基于LabVIEW的無人機航線控制系統的設計

謝 檬，宋 菲

（西安交通大學 城市學院，西安 710018）

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機[1-2]。機上無駕駛艙，但安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設備。地面、艦艇上或者母機遙控站人員通過雷達等設備，對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數字傳輸[3-4]。無人機可在無線電遙控下像普通飛機一樣起飛，或者借助于助推火箭發射升空，也可以利用母機帶到空中投放飛行。無人機回收時，可用與普通飛機著陸過程一樣的方式自主著陸，也可通過遙控用降落傘或者攔網回收[5-6]。無人機可反復使用多次，廣泛用于空中偵察、監視、通信、反潛、電子干擾等。

無人機航線的控制在經歷了早期的遙控飛行后，其導航控制方式已發展為目前的主動飛行和智能飛行2種方式。無人機中是否安裝飛行航線控制系統，也成為了無人機區別于普通航空模型的重要標志[7-8]。在此所設計的基于LabVIEW無人機航線控制系統，針對無人機的飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾動角等信息的自動采集和性能評估，設計飛行航線，通過LabVIEW平臺的監測系統實時顯示、控制、評估和記錄無人機飛行航線的信息。

1 總體方案設計

根據無人機飛行的工作原理及特點[4，9]，航線控制系統結構框圖如圖1所示。無人機的實時數據參數高度、速度、仰俯角和滾動角，通過數據采集模塊傳輸到控制系統面板，完成數據的顯示、存儲和回放。

圖1 航線控制系統結構框圖Fig.1 Structural block diagram of route control system

2 軟件主程序設計

控制系統的主程序流程如圖2所示。打開程序后進入系統的顯示界面。首先判斷無人機是否處于飛行狀態，若處于停機狀態，則主界面各項參數顯示值為0；若處于飛行狀態，點擊“開始”按鈕，則系統各項參數就會顯示在前面板上的相應位置。在運行時，若需要進行數據回放，可點擊“數據回放”按鈕，在文件夾中可以查看歷史數據和歷史數據變化曲線；若不需要，則點擊“退出”按鈕退出程序運行。退出后，顯示面板和數據回放面板關閉。

圖2 控制系統主程序流程Fig.2 Main program flow chart of control system

3 控制系統子面板設計

航線控制系統分為2個子面板，飛行狀態子面板和數據回放子面板。

3.1 飛行狀態子面板

控制系統的飛行狀態子面板如圖3所示。系統測量顯示的4個參數為飛行高度（0～6000 m）、飛行速度（0～400 km/h）、俯仰角度（-180°～180°）、滾動角度（-180°～180°）；4 個波形圖為飛行高度變化曲線、速度變化曲線、俯仰角度變化曲線、滾動角度變化曲線；3個控制按鈕則是“飛行/停機”按鈕、“開始/結束”按鈕、“退出”按鈕；2個顯示面板是“飛行數據”子面板和“數據回放”子面板。在程序運行結束后，所有的歷史數據都會經由儲存子程序自動保存。

圖3 系統飛行狀態子面板Fig.3 System flight status subpanel

1）參數值顯示 飛行狀態子面板上方的4個數值框是參數值顯示，顯示無人機當前時刻的實時飛行的高度、速度、俯仰角和滾動角的具體數值，數值采集時鐘間隔為0.8 s。

2）飛行高度與速度曲線 無人機的飛行高度曲線與速度曲線極為相似，其飛行高度范圍為0～6000 m，曲線基本趨于水平，平均高度穩定在5000 m左右。正常飛行中無人機的平均速度維持在300 km/h左右。

3）飛行角度曲線 無人機在飛行過程中俯仰角度的變化曲線與滾動角的變化曲線也很相似，兩者的變化范圍均為-180°～180°。由于高空風力和氣流的變化，俯仰角和滾動角浮動和變化比較多，但是變化度數很小，基本穩定，曲線不斷變化，相對于水平線變化范圍不超過50°。

4）面板控制按鈕 顯示面板右下方的3個控制按鈕：“飛行中/停機中”按鈕用于控制無人機的飛行狀態；“開始/停止”按鈕用于控制數據的采集進展狀況；“退出”按鈕則用于結束程序的運行，點擊退出按鈕即可終止程序的運行。

5）儲存地址 面板左下角顯示了系統的數據儲存路徑。在飛行參數采集后，選擇存儲路徑，以實現系統的儲存功能，便于歷史數據的回訪。

3.2 數據回放子面板

控制系統的數據回放子面板如圖4所示。面板顯示上有飛行高度、速度、俯仰角和滾動角的4個空白曲線變化圖；右下角有“打開數據”按鈕和“退出”按鈕。在程序運行前和運行后都可以先打開數據回放功能查訪歷史數據，在需要回放數據時，點擊“打開數據”按鈕可以進入儲存文件夾，從文件夾中選擇需要的數據就可以得到歷史數據。

4 控制系統功能測試

4.1 停飛狀態運行測試

控制系統顯示界面初始狀態的停飛狀態如圖5所示。點擊系統主界面開始按鈕，若無人機處于停飛狀態時，各項參數采集到的數據均為0，即無人機無飛行軌跡，無位移活動，高度處于地平線位置，飛行角度平穩，各項數據無影響，處于可立刻飛行狀態。

圖5 停飛狀態顯示界面Fig.5 Shutdown status display interface

4.2 飛行狀態運行測試

控制系統主界面飛行狀態如圖6所示。4項參數的實時數據分別顯示在參數值顯示框，即當前時刻，高度 5007.6 m，速度 306.8 km/h，俯仰角 13.4°，滾動角9°，實時數據采集時鐘間隔為0.8 s。

4項參數的連續實時數據以變化曲線圖的形式顯示在面板上。點擊“停止”按鈕，即可中斷圖像和獲取某個時間點的一組準確的參數數據值；點擊“開始”按鈕，則可繼續運行，方便實時數據的查看與記錄。

圖6 飛行狀態顯示界面Fig.6 Flight status display interface

4.3 數據回放功能測試

數據回放功能測試界面如圖7所示。點擊“數據回放”子面板選項，打開數據回放顯示界面。

圖7 數據回放顯示界面Fig.7 Data playback display interface

點擊“打開數據”按鈕，進入名為“實驗數據”的歷史測試數據的文件夾，打開文件夾可得到歷史數據變化曲線，如圖7所示。歷史數據記錄完成后，點擊“退出”按鈕即可退出測試系統。

4.4 數據存儲功能測試

控制系統運行和測試所得的數據自動儲存，在運行狀態中通過數據回放界面可以看到歷史數據變化曲線。在運行結束后，通過查找實驗數據記錄，從數據存儲的路徑中找到名為“實驗數據”的文件夾，將其打開可得之前所有歷史數據的Excel表格，如圖8所示。

程序運行中得到的歷史數據以Excel表格形式自動儲存于計算機D盤，文件夾名為“實驗數據”。表中 4 項參數分別為高度/m，速度/（km·h-1），俯仰角（°）和滾動角（°），以采樣間隔（0.8 s）所采集的歷史數據數值可精確到有效數字6位。

4.5 測試結果分析

控制系統各項參數測試結果見表1。系統經過實時測試，采集的歷史數據符合設計要求，滿足正常工作。

圖8 歷史數據表格界面Fig.8 Historical data table interface

表1 各項參數測試結果Tab.1 Test results for parameters

5 結語

所設計的基于LabVIEW的無人機航線控制系統利用LabVIEW軟件，搭建航線控制系統面板。系統采用MPU6050九軸傳感器采集無人機的飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾動角，將實時數據顯示在控制系統飛行狀態子面板上，實現了數據的顯示、處理、數據存儲及回放等功能。測試系統的各項數據會儲存在相應文件夾的Excel表格中，以便于查詢數據。系統經過測試，虛擬平臺構建的控制系統實現無人機航線的各項指標監測的功能良好，滿足了現階段工程設計和開發的需要。