無人機(jī)光電吊艙主控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜 林，鄭 堯，軒新想，范本果，許祥馨

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015；2.陸航研究所，北京 101121）

0 引 言

光電吊艙作為無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的重要載荷之一，主要由主控單元、伺服平臺(tái)單元、光學(xué)控制單元、傳感器組件（含可見光、短波紅外、中波紅外、激光測(cè)距機(jī)等傳感器）、圖像處理單元以及組合慣導(dǎo)單元等組成，用于晝/夜間對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵查、搜索、識(shí)別、瞄準(zhǔn)、跟蹤、目標(biāo)定位、激光測(cè)距以及照射、引導(dǎo)攻擊等任務(wù)。在無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，無人機(jī)需要與地面站無線通信，地面站人員通過地面控制程序與無人機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互。光電吊艙主控單元在外部需要與無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)、綜合控制終端、飛控記錄儀以及目標(biāo)引導(dǎo)系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行通信，在內(nèi)部需要與伺服平臺(tái)單元、光學(xué)控制單元、圖像處理單元以及組合慣導(dǎo)單元等進(jìn)行通信[1-3]。如何確保內(nèi)外通信的穩(wěn)定性[4-5]，提高通信效率，是無人機(jī)光電吊艙主控軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

本文在ARM架構(gòu)上使用C++語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光電吊艙主控軟件。通過主控軟件中線程管理模塊合理的資源分配與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了主控程序的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

1.1.1 外部通信

無人機(jī)系統(tǒng)中多個(gè)模塊間通過1553B總線[6-7]進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，光電吊艙屬于其中的一個(gè)模塊。在該總線結(jié)構(gòu)中，所有消息規(guī)劃均由綜合管理計(jì)算機(jī)（Bus Controller，BC）來實(shí)現(xiàn)。光電吊艙、綜合控制系統(tǒng)、飛機(jī)廣播（目標(biāo)引導(dǎo)系統(tǒng)，飛機(jī)組合慣導(dǎo)）均為遠(yuǎn)程終端設(shè)備（Remote terminal，RT），總線采用廣播形式發(fā)送目標(biāo)引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和飛機(jī)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，與綜合控制系統(tǒng)和綜合管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.1.2 內(nèi)部通信

光電吊艙中的主控單元（含硬件平臺(tái)和內(nèi)部軟件）使用RS-422串口通信來實(shí)現(xiàn)與伺服平臺(tái)單元、光學(xué)控制單元、圖像處理單元以及組合慣導(dǎo)單元等組件間的數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。

圖1 光電吊艙內(nèi)部通信功能模塊圖

1.2 模塊設(shè)計(jì)

光電吊艙主控軟件與內(nèi)、外部功能模塊的信息交互如表1所示。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境

主控軟件在配置ARM板卡的Ubuntu 18.04環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)。板卡使用NFS（Network File System）掛載Ubuntu文件系統(tǒng)，使用Visual Studio Code編輯代碼與編譯。主控軟件開發(fā)使用高性能臺(tái)式機(jī)，以提高程序編輯效率，加快編譯步驟，縮短開發(fā)與測(cè)試周期；并使用Git代碼托管來維護(hù)代碼的歷史記錄，有效地解決軟件備份問題。

2.2 程序設(shè)計(jì)

2.2.1 主控軟件線程流程

主控軟件線程流程如圖2所示。

圖2 線程流程圖

主控軟件的主要線程如下：

（1）程序開始，讀取配置文件參數(shù)（算法參數(shù)），初始化Log類，記錄主控軟件狀態(tài)；

（2）主線程創(chuàng)建系統(tǒng)控制與算法模塊線程、無人機(jī)1553B數(shù)據(jù)線程、伺服控制單元線程、光學(xué)控制單元線程、圖像處理單元線程以及光電吊艙組合慣導(dǎo)單元線程，并實(shí)時(shí)監(jiān)聽子線程狀態(tài)并完成記錄；

（3）系統(tǒng)控制與算法模塊線程接收無人機(jī)1553B數(shù)據(jù)線程的指令，并接收伺服控制單元線程、光控控制單元線程、圖像處理單元線程、光電吊艙組合慣導(dǎo)單元線程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的策略與算法控制并反饋控制情況，上報(bào)狀態(tài)，傳輸數(shù)據(jù)給對(duì)應(yīng)的模塊；

（4）線程3-線程6接收系統(tǒng)控制與算法模塊線程傳來的指令并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。

2.2.2 系統(tǒng)工作模式切換關(guān)系

主控軟件的系統(tǒng)工作模式共11種，包括收藏、鎖定、手動(dòng)、自動(dòng)掃描、小區(qū)搜索、隨動(dòng)、自動(dòng)跟蹤、搜索跟蹤、地理跟蹤、目標(biāo)坐標(biāo)引導(dǎo)以及目標(biāo)角度引導(dǎo)。系統(tǒng)工作模式的切換如圖3所示，圖中的箭頭指向表示系統(tǒng)允許的狀態(tài)切換方向。

圖3 系統(tǒng)工作模式

2.2.3 系統(tǒng)功能定義

（1）自檢測(cè)。自檢測(cè)分為上電自檢、周期自檢以及啟動(dòng)自檢三種。

（2）激光測(cè)距。激光上電后，發(fā)送“激光測(cè)距”指令，激光開始測(cè)距。激光測(cè)距一定時(shí)間后自動(dòng)停止測(cè)距。在激光測(cè)距時(shí)，可以通過發(fā)送“激光測(cè)距停止”指令中止激光測(cè)距。激光測(cè)距未停止時(shí)，發(fā)送“激光照射”可轉(zhuǎn)為激光照射，重新計(jì)時(shí)。激光測(cè)距未停止時(shí)，再次收到“激光測(cè)距”指令，激光測(cè)距仍以原激光測(cè)距開始的時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)。

（3）激光照射。激光照射分為“激光單次照射”和“激光連續(xù)照射”兩個(gè)指令。激光單次照射和激光連續(xù)照射的區(qū)別在于照射時(shí)間不同。

激光上電后，發(fā)送“激光單次照射”或“激光連續(xù)照射”指令，激光開始照射并回報(bào)測(cè)距值。在激光照射未停止時(shí)，發(fā)送“激光測(cè)距”為無效指令。在激光照射時(shí)，可以通過發(fā)送“激光照射停止”指令中止激光照射。在激光單次（連續(xù)）照射未停止時(shí)，再次發(fā)送激光單次（連續(xù)）照射指令，即當(dāng)發(fā)送的照射指令與當(dāng)前激光照射狀態(tài)相同時(shí)，該激光照射仍以原激光照射開始計(jì)時(shí)的時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)激光單次照射時(shí)發(fā)送“激光連續(xù)照射”指令，或當(dāng)激光連續(xù)照射中發(fā)送“激光單次照射”指令，激光均以原起照開始時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)，以連續(xù)照射時(shí)間為照 射時(shí)間。

（4）激光測(cè)距（照射）停止。發(fā)送“激光測(cè)距（照射）停止”，則激光測(cè)距（照射）停止。

（5）線性位移補(bǔ)償。在任一工作模式下，發(fā)送線性位移補(bǔ)償指令，光電裝置進(jìn)入線性位移補(bǔ)償狀態(tài)。在手動(dòng)模式下，該算法自動(dòng)運(yùn)行，補(bǔ)償飛機(jī)飛行速度。發(fā)送“線性位移補(bǔ)償關(guān)閉”指令，光電裝置退出線性位移補(bǔ)償狀態(tài)。上電時(shí)，系統(tǒng)線性位移補(bǔ)償指令默認(rèn)無效。

3 軟件測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的主控單元軟件已經(jīng)過多次無人機(jī)吊艙實(shí)際掛飛測(cè)試，掛飛實(shí)驗(yàn)過程中的可見光與紅外的圖像分別如圖4和圖5所示。

圖4 可見光視頻截圖

圖5 紅外視頻截圖

測(cè)試過程中，無人機(jī)與主控軟件之間數(shù)據(jù)控制正常，數(shù)據(jù)接收與發(fā)送正常；主控單元與吊艙內(nèi)部模塊（伺服控制單元、光控控制單元、圖像處理單元及光電吊艙組合慣導(dǎo)）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送正常，指令響應(yīng)速度快。將主控軟件實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的Log、無人機(jī)中飛控記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與視頻記錄儀存儲(chǔ)的視頻進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)3組數(shù)據(jù)具有較高的一致性。因此可以認(rèn)為，本文設(shè)計(jì)的主控程序運(yùn)行穩(wěn)定、可靠且高效。

4 結(jié) 語

本文基于ARM架構(gòu)硬件平臺(tái)，使用C++語言完成了無人機(jī)光電吊艙主控單元控制軟件的設(shè)計(jì)，通過該軟件實(shí)現(xiàn)了光電吊艙內(nèi)部單元之間以及光電吊艙與無人機(jī)其他模塊間的數(shù)據(jù)交互，并高效地執(zhí)行了對(duì)應(yīng)的策略與算法。主控單元控制軟件經(jīng)地面測(cè)試及無人機(jī)吊艙多次實(shí)際掛飛測(cè)試，充分驗(yàn)證了軟件運(yùn)行穩(wěn)定、魯棒性高，可以有利地支撐光電吊艙各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。