無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

黃 亮，崔學(xué)良，彭鵬菲，李啟元

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

在以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息化作戰(zhàn)中，無人機(jī)系統(tǒng)是一種集戰(zhàn)場感知、情報處理、通信傳輸、信息對抗、指揮決策、武器控制及火力打擊于一體的新型作戰(zhàn)力量，也是現(xiàn)代戰(zhàn)場信息柵格體系中重要的綜合信息處理與指揮控制節(jié)點。無人機(jī)系統(tǒng)裝備的發(fā)展及作戰(zhàn)運用將對未來新型指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化及聯(lián)合一體化的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動力，是未來作戰(zhàn)樣式及指揮控制模式轉(zhuǎn)變的重要環(huán)節(jié)，已成為指揮信息系統(tǒng)裝備及專業(yè)技術(shù)發(fā)展的新興領(lǐng)域。

地面站系統(tǒng)作為整個無人機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞[1]和作戰(zhàn)指揮中心[2－3]，控制著整個系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)，具體又可分為飛行控制站和綜合任務(wù)系統(tǒng)兩大部分[4－5]。飛行控制站主要控制飛行器的飛行過程、通信鏈路的工作狀態(tài)及飛行器的發(fā)射與回收等，一般由無人機(jī)平臺生產(chǎn)商提供。綜合任務(wù)系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對各類任務(wù)載荷的操作與使用，同時與飛行控制站的聯(lián)系也非常緊密，需要接收、處理飛行器的實時位置與運行狀態(tài)，完成對多類數(shù)據(jù)的融合處理和戰(zhàn)場態(tài)勢的綜合顯示與評估，一般由用戶自行設(shè)計或通過第三方定制開發(fā)完成?？梢哉f，綜合任務(wù)系統(tǒng)是無人機(jī)遂行各項使命任務(wù)的關(guān)鍵，而且隨著未來任務(wù)的多樣化，綜合任務(wù)系統(tǒng)也必須能夠支持新增任務(wù)載荷的快速接入、融合。

因此，本文提出一種無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)方案，既可模擬無人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的真實工作過程，滿足高校相關(guān)專業(yè)基于數(shù)據(jù)通信、情報處理、輔助決策等方面的教學(xué)、培訓(xùn)，也可進(jìn)行操作使用、任務(wù)規(guī)劃等內(nèi)容的模擬訓(xùn)練，輔助用戶熟練掌握使用過程和操作流程；既可作為實驗平臺，開展串口控制、網(wǎng)絡(luò)通信等方面的實踐，又能作為綜合仿真平臺，開展任務(wù)規(guī)劃、目標(biāo)定位及數(shù)據(jù)融合等相關(guān)算法的分析、驗證。

1 無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成

無人機(jī)系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺系統(tǒng)、機(jī)載任務(wù)載荷、通信系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)組成。

無人機(jī)平臺系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的空中飛行部分，包括飛機(jī)機(jī)體、推進(jìn)裝置、飛行操縱裝置及供電裝置。通信數(shù)據(jù)鏈的機(jī)載部分、任務(wù)載荷也被安裝在飛機(jī)上。

無人機(jī)能夠遂行各類任務(wù)，離不開所搭載的任務(wù)載荷，而且有效載荷通常也是無人機(jī)最昂貴的子系統(tǒng)。任務(wù)載荷種類主要有光學(xué)傳感器、雷達(dá)及通信設(shè)備，其他如氣象及化學(xué)感應(yīng)設(shè)備等傳感器也曾被建議作為無人機(jī)的有效載荷。

通信系統(tǒng)是無人機(jī)的 “生命線”，對情報信息快速、準(zhǔn)確的發(fā)送，對無人機(jī)實施有效、及時的指揮控制都依賴于通信。其中，上行鏈路對飛行器和任務(wù)載荷進(jìn)行控制，下行鏈路則用于接收飛行器狀態(tài)信息和各類有效載荷獲取的圖像和數(shù)據(jù)。

地面控制站，也稱地面站系統(tǒng)，是無人機(jī)系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心。控制指令的生成與發(fā)送、航路任務(wù)的規(guī)劃、無人機(jī)飛行狀態(tài)的顯示、任務(wù)載荷探測信息的處理等都是在此完成。

如圖1所示，給出了搭載可見光攝像機(jī)任務(wù)載荷的無人機(jī)系統(tǒng)的典型體系結(jié)構(gòu)。

1.2 無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)硬件設(shè)備組成

在分析無人機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)的搭建。實現(xiàn)過程中，重在原理的演示驗證，而不是關(guān)注設(shè)備的指標(biāo)性能，同時從操作可行性及成本控制角度考慮，最終確定系統(tǒng)組成為飛行平臺選用多旋翼無人機(jī)(采用國產(chǎn)開源飛控設(shè)備)；機(jī)載任務(wù)載荷采用可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀雙傳感器設(shè)備；選用高清圖傳電臺、數(shù)傳電臺實現(xiàn)無人機(jī)與地面站之間的數(shù)據(jù)通信；飛行控制站硬件選用筆記本電腦，軟件系統(tǒng)在開源代碼基礎(chǔ)上二次開發(fā)實現(xiàn)；綜合任務(wù)系統(tǒng)硬件選用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，軟件則自行設(shè)計開發(fā)完成。

1.3 無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)軟件功能需求

無人機(jī)飛行控制站主要實現(xiàn)對無人機(jī)的監(jiān)視、導(dǎo)航和控制，從而完成既定的任務(wù)，軟件一般由無人機(jī)平臺生產(chǎn)商提供，因此無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)的軟件主要側(cè)重于綜合任務(wù)系統(tǒng)的功能設(shè)計與實現(xiàn)。綜合任務(wù)系統(tǒng)主要實現(xiàn)對任務(wù)載荷的操控，完成對任務(wù)載荷探測信息的處理和顯示，其軟件功能需求如圖2所示。論文中主要圍繞電子地圖導(dǎo)航、航路任務(wù)規(guī)劃、有效載荷控制、戰(zhàn)場態(tài)勢顯示、目標(biāo)定位解算及測量數(shù)據(jù)分析等重點功能的設(shè)計及實現(xiàn)展開分析。

圖2 無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)軟件功能需求

2 無人機(jī)綜合任務(wù)系統(tǒng)指揮與控制

2.1 無人機(jī)綜合任務(wù)系統(tǒng)典型工作過程

地面站系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心，是指揮員的指揮場所。指揮員的職責(zé)是接受上級指揮員的任務(wù)分配，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并向有關(guān)部門匯報所獲取的數(shù)據(jù)及情報。地面站通常為飛行器及任務(wù)載荷操作人員留有位置，使其能夠完成監(jiān)視與執(zhí)行任務(wù)的功能。

以光電載荷對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行偵察任務(wù)為例，無人機(jī)綜合任務(wù)系統(tǒng)的指揮控制過程為指揮員領(lǐng)受上級任務(wù)后，飛行器操作員根據(jù)無人機(jī)性能、任務(wù)區(qū)等約束條件，完成無人機(jī)航路任務(wù)的預(yù)先規(guī)劃，同時任務(wù)載荷操作員確定好載荷的使用時機(jī)、工作模式等事項。無人機(jī)啟動后，光電載荷同步加電，啟動過程中完成自檢，以保證載荷系統(tǒng)工作正常。無人機(jī)飛抵目標(biāo)點過程中，可設(shè)置光電載荷為自動掃描工作模式，以實現(xiàn)對過程區(qū)域的隨機(jī)偵察。抵達(dá)預(yù)定目標(biāo)區(qū)域后，無人機(jī)進(jìn)入規(guī)劃航路，開始對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行重點搜索，同時任務(wù)載荷操作員處于任務(wù)回路中，可隨時干預(yù)調(diào)整；若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，系統(tǒng)給出報警，任務(wù)載荷操作員對目標(biāo)進(jìn)行判別，并轉(zhuǎn)換光電載荷工作模式為鎖定跟蹤，獲得目標(biāo)位置及運動參數(shù)等數(shù)據(jù)后，指揮員視情向上級指揮部門上報所獲取的目標(biāo)情報。

2.2 無人機(jī)綜合任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)分為機(jī)載部分和地面部分，其中機(jī)載部分負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行并提供飛機(jī)狀態(tài)、位置信息及任務(wù)載荷的測量信息給地面站，地面站則根據(jù)飛機(jī)狀態(tài)及得到的載荷測量信息做出下一步飛行的目標(biāo)規(guī)劃并發(fā)送給機(jī)載部分。地面部分與機(jī)載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路，分別用于傳送載荷測量信息和飛行狀態(tài)及控制站指令。地面站通過上行鏈路與機(jī)載飛行控制系統(tǒng)通信，以發(fā)送飛行控制命令與載荷控制指令，下行鏈路則負(fù)責(zé)傳輸載荷探測數(shù)據(jù)和無人機(jī)飛行狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)傳輸主要過程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程

在構(gòu)建完成無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)的硬件總體架構(gòu)、熟悉無人機(jī)綜合任務(wù)系統(tǒng)的指揮與控制及數(shù)據(jù)傳輸流程后，接下來進(jìn)行地面站軟件系統(tǒng)設(shè)計，重點從無人機(jī)航路任務(wù)規(guī)劃、載荷控制、戰(zhàn)場態(tài)勢生成與綜合顯示等關(guān)鍵技術(shù)入手，分別進(jìn)行了分析與實現(xiàn)。

3 航路任務(wù)規(guī)劃及有效載荷控制

3.1 無人機(jī)飛行航路任務(wù)規(guī)劃

無人機(jī)的飛行控制主要由所采用的飛控設(shè)備完成，其中包含控制律和算法[6]；而無人機(jī)路徑規(guī)劃[7]的根本任務(wù)就是綜合所有的約束條件為飛行器設(shè)計 “滿意” 的路徑[8－9]， 這些約束條件包括飛行器物理特性、導(dǎo)航性、突防性、戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)等約束條件。航路規(guī)劃本質(zhì)上是將規(guī)劃路徑的關(guān)鍵點位置參數(shù)發(fā)送給飛控設(shè)備控制無人機(jī)飛行實現(xiàn)的。

無人機(jī)飛行航路任務(wù)規(guī)劃功能主要包括無人機(jī)位置及姿態(tài)在電子地圖的實時顯示和無人機(jī)航路規(guī)劃兩大部分。通過電子地圖，實現(xiàn)縮放、漫游及實時顯示無人機(jī)的位置和飛行軌跡，方便操作人員對其監(jiān)控。

3.1.1 無人機(jī)位置及姿態(tài)實時顯示

通過在電子地圖上實時顯示無人機(jī)位置(緯度、經(jīng)度、高度)，在儀表控件上顯示無人機(jī)姿態(tài)(航向、航速、方位角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角等)及主要設(shè)備(動力、數(shù)據(jù)鏈、GPS等)等的狀態(tài)，可以讓用戶清楚掌握無人機(jī)的運行狀況。

電子地圖功能的實現(xiàn)主要有兩種方法:1)調(diào)用MapInfo公司開發(fā)的MapX接口，使用離線地圖庫；2)使用各類地圖提供商(如Google地圖、Bing地圖等)的API進(jìn)行二次開發(fā)，地圖可在線使用，也可預(yù)先緩存目標(biāo)區(qū)域地圖滿足離線使用需求。從電子地圖的適用性和升級方便角度出發(fā)，方案選用第二種方式實現(xiàn)，同時考慮到地圖提供商服務(wù)的穩(wěn)定性，在此采用微軟公司的Bing衛(wèi)星地圖完成無人機(jī)GPS位置的實時顯示。

3.1.2 無人機(jī)航路規(guī)劃

無人機(jī)航路規(guī)劃的具體實現(xiàn)可分為兩種方式:1)手動規(guī)劃，利用基本的GIS編輯功能，在背景地圖上通過鼠標(biāo)點擊依序設(shè)定無人機(jī)飛行航路點參數(shù)，包含航路點的WGS－84坐標(biāo)、飛行高度、速度及航向等數(shù)據(jù)；2)根據(jù)已知的各類約束條件(無人機(jī)物理性能、任務(wù)區(qū)、威脅區(qū)、禁飛區(qū)等)、依據(jù)一定的最優(yōu)原則(路徑最短、覆蓋范圍最大等)，通過采用不同的路徑規(guī)劃算法(如遺傳算法、粒子濾波等)或是典型任務(wù)航線(等高航線、變高航線、變高變速航線、掃描航線等)，實現(xiàn)無人機(jī)航路的自動規(guī)劃。

實現(xiàn)效果如圖4所示。利用提供的標(biāo)繪工具，實現(xiàn)對無人機(jī)、各類艦艇，以及航路、任務(wù)點、區(qū)域的標(biāo)繪及屬性編輯；通過任務(wù)操控工具，可以顯示當(dāng)前任務(wù)信息，并提供任務(wù)查詢、新建、編輯、打開、保持、關(guān)閉及刪除任務(wù)等操作。任務(wù)航線可以保存在航線文件夾內(nèi)，用戶可以重新編輯已有的任務(wù)航線和創(chuàng)建新的任務(wù)航線。

圖4 無人機(jī)航路規(guī)劃

3.2 任務(wù)載荷控制與使用

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包含機(jī)載端、地面端兩部分，兩者通過無線鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其中機(jī)載端有線連接無人機(jī)飛控設(shè)備，負(fù)責(zé)接收地面端發(fā)送的控制指令、反饋無人機(jī)和任務(wù)載荷的狀態(tài)數(shù)據(jù)；而地面端則有線連接綜合任務(wù)臺，實現(xiàn)發(fā)送控制指令到機(jī)載端、接收機(jī)載端發(fā)來的無人機(jī)和任務(wù)載荷狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈地面端與綜合任務(wù)臺之間的信息傳輸，借助RS 232串行通信來實現(xiàn)。串口通信的典型工作過程如圖5所示。

在利用VC＋＋實現(xiàn)串口通信時，選用基于Microsoft的ActiveX控件MSComm的方式，這種方法具有原理簡單、容易實現(xiàn)及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。一般而言，廠家不同，所生產(chǎn)設(shè)備的通信協(xié)議也不一樣，因此需根據(jù)光電載荷生產(chǎn)廠商提供的通信協(xié)議，來轉(zhuǎn)換得到控制指令或是解析得到接收設(shè)備狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)。綜合任務(wù)臺對光電任務(wù)載荷的操作主要有設(shè)定工作模式(自鎖、回零、自動掃描、手動搜索、跟蹤、角度定位等)、切換傳感器類型(電視/紅外)、調(diào)整參數(shù)(變焦/調(diào)焦、快/慢、相關(guān)/質(zhì)心等)及視頻顯示(波門開/關(guān)、視場角開/關(guān)、角度開/關(guān)等)。

4 戰(zhàn)場綜合態(tài)勢生成與數(shù)據(jù)分析

利用無人機(jī)所搭載的有效任務(wù)載荷，獲得各類直接探測信息，以此為基礎(chǔ)，通過信息融合、分析處理可進(jìn)一步獲得戰(zhàn)場環(huán)境的綜合態(tài)勢。

4.1 基于任務(wù)載荷測量信息的戰(zhàn)場態(tài)勢顯示

雷達(dá)任務(wù)載荷可直接獲得戰(zhàn)場環(huán)境的目標(biāo)圖像，光電載荷能夠得到目標(biāo)區(qū)域的可見光/紅外視頻圖像，通過這些探測信息可直觀掌控環(huán)境的總體狀況。在綜合任務(wù)系統(tǒng)中利用視頻采集卡，實現(xiàn)視頻信號的高速采集處理；在進(jìn)行視頻顯示時，可以采用Direct Show完成視頻數(shù)據(jù)的處理過程[10]。

Direct Show是Microsoft公司為了簡化流媒體處理而提供的基于Windows平臺的開發(fā)包，與DirectX開發(fā)包一起發(fā)布，為多媒體的捕捉、處理、存儲和回放提供了強(qiáng)有力的支持，直接支持視頻的非線性編輯、與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)據(jù)交換。Direct Show提供的是一種開放式的開發(fā)環(huán)境，用戶可以根據(jù)自己的需要定制自己的組件。

4.2 基于信息融合的光電探測目標(biāo)定位解算

光電載荷除了可以得到目標(biāo)區(qū)域的視頻圖像外，還有目標(biāo)相對于光電載荷基準(zhǔn)軸向的方位角、俯仰角測量值，再利用無人機(jī)平臺的GPS位置和姿態(tài)測量信息，經(jīng)信息融合處理，采用一定的目標(biāo)定位模型算法(如測向交叉定位、最小二乘法、粒子濾波等算法)，可以解算得到目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。

定位解算所需的測量數(shù)據(jù)分別來自無人機(jī)和光電載荷兩個平臺，其中無人機(jī)GPS信息是在大地坐標(biāo)系下得到，光電載荷的角度測量數(shù)據(jù)則是在無人機(jī)坐標(biāo)系下得到，最終的定位結(jié)果如目標(biāo)的經(jīng)度、緯度又需要變換到大地坐標(biāo)系下。因此，信息融合首先要進(jìn)行空間配準(zhǔn)(坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換)[11]。此外，由于無人機(jī)導(dǎo)航、姿態(tài)數(shù)據(jù)和光電載荷數(shù)據(jù)測量頻率不一致，所以在使用數(shù)據(jù)時，還要有一個時間配準(zhǔn)融合過程。

本功能可提供仿真環(huán)境產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或者實際試驗數(shù)據(jù)作為目標(biāo)定位算法的統(tǒng)一輸入，用于開展關(guān)于時空配準(zhǔn)、目標(biāo)定位模型等方面的比較、驗證及分析。

4.3 基于VC＋＋和MATLAB的測量數(shù)據(jù)分析

屏幕所有顯示信息(包括視頻疊加畫面)都可以保存到飛行歷史文件中，用戶可以根據(jù)日期、時間檢索歷史飛行記錄，也可通過飛行歷史回放模式再現(xiàn)無人機(jī)某一次飛行任務(wù)的全過程，方便對無人機(jī)的飛行狀況及任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行分析。

在分析各類數(shù)據(jù)時，通過繪制曲線可以直觀了解數(shù)據(jù)的相關(guān)特性。MATLAB在數(shù)據(jù)處理、繪制實驗曲線方面功能強(qiáng)大，因此方案中利用VC＋＋調(diào)用MATLAB服務(wù)引擎的混合編程[12]方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析。

如圖6所示，給出了利用VC＋＋調(diào)用MATLAB讀取無人機(jī)指揮車的GPS日志文件的結(jié)果，由于過程中指揮車處于?？繝顟B(tài)，因此從中可以分析所使用的GPS設(shè)備的定位精度性能。

圖6 VC＋＋調(diào)用Matlab實現(xiàn)混合編程

5 結(jié)束語

目前，無人機(jī)系統(tǒng)已在情報監(jiān)視與偵察、戰(zhàn)場態(tài)勢評估、通信中繼及電子戰(zhàn)等多個領(lǐng)域開展了廣泛應(yīng)用。作為無人機(jī)系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心，地面站系統(tǒng)實現(xiàn)對無人機(jī)的監(jiān)視、導(dǎo)航、控制和對任務(wù)載荷的操控、探測信息的處理和顯示。本文從教學(xué)培訓(xùn)和科研實驗的角度出發(fā)，提出了一種無人機(jī)綜合實驗系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)方案，能夠模擬無人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的真實工作過程，開展航路任務(wù)規(guī)劃、載荷控制等方面的實際操作，還可滿足對任務(wù)規(guī)劃、目標(biāo)定位及數(shù)據(jù)融合等相關(guān)算法的分析和驗證。

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