼接，并在拼接完成后顯示雷達圖片。

本次飛行試驗中對多個目標區域進行了雷達掃描，結果表明本系統具備同時顯示多路視頻和圖片的能力。

5.4 載荷偵查信息處理試驗

圖8為載荷信息處理軟件對視頻中目標進行定位的界面展示。

圖8 載荷信息處理軟件部分界面圖

經過對視頻中目標的跟蹤和定位計算，載荷信息處理軟件實時顯示了目標位置和其他目標信息，實現了對載荷偵查信息的實時處理和顯示。

6 結語

本系統將任務載荷的控制、任務載荷偵察信息的顯示、以及任務載荷信息的處理進行統一設計，完整實現了多種任務載荷的監控功能。試驗表明該系統設計合理，軟件功能全面，配置靈活，接口協議標準化程度高，具有很強的通用性和擴展性，可在多型無人機系統地面控制站內推廣使用。