無人機控制站通用軟件平臺設(shè)計*

陳翔宇1，楊紅生

(1.解放軍92419部隊，遼寧 葫蘆島 125106；2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

無人機系統(tǒng)的指揮控制由位于飛行平臺上的機載控制單元和位于控制站的相關(guān)指控單元共同完成，機站控制單元之間數(shù)據(jù)交互是通過通信鏈路實現(xiàn)。其中，控制站是無人機系統(tǒng)指揮控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，按載體不同可分為固定式、車載式、艦載式、機載式、便攜式，主要完成對無人機的飛行控制、載荷控制、鏈路控制、任務(wù)規(guī)劃、航跡顯示、載荷信息處理及顯示等功能[1]。

隨著無人機應(yīng)用越來越廣泛，控制站與無人機無法互聯(lián)互通、不同控制站的對外接口無統(tǒng)一標準導(dǎo)致的無法實現(xiàn)不同信息網(wǎng)絡(luò)之間的信息共享和互通互聯(lián)等問題愈發(fā)突出。無人機系統(tǒng)要具備互聯(lián)、互通、互操作能力，除具備互聯(lián)互通特征的無人機測控鏈以外，標準的、規(guī)范的、通用的控制站成為提升無人機系統(tǒng)互操作能力的關(guān)鍵，其通用化已經(jīng)是無人機系統(tǒng)的重要需求，并且受到世界各軍事強國的普遍關(guān)注和重視。

在國外，為了解決互聯(lián)互通的問題，美國海軍啟動了戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)(Tactical Control System，TCS)項目，目標是研制出一種通用無人機任務(wù)控制系統(tǒng)，完成計劃制定、指揮控制、偵察數(shù)據(jù)接收與分發(fā)，實現(xiàn)無人機在各軍種地面站間的無縫連接。TCS項目的概念也從海軍推廣到美國海陸空三軍，并促成了無人機控制系統(tǒng)標準接口——STANAG 4586[2-4]。該標準已經(jīng)在眾多無人機項目中進行了實現(xiàn)，典型的有美國Lockheed Martin公司研制的VCS-4586系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于RQ-7B Shadow、Boeing ScanEagle、Aurora Flight Sciences GoldenEye80、General Atomics Aeronautical Systems MQ-1C Sky Warrior、Meggitt Training Systems Barracuda、Hammerhead and Vindicator、Northrop Grumman MQ-5B Hunter 等許多系統(tǒng)中[5]；AAI公司研制的通用地面控制站系統(tǒng)，已經(jīng)成功地用于“影子”“灰鷹”和“獵手”無人機；以色列Elbit公司研制的通用地面控制站系統(tǒng)，可以控制Hermes系列的所有型號無人機。

在國內(nèi)，無機地面控制站基本上都是基于專用的硬件平臺和軟件模塊，多數(shù)無法實現(xiàn)與不同型號無人機互聯(lián)互通。只有部分同類型的無人機，所采用的地面測控終端相同，地面控制站的數(shù)據(jù)處理機顯控需求也相同，實現(xiàn)了地面控制站與幾型無人機之間的互聯(lián)互通，但尚未形成類似北約STANAG 4586的標準。

實現(xiàn)無人機控制站與不同型號無人機互聯(lián)互通，除了通用的硬件平臺外，核心是通用的軟件平臺。在沒有類似STANAG 4586標準制定的地面控制軟件對外標準數(shù)據(jù)交換接口、人機接口的情況下，通過實現(xiàn)無人機控制軟件的通用性、擴展性、靈活性，通過軟件配置來滿足與不同型號無人機互聯(lián)互通的需求是一個解決辦法。本文在梳理無人機控制站國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了無人機控制站的軟件設(shè)計需求，提出采用平臺+插件的無人機控制站軟件架構(gòu)，并對實現(xiàn)通用軟件平臺的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究分析。

2 通用無人機控制站軟件設(shè)計需求

這里主要是針對人機交互的顯控軟件架構(gòu)進行設(shè)計需求分析，不涉及后臺任務(wù)規(guī)劃、資源管理、鏈路管理、數(shù)據(jù)處理等處理算法與邏輯。

(1)通用性

設(shè)計通用無人機控制軟件，不僅要考慮兼容現(xiàn)有的無人機系統(tǒng)，而且還要用于將來新建的無人機系統(tǒng)，每型無人機的飛控、任務(wù)載荷可能都有區(qū)別，使得系統(tǒng)的遙測遙控信息幀格式、參數(shù)信息的內(nèi)容、格式等都可能不同，信息顯示的要求也不同，所以進行軟件設(shè)計時需要重點考慮軟件的通用性，以滿足不同型號無人機的需求。

(2)擴展性

考慮適用于將來新建無人機系統(tǒng)，需求具有一定的未知性，有可能將來新建的無人機系統(tǒng)有某些特殊需求目前設(shè)計時無法考慮，所以系統(tǒng)必須具有擴展性，可以通過更換或增加某些功能模塊的方式，方便對系統(tǒng)的功能進行擴展。

(3)配置靈活性

每型無人機的信息幀格式、參數(shù)內(nèi)容等都可能不同，軟件需要能夠通過修改配置進行設(shè)置，適應(yīng)不同型號無人機的要求；各個型號無人機的軟件界面顯示內(nèi)容和要求不同，通過配置可以靈活設(shè)置每個區(qū)域顯示信息的內(nèi)容和顯示方式，各個顯示區(qū)域的尺寸也必須可以根據(jù)需要進行調(diào)整，用戶可以通過修改配置的方式進行軟件界面定制。

(4)分布式部署

無人機控制站有多種形式，包括固定站、車載站、艦載站、機載站、便攜站，不同形式的控制站硬件布局及顯示器的數(shù)量、尺寸等都可能存在差異，通用軟件平臺必須具有分布式部署能力，通過修改配置的方式進行靈活部署，能適應(yīng)不同類型控制站的硬件布局及顯示器?？梢愿鶕?jù)無人機平臺的控制需求，將所有功能綜合到一個綜合化軟件中，也可以分布式地將功能分配在幾個獨立的軟件中任意部署。

(5)操作一致性

操作人員需要使用該系統(tǒng)控制不同型號的無人機，為了提高該系統(tǒng)的使用操作性，降低對操作人員的培訓(xùn)難度，進行軟件交互界面設(shè)計時考慮不同型號、類型的需求，使該系統(tǒng)對不同類型、不同型號無人機和機載設(shè)備進行操作時保持操作方式和形式的基本一致性。

3 無人機控制站通用軟件平臺架構(gòu)

本文提出一種采用通用平臺+功能插件的軟件架構(gòu)，如圖1所示。可以按照完成的功能將軟件分為基礎(chǔ)層、組件層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和表示層。

圖1 通用軟件平臺架構(gòu)Fig.1 Common software platform architecture

各層的具體功能如下：

(1)基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層是由第三方軟件廠商提供的管理和服務(wù)性軟件，是最底層軟件，為上層應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Qt庫等。

(2)組件層

組件層是為上層服務(wù)提供支持的細粒度公共組件，組件層各個模塊都以動態(tài)庫的形式存在，供表示層、業(yè)務(wù)層調(diào)用，它們不會被插件框架直接識別和加載，不需要實現(xiàn)插件標準接口。公用組件層的模塊有通用性，不需要修改就可以直接使用。

(3)基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層即插件框架，插件框架是實現(xiàn)模塊化、插件式編程的關(guān)鍵，它負責(zé)表示層、業(yè)務(wù)層各個插件模塊的自動加載，以及表示層、業(yè)務(wù)層各個插件模塊之間的信息交互?？蚣苁侨舾瑟毩⒌?、成熟的軟件模塊，以動態(tài)庫的形式存在，不需要修改就可以直接應(yīng)用于各個項目。

(4)業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層用于實現(xiàn)各類應(yīng)用中業(yè)務(wù)功能的插件模塊的集合，例如日志管理、配置管理、用戶管理等，每個模塊實現(xiàn)一個獨立的常用功能。與組件層模塊的區(qū)別是，業(yè)務(wù)層能夠被插件框架直接識別和加載，通過服務(wù)的方式為需要的模塊提供相應(yīng)的功能?？梢酝ㄟ^升級更新業(yè)務(wù)模塊或增加業(yè)務(wù)模塊的方式，方便地對系統(tǒng)的功能進行升級和擴展。

(5)表示層

表示層是各種人機交互相關(guān)的軟件界面功能插件的集合，表示層模塊共同協(xié)作，以友好的方式向操作員提供系統(tǒng)的人機界面。表示層與業(yè)務(wù)層之間通過基礎(chǔ)服務(wù)層進行信息交互，而不是直接進行交互，以減少模塊之間的耦合性?？梢酝ㄟ^升級更新表示層模塊或增加表示層模塊的方式，方便地對系統(tǒng)的人機交互界面進行升級擴展。

基于通用平臺+功能插件的軟件架構(gòu)具有以下優(yōu)點：

(1)規(guī)范的模塊化框架

通過規(guī)范的架構(gòu)，軟件開發(fā)工程師可以更加關(guān)注與業(yè)務(wù)結(jié)合，而無需考慮底層邏輯與實現(xiàn)，徹底解放了系統(tǒng)設(shè)計師，可以方便靈活地開發(fā)多型號無人機控制軟件，而且由于該架構(gòu)采用微內(nèi)核機制，又可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效。

(2)顯著提升系統(tǒng)的設(shè)計能力

采用標準的軟件架構(gòu)，更加規(guī)范地讓設(shè)計師去完成系統(tǒng)設(shè)計工作，更加容易先分模塊設(shè)計業(yè)務(wù)架構(gòu)，后進行模塊詳細設(shè)計。所有設(shè)計師都基于一種框架設(shè)計，保證了系統(tǒng)的通用性和可靠性。

(3)實現(xiàn)了動態(tài)可管理的系統(tǒng)(即插即用)

基于該架構(gòu)開發(fā)的系統(tǒng)功能模塊可以動態(tài)加載或者卸載，而系統(tǒng)本身無需停止，還可以通過遠程管理工具進行功能模塊的遠程安裝、啟動、停止和卸載模塊。

(4)系統(tǒng)維護成本大大降低

由于該架構(gòu)開發(fā)的系統(tǒng)模塊具有嚴格意義上的模塊化，相對于傳統(tǒng)開發(fā)方式，系統(tǒng)模塊的組織、復(fù)用和擴展變得容易，也簡化了模塊的測試。當(dāng)一個系統(tǒng)功能需要修改或者發(fā)現(xiàn)bug時，開發(fā)人員只需要修改或者重新編譯他自己的功能模塊，模塊之間沒有耦合，互不影響，這可以大大降低系統(tǒng)的維護成本。開發(fā)新功能也是一個“獨立”的模塊，部署只需拷貝到指定目錄，系統(tǒng)即可擁有新功能。

(5)系統(tǒng)的擴展性增強

不僅開發(fā)方可以通過升級、替換或增加插件模塊的方式動態(tài)地對系統(tǒng)進行擴展，第三方公司也可以遵循規(guī)范開發(fā)插件對系統(tǒng)功能進行擴展。

通過該軟件架構(gòu)，可以實現(xiàn)一個通用的軟件平臺，將各型無人機所需要的人機接口都設(shè)計為插件的形式，新的顯控功能、新的人機功效設(shè)計都可以靈活擴展，軟件界面可以按需定制，也可以實現(xiàn)軟件功能根據(jù)不同無人機控制站需求及硬件配置靈活部署，滿足對無人機控制站的通用性、擴展性、配置靈活性、分布式、人機功效等設(shè)計需要。

4 關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)無人機控制站軟件通用，從軟件實現(xiàn)層面主要涉及兩個方面，一是與傳輸不同數(shù)據(jù)的地面測控終端之間通信協(xié)議適配及對數(shù)據(jù)的組包與解析，二是與不同型號無人機顯控及數(shù)據(jù)處理需求之間適配。針對通信協(xié)議匹配問題，傳統(tǒng)的做法是在地面數(shù)據(jù)終端與無人機控制站軟件之間傳輸協(xié)議不匹配時，設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換插件或制定專用協(xié)議對控制站軟件進行修改。針對不同型號無人機顯控及數(shù)據(jù)處理需求，傳統(tǒng)的做法是針對每型無人機研制專用軟件，或采用軟件中間件技術(shù)，并將類似軟件功能盡量采用相同設(shè)計，將有區(qū)別的地方采用專用插件進行軟件升級，但仍是離線提前研制的形式[6-7]。

針對上述問題，本文提出采用通用平臺+功能插件軟件的通用架構(gòu)，基本原理是在通用架構(gòu)的基礎(chǔ)上采用XML技術(shù)進行幀格式信息和參數(shù)信息描述、動態(tài)報文解析及組包，以便與地面測控終端之間進行適配；并基于插件技術(shù)，將軟件功能插件化設(shè)計，支持用戶自定義軟件加載的功能插件。同時，提出專用軟件編輯工具，在通用控制軟件研制完成之后，用戶利用該工具可現(xiàn)場自定義軟件的通信協(xié)議、軟件界面布局及顯控功能。

4.1 通用平臺+功能插件軟件架構(gòu)

基于該框架開發(fā)的軟件由平臺和功能擴展插件組成。平臺主要完成核心和基礎(chǔ)的功能，具有通用性，同時平臺需要完成插件的自動識別、加載、運行和管理，同時完成各個插件模塊之間的自動數(shù)據(jù)交互，具有高效、靈活、通用、開放的特點。所有的擴展業(yè)務(wù)功能都在插件模塊中實現(xiàn)，包括與地面數(shù)據(jù)終端之間、與指揮所之間的通信功能，飛行管控、載荷管控、鏈路管控等，每個插件都是一個獨立的動態(tài)庫，可以獨立開發(fā)、測試、部署，不同軟件配置項中相同的業(yè)務(wù)功能模塊可以由同一個通用插件來實現(xiàn)。

采用該框架后，系統(tǒng)中的大多數(shù)功能模塊都是由通用插件來完成。

4.2 基于XML技術(shù)的幀格式信息和參數(shù)信息描述

不同型號的無人機，所包含的參數(shù)信息是不同的，例如固定翼無人機和旋翼無人機，所涉及的參數(shù)名稱、類型、個數(shù)等都不相同；若無人機搭載的任務(wù)載荷不同，與載荷相關(guān)的參數(shù)信息也不同。在軟件內(nèi)部，采用XML對參數(shù)信息進行描述，每個參數(shù)的描述信息包括名稱、數(shù)據(jù)類型、顯示類型、范圍、量化、步進、單位等。軟件內(nèi)部所有的顯示、處理、存儲等全部基于此描述信息進行設(shè)計。

用戶可以通過修改XML參數(shù)描述信息來適應(yīng)系統(tǒng)中參數(shù)的增加、刪除、修改等，以及參數(shù)屬性的變化，使軟件平臺能自動適應(yīng)不同型號的飛機、不同型號的任務(wù)載荷等。

4.3 動態(tài)報文解析及組包

通常，控制站需要與地面測控終端、上級指揮所等進行信息交換，針對不同型號的無人機，每個信息交換接口傳輸?shù)男畔袷蕉伎赡懿槐M相同，采用XML對通信協(xié)議和通信信息幀格式進行描述。軟件啟動時根據(jù)XML中描述的通信協(xié)議信息設(shè)定通信參數(shù)。任務(wù)過程中根據(jù)XML描述的幀格式信息對接收到的信息幀進行動態(tài)報文解析處理；發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)XML描述的幀格式信息動態(tài)組包，生成發(fā)送信息。

用戶可以通過修改XML通信協(xié)議和通信信息幀格式描述信息來適應(yīng)通信協(xié)議和信息幀格式的變化，滿足不同型號無人機的需求，實現(xiàn)系統(tǒng)的通用性要求。

4.4 軟件界面定制

針對不同型號無人機，為了保持好的操作一致性，降低對無人機操作使用人員的培訓(xùn)周期和費用，需要軟件界面風(fēng)格的一致，并針對不同型號的差異保證用戶可進行適當(dāng)?shù)能浖缑娑ㄖ?。由于軟件采用通用平臺+功能插件的軟件框架，可以將軟件界面按照功能區(qū)域劃分為若干個功能模塊，每個功能模塊由一個插件完成。每個插件攜帶自己的XML配置信息，用于配置該界面功能區(qū)域具體顯示的數(shù)據(jù)信息，用戶可根據(jù)不同型號無人機的需要增減顯示的信息，配置每個參數(shù)信息的具體顯示方式，例如采用數(shù)字儀表顯示、圖文顯示還是文本顯示等。

用戶通過修改軟件界面模塊的顯示配置XML信息，就可以根據(jù)需要進行軟件界面定制功能，增加了系統(tǒng)的通用性和靈活性，可以滿足不同型號無人機的需求。

4.5 軟件編輯工具

在上述設(shè)計的基礎(chǔ)上，為提高無人機控制站軟件針對不同型號差異進行軟件配置的便利性，設(shè)計了軟件編輯工具。該軟件是采用類似LabView圖形化編程的應(yīng)用方式，軟件針對飛行管控、鏈路管控、載荷管控等對不同的功能板塊，分別開發(fā)了各類型無人機所需要的常用顯控插件作為插件庫，用戶根據(jù)不同無人機型號的需求，可以現(xiàn)場在該軟件中對各功能區(qū)所需顯控的內(nèi)容、界面布局進行類似Visio畫圖設(shè)計(在插件區(qū)選擇插件、在布局區(qū)進行布局設(shè)計、在參數(shù)區(qū)進行參數(shù)配置)，并對通信插件的參數(shù)(包括信息幀格式、信息幀長度、參數(shù)定義、參數(shù)字段類型、參數(shù)字節(jié)長度等)、各顯控插件的參數(shù)(包括插件的顯示尺寸、顏色等顯示參數(shù)，顯示數(shù)據(jù)的類型、范圍信息等)進行配置，就可以生成相匹配的控制軟件，配置保存之后，后續(xù)可以直接使用，無需再次編輯。所設(shè)計的軟件界面如圖2和圖3所示。

圖3 傳輸幀編輯Fig.3 Transmission frame editing

5 應(yīng)用驗證

經(jīng)多型無人機在車載站、便攜站的實際工程驗證，本文所設(shè)計軟件平臺，通過軟件編輯工具對軟件顯控功能、傳輸幀參數(shù)進行配置，能夠解決控制軟件與不同型號無人機的需求匹配問題，實現(xiàn)無人機控制站與不同型號無人能互聯(lián)互通。

針對兩型無人機不同的飛行控制軟件顯控需求、傳輸幀的需求，采用本文所設(shè)計的軟件平臺，利用軟件編輯工具配置出的飛行控制軟件如圖4所示。

(a)飛行控制軟件型號1

(b)飛行控制軟件型號2圖4 飛行控制軟件Fig.4 Flight control software

6 結(jié)束語

本文所提的軟件架構(gòu)可以實現(xiàn)飛控管控、載荷管控、鏈路管控、任務(wù)規(guī)劃及航跡顯示等功能，這些功能可以根據(jù)不同類型控制站的需要，配置分布在幾個獨立的軟件中，也可以配置為幾個功能集中在一個軟件中，并實現(xiàn)地面控制軟件對外數(shù)據(jù)傳輸信息幀格式靈活可配，人機接口功能具有通用性、擴展性、界面可定制、靈活部署于不同形式的控制站等能力，以滿足無人機控制站與不同型號無人機能互聯(lián)互通的需求。

為解決多型無人機控制需求，基于本文所提軟件架構(gòu)設(shè)計的無人機控制軟件平臺及配套設(shè)計有軟件編輯工具，已經(jīng)在工程上的車載站和便攜站實現(xiàn)了對多型無人機的控制，帶來了巨大的效益。