基于Qt 的小型無人機地面站軟件設(shè)計與實現(xiàn)

賈 杰，劉智騰

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

無人機地面站(Ground Control Station，GCS)，即無人機地面控制系統(tǒng)，是無人機系統(tǒng)的重要組成部分。地面站的主要功能是實時監(jiān)控飛行器的飛行過程、飛行軌跡、有效載荷、通訊鏈路以及飛行器的發(fā)射和回收，同時也要求能夠靈活地克服各種未知的自然與人為因素的不利影響，適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，保證全系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)［1］。Qt 作為使用廣泛的C++編程環(huán)境，界面美觀，擁有良好的跨平臺能力。因此，本文選取Qt 作為編程工具來實現(xiàn)地面站的各項功能。

1 地面站系統(tǒng)總體設(shè)計

綜合考慮無人機地面站需要實現(xiàn)的功能，由地面站的功能出發(fā)對地面站系統(tǒng)進行總體設(shè)計。地面站需要實現(xiàn)的功能有:

1)實時、可靠、高效的數(shù)據(jù)鏈路通信;

2)飛行器飛行狀態(tài)的顯示和控制;

3)有效載荷的顯示和控制;

4)飛行數(shù)據(jù)的存儲和回放。

根據(jù)以上功能需求，可以將系統(tǒng)劃分為通信控制與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理模塊［2］。圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖，設(shè)計如圖2 所示的軟件流程圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟件流程圖

2 地面站系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于無人機地面站的功能需要由不同的功能模塊來實現(xiàn)，因此，將無人機地面站劃分為不同的功能模塊來實現(xiàn)。模塊分為串口通信模塊、電子地圖模塊、虛擬儀表顯示模塊、飛行數(shù)據(jù)存儲模塊等。系統(tǒng)前臺界面采用Qt 編程語言進行開發(fā)，后臺采用SQLite 數(shù)據(jù)庫對飛行數(shù)據(jù)進行儲存，虛擬儀表使用第三方類庫Qwt(Qt Widgets for Technical Application)編程實現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊需要實現(xiàn)的功能為:對數(shù)據(jù)進行緩存和通信控制以實現(xiàn)飛行器與地面監(jiān)控平臺的實時通信［3］。因此，在數(shù)據(jù)無線傳輸方面，采用9XStream無線數(shù)傳電臺來實現(xiàn)功能。9XStream 支持RS232 串行接口通信，其接口速率在9 600 bps 和19 200 bps之間，能夠滿足地面站和飛行器之間遙測數(shù)據(jù)包的傳輸［4］。在通信協(xié)議方面，參考MAVLink 通信協(xié)議，定義如下的通信協(xié)議格式［5］:

1)上行通信協(xié)議。

圖3 上行通信協(xié)議

上行通信協(xié)議的格式見圖3，其一幀數(shù)據(jù)為40字節(jié)，其中控制指令位中的數(shù)據(jù)主要為角度調(diào)節(jié)、經(jīng)緯度、爬升高度等信息。

2)下行通信協(xié)議。

圖4 下行通信協(xié)議

下行通信協(xié)議的格式見圖4，其一幀數(shù)據(jù)包含56字節(jié)，幀頭占1 字節(jié)，校驗和占1 字節(jié)，數(shù)據(jù)包括無人機飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)等，共占54 字節(jié)。

在功能的實現(xiàn)方面，采用Qt 的第三方串口通信類Qextserialport 實現(xiàn)所需功能。該類在使用上比較簡單，首先創(chuàng)建一個基于Qextserialport 類的對象;其次，定義串口對象，并傳遞函數(shù)，在構(gòu)造函數(shù)里對其進行初始化;再次，以讀寫方式打開串口;最后關(guān)聯(lián)串口信號和槽函數(shù)。當(dāng)串口緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，會發(fā)出讀取串口的信號，之后通過相關(guān)聯(lián)的槽函數(shù)對串口進行讀取串口操作。代碼如下:

2.2 航跡繪制模塊

航跡繪制模塊需要實現(xiàn)的功能有:電子地圖、對飛行器飛行位置進行標(biāo)注、繪制飛行器的運行軌跡并實現(xiàn)基本的地圖放大縮小等操作。考慮到無人機飛行器需要在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)進行作業(yè)，因此采用離線的Google 地圖實現(xiàn)功能。在實現(xiàn)方面，需要先下載Google 瓦片地圖到本地，之后使用JavaScript 編程對下載的瓦片地圖進行拼接，并做出一個本地化的Html 網(wǎng)頁，最后在Qt 上用QWebView 調(diào)用該離線版的Html 網(wǎng)頁以實現(xiàn)所需功能。

電子地圖加載完畢之后，接收從數(shù)據(jù)傳輸模塊下傳解析過后的無人機 GPS 數(shù)據(jù)信息，調(diào)用GoogleMapsAPI 在地圖上進行航跡顯示工作。航跡繪制流程圖如圖5 所示。

圖5 航跡規(guī)劃流程圖

2.3 虛擬儀表顯示模塊

Qt 上做虛擬儀表有2 種方法，一種是使用Qt 的2D 繪圖類QPainter 繪制，另一種是使用Qwt，它是一個基于LGPL 協(xié)議的開源庫，擁有封裝好的表盤類，能夠通過直接調(diào)用模板來完成儀表盤的設(shè)計［6］。本開發(fā)中，考慮到儀表的美觀方面，采用Qwt 來實現(xiàn)虛擬儀表，需要使用Qwt 下的QwtDial 類來繪制所需的儀表盤。

要使用Qwt，需要對Qwt 的開發(fā)環(huán)境進行配置。首先需要用MinGW 對Qwt 庫文件進行編譯，將編譯后的頭文件添加到項目文件夾中，然后在工程文件中添加Qwt 路徑語句，目的是指明Qwt 庫文件的地址，方便主程序調(diào)用，最后在頭文件中添加進Qwt 的頭文件，即可使用Qwt 進行儀表盤的繪制。

Qwt 配置完成之后，在UI 界面上能看到QwtWidget 的控件，將控件直接拖拽進UI 界面上，設(shè)置好控件的背景顏色、最小刻度、顯示方式等，就能做出一個完整的虛擬儀表盤。儀表盤完成之后，在主程序中添加一個QwtDialNeedle 的指針類對象，并對其初始化后，通過給指針類對象傳遞數(shù)據(jù)以達到顯示當(dāng)前飛行數(shù)據(jù)的目的。制作完成的速度表如圖6 所示。

圖6 虛擬速度表

2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

飛行數(shù)據(jù)存儲模塊需要實現(xiàn)的功能有:存儲重要的飛行數(shù)據(jù)，如空速、地速、高度、航跡、航向、滾轉(zhuǎn)、俯仰、經(jīng)緯度等，用于存儲規(guī)劃飛行路線中的航點信息［7］。本設(shè)計中，采用2 種方式來對數(shù)據(jù)庫進行訪問。一種是通過訪問SQLite 數(shù)據(jù)庫的方式，另一種是通過文本文檔方式，對數(shù)據(jù)進行保存。通過數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)時，需要在SQLite 數(shù)據(jù)庫中建立多個表格，將飛行數(shù)據(jù)分類保存在不同的表格中，以備之后的分析和處理。通過文本文檔保存數(shù)據(jù)時，以接收數(shù)據(jù)的時間作為保存的文件名，方便日后調(diào)用。

對于SQLite 數(shù)據(jù)庫，首先建立data 和point 2 張表，分別儲存無人機飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和航點信息，然后通過QtSQL 對建立好的數(shù)據(jù)庫進行鏈接，最后對數(shù)據(jù)表進行添加數(shù)據(jù)以及提取數(shù)據(jù)的操作。

對于文本文件，使用QTextstream 類來進行，該類將二進制文件以數(shù)據(jù)流的形式的儲存［5］。當(dāng)串口收到無人機下傳的遙測數(shù)據(jù)包后，建立一個帶有當(dāng)前系統(tǒng)時間信息的文本文檔，該文本文檔放置在用戶指定的目錄下。在這之后，通過QTextStream 的txtOutput成員函數(shù)將一整幀數(shù)據(jù)寫入文本文檔中［5］。

3 地面站控制系統(tǒng)測試結(jié)果分析

開發(fā)完成的無人機地面站軟件主界面如圖7 所示。

圖7 無人機地面站軟件主界面

開發(fā)程序已經(jīng)通過了自行編制的模擬飛行器測試程序的驗證。測試表明，地面站控制系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的實時接收、顯示、存儲、回放、電子地圖的讀取、飛行器GPS 信息顯示、飛行器航跡顯示等功能。證明了基于Qt 平臺開發(fā)的無人機地面站控制系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于Qt 開發(fā)平臺的無人機控制系統(tǒng)的地面站軟件。對所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了各模塊的分析、實現(xiàn)和驗證。無人機地面站能夠較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確、清晰地監(jiān)控?zé)o人飛行器的飛行狀態(tài)，為今后的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］周焱.無人機地面站發(fā)展綜述［J］.航空電子技術(shù)，2010，41(1):1-6.

［2］蘆勤桑.無人機遙測遙控地面站系統(tǒng)［D］.南昌:南昌航空大學(xué)，2012.

［3］馬少瑛.小型無人機地面站的研究與設(shè)計［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］楊滌.系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［5］Paul G Fahlstrom，Thomas J Gleason.無人機系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.吳漢平，邵國培譯.北京:電子工業(yè)出版社，2003:1-2.

［6］盧華偉，秦品健，鄭銳.基于Qt/Qwt 的操作監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2010，26(1):72-74.

［7］劉波.某型無人機地面導(dǎo)航站系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［8］Bruce K Walker，Norman M Wereley，Luppold Robert H，et al.Effects of redundancy management on reliability modeling［J］.IEEE Transactions on Reliability，1989，38(4):475-482.

［9］劉歌群，劉衛(wèi)國，盧京潮.無人機強實時性串口通訊程序設(shè)計［J］.計算機應(yīng)用，2005，25(1):210-212.

［10］Zhou Donghua，F(xiàn)rank P M.Fault diagnostic and fault tolerant control［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems，1998，34(2):420-427.

［11］徐雷.基于Linux 的無人機地面站設(shè)計與實現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2010.

［12］胡華海，廖劍華.VC++中數(shù)據(jù)接口技術(shù)的探討［J］.甘肅科技，2009(15):21-23.

［13］湯彬，李培耀.Windows 下多線程編程技術(shù)［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2002，16(4):310-313.

［14］楊紫千，張繼永，岳陽.Windows 消息機制及其在軟件系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2004，24(5):81-84.

［15］宋青，鄭冰，李國輝.VC 與數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(22):72-73.

［16］馬少瑛，烏仁格日樂.基于CSerialPortEx 類的無人機地面站串口通信的實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)(學(xué)術(shù)交流)，2011，7(8):5312-5314.

［17］劉刀桂，孟繁晶.Visual C ++實踐與提高—數(shù)據(jù)庫篇［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.