基于GMap的無(wú)人機(jī)地面控制軟件開發(fā)

李杉格，林靜

（1.中電科(德陽(yáng)廣漢)特種飛機(jī)系統(tǒng)工程有限公司，成都611731；2.中電科航空電子有限公司，成都611731）

0 引言

自1916年09月12日第一架無(wú)線電操縱的無(wú)人駕駛飛機(jī)在美國(guó)首飛已經(jīng)過去整整一百年，無(wú)人機(jī)憑借其低成本、高安全性、靈活高效等特有優(yōu)勢(shì)，在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。無(wú)人機(jī)地面控制站作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，受到了多國(guó)的重視：美國(guó)海軍研制的通用無(wú)人機(jī)地面控制站戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)（TCS）提供了一個(gè)開放式體系結(jié)構(gòu)軟件，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、指揮與控制以及情報(bào)數(shù)據(jù)收發(fā)等功能[1]；北約頒布的“北約無(wú)人機(jī)控制站互操作標(biāo)準(zhǔn)化接口”（STANAG 4586）[2]，為UAV系統(tǒng)制定了一個(gè)功能性結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（Lockheed Martin已開發(fā)出世界上第一個(gè)符合該標(biāo)準(zhǔn)的商用貨架控制站軟件VCS-4586[3]）。

本文從無(wú)人機(jī)地面控制軟件的功能需求分析出發(fā)，介紹了一種無(wú)人機(jī)地面控制軟件的具體實(shí)現(xiàn)方法，在VS Express 2013集成開發(fā)環(huán)境中使用C#語(yǔ)言進(jìn)行研發(fā)。

1 軟件總體設(shè)計(jì)

1.1 功能分析

圖1所示為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)地面站信息流圖，無(wú)人機(jī)地面控制軟件運(yùn)行于飛行控制席位中，通過UDP組播與鏈路監(jiān)控席位、載荷控制席位進(jìn)行各類遙控/遙測(cè)數(shù)據(jù)的通信。根據(jù)系統(tǒng)需求，無(wú)人機(jī)地面控制軟件需具備以下功能：

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)地面站信息流圖

（1）航路規(guī)劃功能：任務(wù)開始前，無(wú)人機(jī)操作員根據(jù)當(dāng)次任務(wù)的具體需求，提前編輯本次任務(wù)各航點(diǎn)信息、規(guī)劃飛行航路，而后注入航路，指引無(wú)人機(jī)按照指定航路進(jìn)入自動(dòng)模式飛行（滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸）；

（2）手動(dòng)模式功能：自動(dòng)飛行中若遇緊急情況，或有手動(dòng)控制必要，操作員可從自動(dòng)模式切入手動(dòng)模式，通過視距/超視距數(shù)據(jù)鏈發(fā)送操控指令手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)飛行；

（3）狀態(tài)監(jiān)控功能：通過解析無(wú)人機(jī)發(fā)回的遙測(cè)數(shù)據(jù)，以文字、數(shù)值、儀表等多種形式提供無(wú)人機(jī)飛行航跡、設(shè)備狀態(tài)、飛行參數(shù)等信息，供操作員實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)；

（4）回放功能：無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，地面控制軟件可實(shí)時(shí)記錄地面站發(fā)往無(wú)人機(jī)的遙控指令和無(wú)人機(jī)發(fā)回的遙測(cè)信息，供任務(wù)完成后進(jìn)行回放分析。

1.2 界面設(shè)計(jì)

圖2 無(wú)人機(jī)地面控制軟件界面設(shè)計(jì)

圖2所示為無(wú)人機(jī)地面控制軟件主界面，大量圖表、虛擬儀表的使用讓界面更加簡(jiǎn)潔、直觀。無(wú)人機(jī)地面控制軟件主要分為以下幾個(gè)模塊：

（1）電子地圖模塊：顯示導(dǎo)航地圖（可雙擊地圖全屏顯示）、飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、航跡、航路、航點(diǎn)、空域、經(jīng)緯度等信息；

（2）航路規(guī)劃模塊：通過界面控件或者直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)文件編輯航路、航點(diǎn)、空域信息，進(jìn)行航路注入等操作；

（3）中央顯控模塊：包括綜合顯控、飛控狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)三個(gè)部分，同時(shí)提供遙測(cè)源碼顯示、地圖快速定位等輔助功能；

（4）手動(dòng)控制模塊：提供各類無(wú)人機(jī)控制按鈕和操縱桿配置監(jiān)控接口，用以在必要時(shí)手動(dòng)干預(yù)無(wú)人機(jī)飛行。

（5）飛參顯示模塊：顯示飛機(jī)姿態(tài)指示器、速度/空速/高度等曲線和角速度、加速度、航跡角等數(shù)值。

1.3 配置文件

XML（eXtensible Markup Language）作為一種廣泛使用的標(biāo)記語(yǔ)言，具有良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和可擴(kuò)展性，采用XML格式配置文件來(lái)存儲(chǔ)軟件的初始化信息（如界面參數(shù)、UDP/串口通信參數(shù)、地面站參數(shù)等），以下為配置文件片段：

……

2 軟件應(yīng)用開發(fā)

2.1 工作流程

圖3 無(wú)人機(jī)地面控制軟件工作流程

圖3所示為無(wú)人機(jī)地面控制軟件工作流程。軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)文件、軟件界面、網(wǎng)絡(luò)/串口通信、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的初始化，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)文件將已有航路信息顯示在界面上供操作員編輯，而后，進(jìn)行航路規(guī)劃合法性校驗(yàn)，若航路規(guī)劃滿足空域、飛機(jī)性能等限制，無(wú)人機(jī)則可進(jìn)入自動(dòng)模式飛行，并可隨時(shí)在手動(dòng)和自動(dòng)模式之間切換、進(jìn)行在線航路重規(guī)劃等。此外，軟件還可以執(zhí)行數(shù)據(jù)回放分析操作。

2.2 電子地圖

電子地圖使用GMap.NET實(shí)現(xiàn)，GMap是一個(gè)跨平臺(tái)開源.NET控件，其代碼結(jié)構(gòu)清晰，每個(gè)模塊之間均基于接口進(jìn)行編程，可運(yùn)行于WinForm、WPF和Windows Mobile，支持 Google、Bing、ArcGIS等多種在線、離線地圖，功能強(qiáng)大[4]。

使用GMap，需首先實(shí)例化GMapControl類，而后即可用GMapProvider接口加載顯示地圖，進(jìn)行地圖初始化設(shè)置、添加圖層和鼠標(biāo)事件等操作。電子地圖上，將顯示航路（黃色線段）、航點(diǎn)（黃色水滴標(biāo)記）、航跡（橙黃色曲線）、空域（藍(lán)色線段）、飛機(jī)圖標(biāo)（半透明藍(lán)色箭頭）等信息，分別在GMapMarker、GMapOverlay層實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：

圖4 電子地圖及疊加信息顯示

此外，電子地圖上還將疊加顯示無(wú)人機(jī)與地面站的實(shí)時(shí)相對(duì)位置（距離、方位），相對(duì)位置簡(jiǎn)便解算思路：將以經(jīng)緯度、高度（dLng,dLat,dAlt）表示的球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維直角坐標(biāo)（Xa,Ya,Za），再利用平面幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。解算代碼如下：

const double dEarthRadius=6371393;//地球半徑

//三維直角坐標(biāo)

Xa=（dEarthRadius+dAAlt）*Math.Cos（D2R（dALat））*Math.Cos（D2R（dALng））;

Ya=（dEarthRadius+dAAlt）*Math.Cos（D2R（dALat））*Math.Sin（D2R（dALng））;

Za=（dEarthRadius+dAAlt）*Math.Sin（D2R（dALat））;

Xb=（dEarthRadius+dBAlt）*Math.Cos（D2R（dBLat））*Math.Cos（D2R（dBLng））;

Yb=（dEarthRadius+dBAlt）*Math.Cos（D2R（dBLat））*

Math.Sin（D2R（dBLng））;

Zb=（dEarthRadius+dBAlt）*Math.Sin（D2R（dBLat））;

//解算距離、方位

dDistance=Math.Sqrt（Math.Pow（Xa-Xb,2） +Math.Pow（Ya-Yb,2）+Math.Pow（Za-Zb,2））;

dDirection=R2D（Math.Atan（（D2R（dBLng）-D2R（dALng））*Math.Cos（D2R（dBLat））/（D2R（dBLat）-D2R（dALat））））;

2.3 航路規(guī)劃

傳統(tǒng)的航路規(guī)劃文件多采用txt文本格式，開發(fā)簡(jiǎn)捷但查詢、編輯有所不便。本設(shè)計(jì)中，采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行航路規(guī)劃文件管理，軟件啟動(dòng)后即自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的航路、航點(diǎn)、空域信息并在界面上予以顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)文件可通過軟件界面或直接打開.mdb數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行編輯，其中包括航路、航點(diǎn)、空域三張數(shù)據(jù)表[5]：

（1）航路表（Fairway）：包括 ID、航路編號(hào)等信息；

（2）航點(diǎn)表（Waypoint）：包括 ID、航點(diǎn)編號(hào)、經(jīng)緯度、高度、航向、速度、備注、所屬航路等信息；

（3）空域表（Airspace）：包括 ID、航點(diǎn)編號(hào)、經(jīng)緯度、高度區(qū)間、備注等信息。

一個(gè)航路包含至多255個(gè)航點(diǎn)，確認(rèn)航路信息無(wú)誤后，即可注入航路（幀格式定義見表1），通過無(wú)線鏈路將航路信息發(fā)至飛控計(jì)算機(jī)，控制無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃航路飛行。

表1 航路注入幀格式定義

表2 航點(diǎn)信息格式定義

2.4 虛擬儀表

為方便靈活定制，飛機(jī)姿態(tài)儀表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油量等虛擬儀表采用自定義控件（UserControl）實(shí)現(xiàn)。解決方案中，每個(gè)虛擬儀表皆為一個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目，生成一個(gè)dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)供主項(xiàng)目調(diào)用，如此功能劃分更加清晰明了。同時(shí)，還采用輔助緩沖區(qū)（this.DoubleBuffered=true;）進(jìn)行圖面重繪，以避免儀表閃爍、呈現(xiàn)不流暢。

本設(shè)計(jì)采用多線程實(shí)現(xiàn)，為保證安全性，采用異步執(zhí)行指定委托的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬儀表界面的更新顯示[6]，關(guān)鍵代碼段如下：

ActionactionDelegate

=delegate（float fAngleRoll,float fAnglePitch,float fAngleHead,float fAngleTrack）

{

ctrl.UpdateAI（fAngleRoll,fAnglePitch,fAngleHead,fAngleTrack）;

};

ctrl.BeginInvoke（actionDelegate,fRoll,fPitch,fHead,fTrack）;

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于GMap的無(wú)人機(jī)地面控制軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，其人機(jī)界面設(shè)計(jì)參考民航標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)潔友好[7]，經(jīng)多次試飛測(cè)試，該軟件可有效地對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、航路規(guī)劃和實(shí)時(shí)操控，各項(xiàng)功能得到了充分驗(yàn)證。

[1]馬聰穎,高瑞周,朱玉祜.無(wú)人機(jī)地面控制站通用化軟件架構(gòu)[J].航空計(jì)算技術(shù),2013,43（03）:112-113+118.

[2]Stanag 4586:Standard Interfaces of UAV Control System（UCS）for Nato UAV Interoperability[S/OL].

[3]VCS-4586 Capabilities Guide-Ground Control Operator Software for Unmanned Vehicle Systems[M/OL].

[4]GMap.NET Tutorial[EB/OL].http://greatmaps.codeplex.com/documentation,2015.

[5]鄭昌文,嚴(yán)平,丁明躍,蘇康.飛行器航跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].宇航學(xué)報(bào),2007,（06）:1441-1446.

[6]Control.BeginInvoke Method（Delegate）[EB/OL].https://msdn.microsoft.com/en-us/library,2017.

[7]AC No:23.1311-1C,Installation of Electronic Display in Part 23 Airplanes[S].