無人機(jī)載光電吊艙顯控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬希超，魏志強(qiáng)，葛 珊

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

隨著無人直升機(jī)在偵察、監(jiān)視、消防及安保等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，無人機(jī)載光電吊艙的重要性日漸凸顯［1-2］。作為無人機(jī)的關(guān)鍵載荷之一，光電吊艙通常集成可見光相機(jī)、紅外熱像儀等傳感器，在采集并記錄實(shí)時(shí)視頻圖像的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)搜索、自動(dòng)跟蹤及掃描等功能［3-4］。通常，光電吊艙裝載在無人直升機(jī)上，通過有線或無線傳輸鏈路與地面操控臺通信，下傳實(shí)時(shí)視頻流和設(shè)備狀態(tài)信息，并接收操控指令。運(yùn)行于地面操控臺的顯控軟件用于實(shí)時(shí)解碼和顯示下傳的視頻，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互［5］。

除光電吊艙本身的設(shè)備性能外，顯控軟件的設(shè)計(jì)和性能也對設(shè)備的使用體驗(yàn)具有重要作用［6］。良好的軟件設(shè)計(jì)可最大程度地發(fā)揮硬件設(shè)備的性能，提高設(shè)備的易用性和靈活性。顯控軟件在運(yùn)行中需同時(shí)處理視頻流的接收、解碼及顯示，設(shè)備狀態(tài)的接收、解析及顯示，控制指令的產(chǎn)生和發(fā)送，軟件界面人機(jī)交互，外設(shè)操縱桿動(dòng)作響應(yīng)等多項(xiàng)任務(wù)。由于顯控軟件需要同時(shí)處理的流程和任務(wù)繁多，因此必須合理設(shè)計(jì)規(guī)劃多線程執(zhí)行方式，保證各項(xiàng)流程的實(shí)時(shí)并行處理。

為此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于C++語言和Qt框架的無人機(jī)載光電吊艙顯控軟件，通過對多線程結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳遞流程的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軟件的高效、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)具有友好易用的人機(jī)交互界面。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)光電吊艙的設(shè)備功能、傳輸鏈路的連接形式以及實(shí)際使用的需要，顯控軟件應(yīng)具備如下功能：通過UDP 網(wǎng)絡(luò)通信方式接收包含視頻流的數(shù)據(jù)包，并從中提取可見光視頻流和紅外視頻流；實(shí)時(shí)解碼并顯示可見光視頻和紅外視頻；通過串口接收設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析顯示；通過串口發(fā)送設(shè)備控制指令；響應(yīng)軟件界面的人機(jī)交互操作；響應(yīng)外設(shè)操縱桿的動(dòng)作，并轉(zhuǎn)換為設(shè)備控制指令；其他軟件功能，如視頻記錄、數(shù)據(jù)記錄等。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求進(jìn)行軟件的功能模塊設(shè)計(jì)，如圖1 所示。各模塊的具體功能，如表1 所示。

圖1 功能模塊圖

表1 軟件模塊功能表

光電吊艙下傳的視頻流數(shù)據(jù)中既包含可見光視頻流也包含紅外視頻流，通過數(shù)據(jù)包幀頭的狀態(tài)字進(jìn)行區(qū)分。因此，視頻流接收模塊需對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，將提取出的兩路視頻流分別存入各自的數(shù)據(jù)緩存中。可見，光視頻解碼模塊和紅外視頻解碼模塊分別從各自的數(shù)據(jù)緩存中讀取視頻流數(shù)據(jù)，通過解碼得到原始YUV 格式圖像，再經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換得到可顯示的RGB 圖像數(shù)據(jù)并傳遞至顯示模塊，進(jìn)而在軟件界面上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。

光電吊艙通過串口下傳設(shè)備狀態(tài)信息，由串口收發(fā)模塊接收并解析后，通過顯示模塊以字符或圖形方式顯示到軟件界面上。人機(jī)交互模塊和操縱桿響應(yīng)模塊捕獲操作人員通過軟件界面或操縱桿進(jìn)行的操作動(dòng)作，并生成對應(yīng)的控制指令，然后由串口收發(fā)模塊發(fā)送給光電吊艙。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境和界面設(shè)計(jì)

軟件的開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2015，編程語言為C++，采用Qt 5.11作為圖形界面設(shè)計(jì)開發(fā)框架。軟件的界面設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面分為傳感器控制、吊艙控制、記錄儀/激光控制、系統(tǒng)狀態(tài)顯示及軟件啟動(dòng)控制等5 個(gè)主要區(qū)域，通過合理的功能分區(qū)提高軟件的易用性。此外，視頻顯示為單獨(dú)窗口，可切換可見光和紅外顯示，便于在多屏設(shè)備上實(shí)現(xiàn)分屏顯示。

2.2 線程設(shè)計(jì)

軟件采用多線程方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的并行處理，線程設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 線程設(shè)計(jì)

按照Qt 的規(guī)定，軟件界面的顯示和交互只能在主線程執(zhí)行，因此主線程運(yùn)行顯示模塊和人機(jī)交互模塊。軟件啟動(dòng)后，主線程開始運(yùn)行，創(chuàng)建5 個(gè)子線程，以并行方式運(yùn)行其余5 個(gè)功能模塊。線程之間的數(shù)據(jù)通信采用Qt 的signal/slot（即信號/槽）機(jī)制實(shí)現(xiàn)。該機(jī)制靈活安全，可有效避免大量采用全局變量可能引起的線程沖突和代碼混亂。在軟件停止運(yùn)行前，主線程停止并銷毀各子線程，釋放占用的資源。

各個(gè)線程的創(chuàng)建均在功能模塊的類內(nèi)實(shí)現(xiàn)。以可見光視頻解碼模塊為例，首先定義解碼器類Decoder。該類繼承自QObject，具有signal/slot 機(jī)制。定義該類所需的成員變量和成員函數(shù)，如開始解碼startDecoding、停止解碼stopDecoding 等。此外，需定義一個(gè)線程變量，即QThread thread，線程的起止函數(shù)分別為void start()和void stop()。在Decoder 類的構(gòu)造函數(shù)中需包含以下處理：

connect(&thread, &QThread::started, this,&Decoder::startDecoding);

connect(&thread, &QThread::finished, this,&Decoder::stopDecoding);

moveToThread(&thread);

上述代碼首先將線程的啟動(dòng)信號started 和Decoder 的開始執(zhí)行函數(shù)startDecoding 相關(guān)聯(lián)，將線程的停止信號finished 和Decoder 的結(jié)束執(zhí)行函數(shù)stopDecoding 相關(guān)聯(lián)，然后將Decoder 類移動(dòng)到線程thread 中執(zhí)行。這樣對于Decoder 類的對象如tvDecoder，在需要啟動(dòng)解碼器時(shí)，只需啟動(dòng)線程thread.start()。線程將發(fā)送啟動(dòng)信號started，進(jìn)而觸發(fā)startDecoding 函數(shù)，開始在thread 線程中執(zhí)行。當(dāng)需要停止解碼器時(shí)，只需調(diào)用thread.quit()，線程會(huì)發(fā)送停止信號finished，并觸發(fā)stopDecoding 函數(shù)執(zhí)行相關(guān)的釋放操作。

類內(nèi)線程創(chuàng)建處理不影響模塊類的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)，簡化了程序設(shè)計(jì)，使得程序結(jié)構(gòu)清晰易懂。

3 軟件測試

軟件設(shè)計(jì)開發(fā)完成后，與光電吊艙配合搭載于某型無人直升機(jī)。吊艙與地面操控臺的通信采用無線傳輸鏈路，最大支持8 Mb/s 的傳輸速率。經(jīng)多次掛飛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，可同時(shí)解碼并顯示可見光視頻和紅外視頻（視頻截圖如圖4 和圖5 所示），延遲較低，無明顯卡頓現(xiàn)象，同時(shí)設(shè)備狀態(tài)和控制指令收發(fā)正常，軟件無閃退、報(bào)錯(cuò)等現(xiàn)象。

圖4 可見光視頻截圖

圖5 紅外視頻截圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種用于無人機(jī)載光電吊艙地面操控臺的顯控軟件，可通過網(wǎng)絡(luò)通信接收視頻流數(shù)據(jù)并解碼顯示，通過串口收發(fā)設(shè)備狀態(tài)和控制指令。軟件采用C++語言和Qt 框架編程實(shí)現(xiàn)，采用多線程架構(gòu)，通過功能模塊類內(nèi)創(chuàng)建線程，并充分發(fā)揮signal/slot 機(jī)制的靈活性，使得程序結(jié)構(gòu)清晰易懂。經(jīng)掛飛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本軟件運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)功能正常有效，無閃退、報(bào)錯(cuò)等現(xiàn)象。