半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器設(shè)計(jì)

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（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003）

半實(shí)物；無(wú)人機(jī)；天線控制系統(tǒng)；模擬器

0 引言

無(wú)人化是當(dāng)今高技術(shù)、信息化戰(zhàn)場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)之一，無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)感知、通信中繼、目標(biāo)定位、精確打擊和毀傷評(píng)估方面的作用尤為突出。目前，在無(wú)人機(jī)教學(xué)中存在一些問(wèn)題，影響了教學(xué)的效率。例如，無(wú)人機(jī)地面天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天線體及天線座的體積較大，需要空間展開(kāi)，并且需要多席位協(xié)同操作，因此操作訓(xùn)練只能在室外，受天氣、場(chǎng)地、人員等條件的限制。加之無(wú)人機(jī)裝備價(jià)格昂貴、配裝少，但學(xué)員人數(shù)多，導(dǎo)致學(xué)員課上裝備摸得少，課下裝備摸不著，學(xué)習(xí)訓(xùn)練效率低。針對(duì)這一問(wèn)題，本文實(shí)現(xiàn)了實(shí)物天線控制柜對(duì)虛擬天線的控制，并及時(shí)返回控制數(shù)據(jù)，采用Unity3D軟件對(duì)地面天線進(jìn)行仿真建模，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)天線控制柜控制指令與虛擬天線動(dòng)作的交互。利用該半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器進(jìn)行教學(xué)，方便學(xué)員單人練習(xí)和課下自學(xué)。

1 半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器總體設(shè)計(jì)

半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器組成包括虛擬天線軟件和實(shí)物天線控制柜。以無(wú)人機(jī)地面天線實(shí)物為原型，利用建模軟件構(gòu)建虛擬天線三維模型，然后將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬天線對(duì)實(shí)物天線控制柜操作指令的響應(yīng)與信息反饋。

1.1 半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)流程

半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)流程分為實(shí)物天線控制柜操作指令數(shù)據(jù)發(fā)送流程、虛擬天線反饋數(shù)據(jù)接收流程，如圖1所示。

圖1 操作指令數(shù)據(jù)發(fā)送和反饋數(shù)據(jù)接收流程

1.2 半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器虛擬天線設(shè)計(jì)

半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器虛擬天線采用Unity3D軟件實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

為了使虛擬天線能夠完全模擬實(shí)物天線的所有操作動(dòng)作，我們構(gòu)建模型時(shí)盡量細(xì)化，按照操作動(dòng)作邏輯打包父子關(guān)系，如圖3所示。

圖2 虛擬天線

（1）虛擬天線軟件接收數(shù)據(jù)

點(diǎn)擊這8個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕發(fā)送相關(guān)指令，經(jīng)RS-232串口送入虛擬天線軟件中進(jìn)行處理，其接收數(shù)據(jù)格式為：數(shù)據(jù)為16進(jìn)制，每幀數(shù)據(jù)5個(gè)字節(jié)，每字節(jié)8位。第一字節(jié)（RecvData[0]）7E 幀頭；第二字節(jié)（RecvData[2]）為操縱臺(tái)上按鈕的數(shù)據(jù)接收；第三字節(jié)（RecvData[3]）為方位數(shù)據(jù)；第四字節(jié)（RecvData[4]）為俯仰數(shù)據(jù)；第五字節(jié)(RecvData[5])FF幀尾。如表1所示：

表1 虛擬天線軟件接收數(shù)據(jù)的字節(jié)表

圖3 虛擬天線模型的父子關(guān)系

2 虛擬天線與實(shí)物天線控制柜的數(shù)據(jù)交互

要實(shí)現(xiàn)虛擬天線與實(shí)物天線控制柜的數(shù)據(jù)交互，就要實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收、處理與發(fā)送。

2.1 操縱臺(tái)上開(kāi)關(guān)按鈕與虛擬天線軟件的交互

實(shí)物操縱臺(tái)上設(shè)有8個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕，每個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕都有相應(yīng)的指示燈。點(diǎn)擊這些開(kāi)關(guān)按鈕發(fā)送相關(guān)指令，經(jīng)RS-232串口送入虛擬天線軟件進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理后的信號(hào)經(jīng)RS-232串口返回操縱臺(tái)，使面板上相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，顯示該時(shí)刻虛擬天線的方位和俯仰數(shù)據(jù)，具體工作流程如圖4所示。

串口接收時(shí)要對(duì)幀頭、幀尾進(jìn)行判斷，如果判斷接收的數(shù)據(jù)幀頭和幀尾分別為十六進(jìn)制的7E和FF，則判斷為有效幀。若為有效幀，則分別讀取第二字節(jié)、第三字節(jié)和第四字節(jié)的數(shù)據(jù)。

（2）虛擬天線軟件發(fā)送數(shù)據(jù)

虛擬天線軟件對(duì)操縱臺(tái)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)格式為：數(shù)據(jù)為16進(jìn)制，每幀數(shù)據(jù)10個(gè)字節(jié)（從byteSend[0]到byteSend[9]），每字節(jié) 8 位。第一字節(jié)（byteSend[0]）和第二字節(jié)（byteSend[1]）為幀頭；第三字節(jié)（byteSend[2]）為向操縱臺(tái)上8個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕的反饋數(shù)據(jù)；第四字節(jié)（by?teSend[3]）控制俯仰數(shù)據(jù)低8位的數(shù)碼顯示；第五字節(jié)（byteSend[4]）控制俯仰數(shù)據(jù)高8位的數(shù)碼顯示；第六字節(jié)（byteSend[5]）控制方位數(shù)據(jù)低8位的數(shù)碼顯示；第七字節(jié)（byteSend[6]）控制方位數(shù)據(jù)高8位的數(shù)碼顯示；第八字節(jié)（byteSend[7]）控制“高限”、“低限”指示燈的亮滅；第九字節(jié)（byteSend[8]）為開(kāi)關(guān)按鈕的反饋數(shù)據(jù)；第十字節(jié)（byteSend[9]）為校驗(yàn)和。如表2所示。

表2 虛擬天線軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)表

圖4 8個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕與虛擬天線軟件交互的流程圖

串口發(fā)送時(shí)要對(duì)幀頭（byteSend[0]=0xEB和byte?Send[1]=0x90）、幀尾的校驗(yàn)位進(jìn)行判斷，如果判斷接收的數(shù)據(jù)幀頭和幀尾分別為十六進(jìn)制的byteSend[0]=0xEB、byteSend[1]=0x90和byteSend[9]校驗(yàn)和正確，則判斷為有效幀。若為有效幀，則分別讀取第三字節(jié)、第四字節(jié)、第五字節(jié)、第六字節(jié)、第七字節(jié)、第八字節(jié)和第九字節(jié)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)按下操縱臺(tái)上的8個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，軟件會(huì)接收五位幀結(jié)構(gòu)串口數(shù)據(jù)中的第二位，處理后軟件會(huì)發(fā)送十位幀結(jié)構(gòu)中的第三位和第九位，使相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮。具體例程如下：

if(RecvData[0]==0x96)

{

byteSend[2]=0x90;

byteSend[8]=0x00;

ComSend();

}

if(RecvData[0]==0x95)

{

byteSend[2]=0x30;

byteSend[8]=0x00;

ComSend();

}

2.2 操縱臺(tái)上 2個(gè)天線控制旋鈕開(kāi)關(guān)與虛擬天線軟件的交互

操縱臺(tái)上2個(gè)天線控制旋鈕開(kāi)關(guān)，即方位控制手輪和俯仰控制手輪，旋轉(zhuǎn)手輪發(fā)送相應(yīng)控制指令，經(jīng)RS-232串口送入虛擬天線軟件處理，處理后的信號(hào)經(jīng)RS-232串口返回操縱臺(tái)，控制面板的數(shù)碼管顯示器和“高限”、“低限”指示燈，具體流程如圖5所示：

（1）虛擬天線軟件接收串口信息

在接收數(shù)據(jù)的五個(gè)字節(jié)幀結(jié)構(gòu)中，第三字節(jié)（RecvData[3]）為方位數(shù)據(jù)，第四字節(jié)（RecvData[4]）為俯仰數(shù)據(jù)。第三位的方位數(shù)據(jù)范圍為00～FF，以80為中間值，操縱方位手輪可以使天線方位順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)天線方位順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)取值范圍為80～FF，當(dāng)天線方位逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)取值范圍為00～80。第四位俯仰數(shù)據(jù)范圍為00～FF，以80為中間值，操縱俯仰手輪可以使天線俯仰向抬頭向轉(zhuǎn)動(dòng)和向低頭向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)天線俯仰向抬頭向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)取值范圍為80～FF，當(dāng)天線俯仰向低頭向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)取值范圍為00～80。此外，方位和俯仰數(shù)據(jù)在單位時(shí)間內(nèi)（串口一幀數(shù)據(jù)的通訊時(shí)間）的增量大小反映了天線轉(zhuǎn)速的大小，數(shù)據(jù)增速越大，表示天線轉(zhuǎn)速越快。

以天線面向屏幕為方位0度，水平為俯仰0度，將數(shù)據(jù)增量累加得到天線的角度數(shù)據(jù)，方位角0～360度，俯仰角-8(352)～+86.8度。方位上連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)（N圈），俯仰上只在-8(352)～+86.8度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。例程如下：

if(bXz==0x00||bXz==0x80)//不旋轉(zhuǎn)

fXzRate=0.0f;

else if(bXz＞ 0x80)//順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

fXzRate=0.5f*((float)bXz-128.0f)/128.0f;

else if(bXz＜0x80)//逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，正好為0x80時(shí)不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)

fXzRate=((float)bXz-0.0f)/128.0f*(-1.0f);if(bFy==0x00||bFy==0x80)//不俯仰

fFyRate=0.0f;

else if(bFy＞0x80)//抬頭向旋轉(zhuǎn)

fFyRate=0.5f*((float)bFy-128.0f)/128.0f;else if(bFy＜0x80)//低頭向旋轉(zhuǎn)

fFyRate=((float)bFy-0.0f)/128.0f*(-1.0f);

（2）虛擬天線軟件發(fā)送串口信息

在虛擬天線軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的十個(gè)字節(jié)的幀結(jié)構(gòu)中，第四字節(jié)（byteSend[3]）為俯仰數(shù)據(jù)低8位，第五字節(jié)（byteSend[4]）為俯仰數(shù)據(jù)高 8位，第六字節(jié)（byte?Send[5]）為方位數(shù)據(jù)低 8 位，第七字節(jié)（byteSend[6]）為方位數(shù)據(jù)高8位。用于控制操縱臺(tái)數(shù)碼管顯示此刻虛擬天線的方位、俯仰信息，使數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)隨虛擬天線位置的變化而變化。

圖5 8個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕與虛擬天線軟件交互的流程圖

（3）控制高限、低限指示燈亮滅

當(dāng)旋轉(zhuǎn)方位手輪時(shí)，會(huì)使天線繞z軸旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度減小，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度增加。方位旋轉(zhuǎn)角度為0～360度；當(dāng)旋轉(zhuǎn)俯仰手輪時(shí)，會(huì)使天線繞x軸旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度減小，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度增加，俯仰旋轉(zhuǎn)角度為-8～86.8度。

當(dāng)虛擬天線俯仰角度達(dá)到小于86.8度并且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)俯仰手輪時(shí)，軟件會(huì)發(fā)送天線位置的串口信息，控制數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示隨虛擬天線的變化而變化。當(dāng)俯仰角度達(dá)到86.8度并且繼續(xù)俯仰旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)軟件發(fā)送高限指令（byteSend[7]=0x33），控制高限指示燈點(diǎn)亮，控制數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示定格在86.8度。同理，當(dāng)虛擬天線俯仰角度達(dá)到-8度并且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)俯仰手輪時(shí)，會(huì)觸發(fā)軟件發(fā)送低限指令（byteSend[7]=0x66），使低限指示燈亮，控制數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示定格在-8度。如果角度沒(méi)有達(dá)到-8度或者86.8度，軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的第七字節(jié)（byteSend[7]=0x00）會(huì)清零，控制高限或者低限的指示燈熄滅。

3 系統(tǒng)操作性能測(cè)試

系統(tǒng)操作性能測(cè)試主要包括操縱臺(tái)按鈕開(kāi)關(guān)和指示燈對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)試、天線手輪和虛擬天線轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系的測(cè)試。采用串口調(diào)試助手觀察數(shù)據(jù)的通斷、變化等情況，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)測(cè)試串口調(diào)試助手界面

3.1 操縱臺(tái)按鈕開(kāi)關(guān)和指示燈對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)試

當(dāng)按下操縱臺(tái)的按鈕開(kāi)關(guān)時(shí)，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，依次測(cè)試操縱臺(tái)上8個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)和8個(gè)指示燈之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，當(dāng)按下操縱臺(tái)俯仰“手輪控制”按鈕開(kāi)關(guān)時(shí)，俯仰“手輪控制”指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)虛擬天線俯仰受俯仰手輪控制。

3.2 天線手輪的測(cè)試

當(dāng)手動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方位手輪，虛擬天線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操縱臺(tái)上方位數(shù)碼管顯示的天線位置信息不斷變??；當(dāng)手動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方位手輪，虛擬天線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操縱臺(tái)上方位數(shù)碼管顯示的天線位置信息不斷變大，方位旋轉(zhuǎn)角度范圍為0～360度；當(dāng)手動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)俯仰手輪，虛擬天線向低頭向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操縱臺(tái)上俯仰數(shù)碼管顯示的天線位置信息不斷變??；當(dāng)手動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)俯仰手輪，虛擬天線向抬頭向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操縱臺(tái)上俯仰數(shù)碼管顯示的天線位置信息不斷變大，俯仰旋轉(zhuǎn)角度范圍為-8～86.8度。旋轉(zhuǎn)手輪直至超過(guò)虛擬天線的俯仰旋轉(zhuǎn)角度范圍時(shí)，會(huì)觸發(fā)高、低限指示燈點(diǎn)亮，角度不再變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了半實(shí)物無(wú)人機(jī)天線控制系統(tǒng)模擬器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)物天線控制組合與虛擬天線軟件的交互，解決了實(shí)物天線架設(shè)困難和場(chǎng)地約束的問(wèn)題，可以在室內(nèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)。本系統(tǒng)在從天線手輪切換到操縱臺(tái)其他按鈕的過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不靈敏的情況，原因在于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理不及時(shí)，響應(yīng)速度慢，今后會(huì)加以改善。

圖7 虛擬天線測(cè)試圖