多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

彭 程，白 越，喬冠宇,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

彭 程1，白 越1，喬冠宇1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，開發(fā)了一套完整的多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng);根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件總體設(shè)計(jì)分析，基于功能模塊化思想，分別設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了飛行監(jiān)控、飛行任務(wù)管理、二維與三維結(jié)合的導(dǎo)航電子地圖以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等功能，為無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了有力保障;地面控制站軟件系統(tǒng)的三個(gè)用戶主界面簡(jiǎn)約美觀，能夠?qū)崟r(shí)切換，便于地面操作員對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行監(jiān)管;最后，通過(guò)某型多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行作業(yè)，對(duì)地面控制站軟件系統(tǒng)進(jìn)行了全方位測(cè)試;實(shí)驗(yàn)測(cè)試有效地證實(shí)了該地面控制站軟件系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能，操作簡(jiǎn)便，完全滿足無(wú)人機(jī)地面控制站需求，已經(jīng)作為標(biāo)配軟件提供給用戶使用。

地面控制站軟件系統(tǒng)；多旋翼無(wú)人機(jī)；飛行監(jiān)控；飛行任務(wù)管理；導(dǎo)航電子地圖；數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

0 引言

近年來(lái)，多旋翼無(wú)人機(jī)具有體積小、飛行靈活、可垂直起降等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)的自主飛行，多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)地面控制站作為無(wú)人機(jī)的指揮中心是必不可少的。地面控制站能夠?yàn)榈孛娌僮鲉T提供無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理[1]。

多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng)是地面控制站的核心組成部分。在一個(gè)完整的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，操作員通過(guò)操控計(jì)算機(jī)、地面控制站硬件系統(tǒng)的手柄與按鈕等實(shí)現(xiàn)與地面控制站軟件系統(tǒng)的交互[2]。地面控制站軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)信息的顯示、飛行任務(wù)規(guī)劃與管理、導(dǎo)航電子地圖以及飛行數(shù)據(jù)的記錄與保存等功能。

本文開發(fā)了一套完整的多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)功能完善、操作簡(jiǎn)便、具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性，目前已經(jīng)在實(shí)際工程中得到了良好的應(yīng)用。

1 地面控制站軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng)在Windows 7操作系統(tǒng)下，基于Microsoft Visual C++集成開發(fā)。

1.1 地面控制站軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于功能模塊化設(shè)計(jì)思想，地面控制站軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分成四大模塊：飛行監(jiān)控模塊、飛行任務(wù)管理模塊、導(dǎo)航電子地圖模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明了，針對(duì)性強(qiáng)，易于調(diào)試與測(cè)試。

圖1 地面控制站軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.2.1 飛行監(jiān)控

多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)通訊，并與上位機(jī)是通過(guò)串口連接。通過(guò)測(cè)試比較可知，多線程的第三方串口類CSeralPort類具有高效讀寫速率，靈活性高，能夠滿足軟件系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性要求。最終，通信采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為115 200 bps，使用CSerialPort串口通信類實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)向上位機(jī)發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)：俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、經(jīng)度、緯度、高度、速度、電壓與通信信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)，上位機(jī)向無(wú)人機(jī)發(fā)送飛行航點(diǎn)控制指令。

另外，基于TVideoGrabber捕捉軟件的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)的視頻監(jiān)控，具有對(duì)視頻實(shí)時(shí)顯示、保存以及照相等功能。

1.2.2 飛行任務(wù)管理

地面操作員需要預(yù)先編輯好飛行任務(wù)航點(diǎn)，將任務(wù)航點(diǎn)裝訂，在地圖上生成任務(wù)航線，從而便于操作員直觀監(jiān)督飛行狀況。任務(wù)航點(diǎn)通過(guò)串口通信傳送給無(wú)人機(jī)，控制無(wú)人機(jī)按照設(shè)定的任務(wù)飛行。若在飛行中遇到特殊情況，地面操作員可以隨時(shí)介入，重新編輯任務(wù)航點(diǎn)，確保能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)，保證飛行安全。

飛行任務(wù)管理模塊的用戶界面，主要包括了添加航點(diǎn)、刪除航點(diǎn)、標(biāo)記航點(diǎn)、連接航點(diǎn)、發(fā)送航點(diǎn)、開始巡航、停止巡航功能。其中，添加航點(diǎn)是添加一個(gè)新的任務(wù)航點(diǎn)，包括航號(hào)、高度、經(jīng)度、緯度和地速信息?？梢允謩?dòng)在添加航點(diǎn)用戶界面上輸入相關(guān)信息來(lái)完成航點(diǎn)的添加，也可以直接使用鼠標(biāo)在導(dǎo)航地圖上單擊添加航點(diǎn)。刪除航點(diǎn)是對(duì)已經(jīng)添加的航點(diǎn)進(jìn)行刪除操作，后續(xù)的航點(diǎn)會(huì)依次上移。標(biāo)記航點(diǎn)是在地面操作員完成預(yù)設(shè)任務(wù)航點(diǎn)后，點(diǎn)擊此按鈕，能夠在導(dǎo)航電子地圖上標(biāo)記出所有的任務(wù)航點(diǎn)與相應(yīng)的航號(hào)。點(diǎn)擊連接航點(diǎn)按鈕，將會(huì)在電子地圖上繪制出所有的任務(wù)航線。發(fā)送航點(diǎn)是通過(guò)串口通信將已經(jīng)預(yù)設(shè)好的任務(wù)航點(diǎn)發(fā)送給無(wú)人機(jī)，為無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)做好準(zhǔn)備。開始巡航表示啟動(dòng)飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)將按照預(yù)設(shè)的航點(diǎn)進(jìn)行自主飛行。停止巡航表示無(wú)人機(jī)飛行停止，通常是在任務(wù)完成后或者遇到緊急狀況需要重新規(guī)劃飛行任務(wù)時(shí)觸發(fā)。

1.2.3 導(dǎo)航電子地圖

地面操作員通過(guò)導(dǎo)航電子地圖直觀獲取無(wú)人機(jī)地理位置信息，保證對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的地面控制站軟件系統(tǒng)包含二維電子地圖與三維電子地圖，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，使得地理信息更為豐富全面，保證了無(wú)人機(jī)的高級(jí)監(jiān)控。

1)二維電子地圖。

二維導(dǎo)航電子地圖選用Mapx的gst地圖，能夠離線查看，不需要聯(lián)網(wǎng)，操作響應(yīng)快，較為便捷[3]。在VC++開發(fā)環(huán)境下，基于Mapx控件可以直接加載gst格式的二維地圖，實(shí)現(xiàn)了地圖的各種擴(kuò)展功能。在MFC框架下，使用鼠標(biāo)消息響應(yīng)函數(shù)獲取屏幕坐標(biāo)與地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而使得鼠標(biāo)在地圖上移動(dòng)時(shí)，可以在狀態(tài)欄上實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)所處位置的經(jīng)度與緯度信息。基于MapX控件的相關(guān)圖層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)飛行位置的實(shí)時(shí)刷新與地圖標(biāo)記，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)在地圖上的導(dǎo)航定位與跟蹤，航跡回放等功能，確保地面操作員準(zhǔn)確地監(jiān)管多旋翼無(wú)人機(jī)。

2)三維電子地圖。

三維電子地圖選用了Google公司的Google Earth，該地圖整合了航拍照片、衛(wèi)星照片和GIS矢量數(shù)據(jù)[4]，具有可視化的空間特征信息，但需要聯(lián)網(wǎng)支持，提供了離線下載功能?；贕oogle Earth COM API擴(kuò)展接口，在VC++集成環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了地圖嵌入與二次開發(fā)，采用Windows Hook技術(shù)獲取鼠標(biāo)在地圖上的坐標(biāo)，通過(guò)建立全局鼠標(biāo)Hook，攔截鼠標(biāo)消息，建立動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)而將鼠標(biāo)坐標(biāo)信息傳送給主程序，從而實(shí)現(xiàn)電子地圖縮放、鼠標(biāo)捕獲等功能。另外，基于KML文件的擴(kuò)展接口開發(fā)了航點(diǎn)與航線的繪制，KML定義了地點(diǎn)、疊層、描述和多邊形等相關(guān)地理特征。在KML文件中寫入飛行航點(diǎn)的經(jīng)度與緯度信息，再依次加載每個(gè)飛行航點(diǎn)的KML文件，便會(huì)在Google Earth地圖中逐一繪制出各個(gè)航點(diǎn)連接成的航段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位與跟蹤功能。

圖2描述了二維電子地圖與三維電子地圖的導(dǎo)航定位與跟蹤，用藍(lán)線表示飛行軌跡，無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置在二維電子地圖中使用藍(lán)色小旗表示，在三維導(dǎo)航電子地圖中使用黃色地標(biāo)符表示，具有美觀、醒目、可視化強(qiáng)特點(diǎn)。

圖2 導(dǎo)航定位與跟蹤

1.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

在地面控制站軟件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)提供了飛行數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)與調(diào)用，保證了安全可靠的數(shù)據(jù)管理功能。地面控制站數(shù)據(jù)信息主要有無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和飛行任務(wù)中的航跡數(shù)據(jù)。采用合理的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)能夠有效準(zhǔn)確地保存飛行重要數(shù)據(jù)，快速調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)為操作員提供航跡離線回放與數(shù)據(jù)回放，完成數(shù)據(jù)黑匣子功能。

本文開發(fā)的地面控制站軟件系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)，因此采用了接口簡(jiǎn)單、輕量級(jí)的Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)。表1陳列了相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)的比較結(jié)果，通過(guò)對(duì)比分析，綜合選擇了具有快速訪問(wèn)速度和高代碼效率的ADO訪問(wèn)技術(shù)。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)比較[5]

最終，利用ADO技術(shù)建立的多個(gè)數(shù)據(jù)表，每個(gè)數(shù)據(jù)表都以時(shí)間命名，選擇要查看的數(shù)據(jù)段便可回放相關(guān)飛行數(shù)據(jù)。

2 地面控制站軟件系統(tǒng)用戶主界面

將上述模塊功能實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)而完成了地面控制站軟件系統(tǒng)的開發(fā)工作，圖3～5分別描述了地面控制站軟件系統(tǒng)的3個(gè)用戶主界面，分別為視頻用戶主界面，二維電子地圖用戶主界面以及三維電子用戶地圖主界面。其中，視頻用戶主界面支持兩個(gè)視頻接口，根據(jù)不同功能需求實(shí)現(xiàn)多方位視頻監(jiān)控。3個(gè)用戶主界面都包括菜單欄、狀態(tài)欄、工具欄以及無(wú)人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)與儀表顯示的相關(guān)信息，并且可以通過(guò)工具欄上的切換按鈕任意切換主界面。

圖3 視頻用戶主界面

圖4 二維電子地圖用戶主界面

3 地面控制站軟件系統(tǒng)的測(cè)試

為了驗(yàn)證本文開發(fā)的地面控制站軟件系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。某型多旋翼無(wú)人機(jī)的軟件系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)包括上位機(jī)、圖傳電臺(tái)、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、圖像采集卡。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省公主嶺市的某農(nóng)場(chǎng)，某型多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行播撒赤峰卵作業(yè)。

圖6為地面操作員預(yù)先設(shè)定的飛行任務(wù)航點(diǎn)與航線。在飛行任務(wù)管理模塊的添加航點(diǎn)界面中預(yù)先設(shè)定期望航點(diǎn)，點(diǎn)擊標(biāo)記航點(diǎn)按鈕后，在地圖中便生成了任務(wù)航點(diǎn)，接著點(diǎn)擊連接航線按鈕，最后確定任務(wù)航點(diǎn)準(zhǔn)確后，發(fā)送這些航點(diǎn)到無(wú)人機(jī)，點(diǎn)擊開始巡航按鈕，飛機(jī)便按照任務(wù)航點(diǎn)自主飛行。圖7繪制了該型多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行航跡。在任務(wù)管理模塊中，點(diǎn)擊停止巡航按鈕，無(wú)人機(jī)便自主降落，結(jié)束飛行作業(yè)。作業(yè)完成后，開啟航跡回放功能，在圖8中分別列出了二維電子地圖與三維電子地圖的航跡回放，可以看出，二維電子地圖與三維電子地圖都能夠準(zhǔn)確有效地描述出無(wú)人機(jī)的飛行航跡。通過(guò)本文開發(fā)的地面控制站軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效地完成了某型無(wú)人機(jī)的飛行作業(yè)。

圖5 三維電子地圖用戶主界面

圖6 預(yù)設(shè)的飛行任務(wù)航點(diǎn)與航線

圖7 導(dǎo)航跟蹤結(jié)果

圖8 航跡回放結(jié)果

由此可見(jiàn)，通過(guò)某型多旋翼無(wú)人機(jī)作業(yè)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，有效地驗(yàn)證了本文開發(fā)的地面控制站軟件系統(tǒng)是一個(gè)功能完善、能夠滿足對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理的友好人機(jī)交互平臺(tái)。

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一套操作簡(jiǎn)便、功能完善的多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件系統(tǒng)。根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站軟件總體分析，建立了地面控制站軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。采用功能模塊化方法，將地面控制站軟件系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)了飛行監(jiān)控、飛行任務(wù)管理、二維與三維結(jié)合的導(dǎo)航電子地圖以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等多個(gè)功能。最后，通過(guò)地面控制站軟件系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)有效地驗(yàn)證了該地面控制站軟件系統(tǒng)是一個(gè)具有完善功能、滿足無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控需求的友好人機(jī)交互平臺(tái)，目前已經(jīng)在實(shí)際工程中得到了良好的應(yīng)用。

[1] 寧金星, 盧京潮, 閆建國(guó). 基于VC++的無(wú)人機(jī)飛控地面站軟件的開發(fā)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2009, 17(3):596-598.

[2]喬志華, 李一波, 康紹鵬, 等. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無(wú)人機(jī)地面控制站系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 2008: 415-418.

[3]翟亞棟, 陳懷民, 吳成富, 等. 基于MapX開發(fā)的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2008, 16(11): 1626-1628.

[4]馬 俊, 楊 忠, 楊成順,等. 基于Google Earth的人機(jī)交互平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用科技, 2010, 37(7): 6-10.

[5]李 想. 無(wú)人機(jī)地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件研究與設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

Design and Development of Ground Control Station Software System for Multi-rotor UAV

Peng Cheng1, Bai Yue1, Qiao Guanyu2

(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, Changchun 130033, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

According to demands on real-time monitoring for multi-rotor UAV, an integrated ground control station software system for multi-rotor UAV was developed. In the light of the overall design analysis of the ground control station software system for multi-rotor UAV, flight monitoring function, flight mission management function, navigation maps combined two dimension with three dimension as well as database technology function were all designed, respectively, which provided the powerful guarantee to supervise multi-rotor UAV. There were three nice main user interfaces that can be switched in real time so as to supervise the multi-rotor UAV for the ground operator. Finally, the ground control station software system was tested via the flight work of a multi-rotor UAV. It was verified that the ground control station software system had favorable monitoring function with simple operation and could fully meet demands on ground control station for multi-rotor UAV. It has been provided for users as the standard software.

ground control station software system; multi-rotor UAV; flight monitoring; flight mission management; navigation maps; database technology

2017-05-04；

2017-05-23。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372309；61304017)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20150204074GX)。

彭 程(1987-)，女，吉林長(zhǎng)春人，博士，助理研究員，主要從事無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制與軟件開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0150-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.038

TP311.52

A