UAV地面監(jiān)測系統(tǒng)

王巍 朱天宇 黃志剛 王孟 張帥

摘要：地面監(jiān)測系統(tǒng)在UAV自主導航與多設備協(xié)同通信中充當著重要的角色，監(jiān)測站可完成對UAV的飛行姿態(tài)、參數(shù)調整、信息獲取以及航線的手動規(guī)劃。本文提出一套適用于UAV自動導航系統(tǒng)的地面監(jiān)測站，該系統(tǒng)包括UAV基礎參數(shù)監(jiān)測、編隊狀態(tài)監(jiān)測、圖像數(shù)據(jù)接入等功能，依托數(shù)字信號傳輸設備與數(shù)字圖像傳輸設備完成地面戰(zhàn)與UAV的實時通信。測試結果表明，本文所設計的地面監(jiān)測平臺可滿足UAV在自主導航時的信息監(jiān)測需求。

關鍵詞：UAV地面監(jiān)測站;參數(shù)監(jiān)測;自動導航;實時通信

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0026-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

UAV的靈活性、易操作等特點使之在農業(yè)植保、電力巡檢以及工業(yè)測量等領域發(fā)揮著重要的作用，針對不同工作環(huán)境的無人機系統(tǒng)配置相對屬性的UAV地面監(jiān)測站。無人機的小型化發(fā)展，造價成本越來越低，以及可控性越來越好，無人機在公共和民用上的應用也越來越多[1]。無人機的飛行參數(shù)及機載傳感設備信息通過地面站獲取，操作手可通過地面站在完成無人機的傳感器矯正以及姿態(tài)控制等航跡規(guī)劃_T作，航跡規(guī)劃（tra-jectory planning）是指在初始狀態(tài)、任務目標、威脅區(qū)和一些已知環(huán)境信息的情況下獲得性能最優(yōu)的規(guī)劃問題，是任務規(guī)劃系統(tǒng)的關鍵技術之一[2]。因此，UAV地面監(jiān)測站在無人機應用系統(tǒng)中充當著重要的角色。

常用的UAV監(jiān)測系統(tǒng)主要構成由下圖1所示，空中部分由無人機搭載無線傳輸設備以及供電部分組成，地面監(jiān)測終端由地面站可視化終端、信息傳輸服務器組成。無人機由UVA集群組成，機載視覺、激光雷達等設備;地面站在無人機的控制與協(xié)同通信的信息中轉站，負責完成對無人機集群的控制以及信息的管控，旋翼無人機的近地面空間應急物聯(lián)網(wǎng)在缺少地面基站和能量受限的情況下，可靠節(jié)能地遠距離傳輸重點區(qū)域全信息的要求，需要地面監(jiān)測端與無人機集群的協(xié)同通信[3];服務端負責數(shù)據(jù)的收集與存儲，部分數(shù)據(jù)處理過程再服務端中進行。

2 無人機監(jiān)測系統(tǒng)的設計

UAV地面監(jiān)測系統(tǒng)主要結構分為數(shù)據(jù)層、分析層以及可視化界面三部分構成。數(shù)據(jù)層負責接收并管理無人機系統(tǒng)的參數(shù)與采集數(shù)據(jù)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn);分析層進行數(shù)據(jù)分析與傳輸，地面站通過數(shù)傳與數(shù)字圖傳與無人機通信，整體數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)調與控制由分析層處理;可視化界面依托Qt完成主從窗體以及控件的設計。

2.1 系統(tǒng)功能設計

無人機監(jiān)測系統(tǒng)主要由人員信息管理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無人機狀態(tài)監(jiān)測模塊、圖像與機載傳感信息顯示模塊四部分組成，其系統(tǒng)結構圖如下圖2所示。

1）人員信息管理模塊。人員信息登錄模塊負責管理用戶信息數(shù)據(jù)，依據(jù)不同權限顯示相應無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)，例如最高管理員權限可查看無人機建圖狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)存儲模塊存儲模塊。用于存儲登錄用戶的信、編隊狀態(tài)參數(shù)以及無人機的傳感參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，并可保存激光雷達與視覺相機建圖的pcd點云文件。

3）無人機狀態(tài)監(jiān)測模塊。負責顯示無人機飛控搭載的IMU、氣壓機以及羅盤的相對信息，操作人員可依據(jù)地面站顯示的狀態(tài)參數(shù)完成無人機的手動控制與任務部署。

4）圖像與機載傳感信息顯示模塊。完成無人機的視頻信息可視化，實時展示在飛行過程中2D圖像中元素的識別以及3D點云地圖的構建過程。

2.2 客戶端可視化設計

客戶端可視化通過Qt進行GUI設計，使用Qt以及第三方控件進行GUI以及數(shù)據(jù)讀寫開發(fā)，Qtopia Core是挪威Trolltech公司發(fā)布的一款基于嵌入式Linux的面向單一應用的嵌入式產(chǎn)品的Qt開發(fā)平臺，它的前身是Qt/Embedded（常簡稱為Qt/E）c4]。地面監(jiān)測站GUI信息顯示主界面如下圖3所示。參考開源的地面站上位機，首先創(chuàng)建好窗體對象MainWindow，根據(jù)地面站的設計將文字、按鍵、媒體控件部署在窗體上，其次根據(jù)后臺的數(shù)據(jù)交互邏輯創(chuàng)建對應的信號與槽，最后將GUI文件在后臺調用，根據(jù)槽函數(shù)設置對應的交互關系。

2.3 通信數(shù)據(jù)鏈路設計

各類無人機用途及結構各異，但其鏈路通信特點可歸納為以下幾個方面：無物理防護邊界、處于強干擾環(huán)境、信道資源受限[5]。通信數(shù)據(jù)鏈路地面站與無人機通過數(shù)傳完成飛控傳感數(shù)據(jù)的傳輸，機載Jeston TX2與數(shù)傳串口通信，采用傳統(tǒng)的Ma-vlink作為傳感數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，按照每幀14字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)至地面站，圖像數(shù)據(jù)由TX2板卡將數(shù)據(jù)通過4G圖傳傳輸至地面站系統(tǒng)。地面站負責接收建圖的數(shù)據(jù)以及UAV相關一維傳感數(shù)據(jù)，并定期將數(shù)據(jù)傳輸至服務器進行數(shù)據(jù)備份。

3 系統(tǒng)測試

本文提出的地面監(jiān)測系統(tǒng)依托實驗室現(xiàn)有的無人機平臺進行試驗測試，如圖4所示，無人機平臺包括一架農業(yè)植保無人機、兩架輔助僚機以及定位視覺等傳感器模塊。

下圖5（a）為無人機控制界面，負責完成無人機（主機）的手動飛行、一鍵起降、飛控數(shù)據(jù)保存以及PID等參數(shù)設置（需在起飛前完成設置）;5（b）為無人機數(shù)傳/圖傳設置界面，可進行3套數(shù)傳一套圖傳的通信調試，GUI中間與右邊部分顯示主機與僚機回傳的姿態(tài)信息;5（c）為主機搭載的深度相機2D圖像處理的實時結果，通過PyTorh+YOLOv3實例分割框架完成常規(guī)環(huán)境元素的目標檢測，并將識別到的信息標記并保存到歷史記錄;5（d）為地面站同時可對服務器中存儲的點云數(shù)據(jù)進行訪問。

4 結束語

本文依托現(xiàn)有的無人機平臺提出了一套UAV地面監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括UAV基礎參數(shù)監(jiān)測、編隊狀態(tài)監(jiān)測、圖像數(shù)據(jù)接入等功能，依托數(shù)字信號傳輸設備與數(shù)字圖像傳輸設備完成地面戰(zhàn)與UAV的實時通信。測試結果表明，該系統(tǒng)功能完善，實用性強，實時將無人機編隊系統(tǒng)的傳感器以及飛控信息傳輸至服務器存儲，對于無人機導航系統(tǒng)、工業(yè)巡檢以及農業(yè)植保行業(yè)有著重要的用途。

參考文獻：

[1]鄒玉龍，姜曉，朱佳.下一代無人機群協(xié)同通信網(wǎng)絡[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2017，37（03）： 43-51.

[2]許洋，秦小林，劉佳，張力戈.多無人機自適應編隊協(xié)同航跡規(guī)劃[J/OL].計算機應用.

[3]王巍，彭力，趙繼軍，朱天宇，崔益豪，田立勤.基于旋翼無人機 近地面空間應急物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點動態(tài)協(xié)同部署[J/OL].自動化學報，

[4]喻曉，夏澎.基于Qt的便攜式心電監(jiān)護儀GUI應用軟件設計[J].計算機系統(tǒng)應用，2017，26（5）：221-226.

[5]吳穎，劉照亮，康令州，劉歡，朱江.MAVLink鏈路通信協(xié)議安全分析[J].通信技術，2019，52（4）：946-950.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFF0301004）;國家自然科學基金（61802107）;教育部一中國移動科研基金（MCM20170204）;河北省自然科學基金（F2015402108）;江蘇省博士后科研資助計劃項目（1601085C）資助

作者簡介：王巍（1983-），男，河北邯鄲人，副教授，博士，CCF會員（51272M），主要研究方向：公共安全物聯(lián)網(wǎng)、隱式人機交互;朱天宇（1996-），男，江蘇省徐州人，碩士，主要研究方向：計算機視覺，人工智能，無人駕駛。