UAV地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王巍 朱天宇 黃志剛 王孟 張帥

摘要：地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在UAV自主導(dǎo)航與多設(shè)備協(xié)同通信中充當(dāng)著重要的角色，監(jiān)測(cè)站可完成對(duì)UAV的飛行姿態(tài)、參數(shù)調(diào)整、信息獲取以及航線的手動(dòng)規(guī)劃。本文提出一套適用于UAV自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)站，該系統(tǒng)包括UAV基礎(chǔ)參數(shù)監(jiān)測(cè)、編隊(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、圖像數(shù)據(jù)接入等功能，依托數(shù)字信號(hào)傳輸設(shè)備與數(shù)字圖像傳輸設(shè)備完成地面戰(zhàn)與UAV的實(shí)時(shí)通信。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)可滿足UAV在自主導(dǎo)航時(shí)的信息監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：UAV地面監(jiān)測(cè)站;參數(shù)監(jiān)測(cè);自動(dòng)導(dǎo)航;實(shí)時(shí)通信

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）19-0026-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 背景

UAV的靈活性、易操作等特點(diǎn)使之在農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，針對(duì)不同工作環(huán)境的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)配置相對(duì)屬性的UAV地面監(jiān)測(cè)站。無(wú)人機(jī)的小型化發(fā)展，造價(jià)成本越來(lái)越低，以及可控性越來(lái)越好，無(wú)人機(jī)在公共和民用上的應(yīng)用也越來(lái)越多[1]。無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)及機(jī)載傳感設(shè)備信息通過(guò)地面站獲取，操作手可通過(guò)地面站在完成無(wú)人機(jī)的傳感器矯正以及姿態(tài)控制等航跡規(guī)劃_T作，航跡規(guī)劃（tra-jectory planning）是指在初始狀態(tài)、任務(wù)目標(biāo)、威脅區(qū)和一些已知環(huán)境信息的情況下獲得性能最優(yōu)的規(guī)劃問(wèn)題，是任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。因此，UAV地面監(jiān)測(cè)站在無(wú)人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中充當(dāng)著重要的角色。

常用的UAV監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要構(gòu)成由下圖1所示，空中部分由無(wú)人機(jī)搭載無(wú)線傳輸設(shè)備以及供電部分組成，地面監(jiān)測(cè)終端由地面站可視化終端、信息傳輸服務(wù)器組成。無(wú)人機(jī)由UVA集群組成，機(jī)載視覺(jué)、激光雷達(dá)等設(shè)備;地面站在無(wú)人機(jī)的控制與協(xié)同通信的信息中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)完成對(duì)無(wú)人機(jī)集群的控制以及信息的管控，旋翼無(wú)人機(jī)的近地面空間應(yīng)急物聯(lián)網(wǎng)在缺少地面基站和能量受限的情況下，可靠節(jié)能地遠(yuǎn)距離傳輸重點(diǎn)區(qū)域全信息的要求，需要地面監(jiān)測(cè)端與無(wú)人機(jī)集群的協(xié)同通信[3];服務(wù)端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集與存儲(chǔ)，部分?jǐn)?shù)據(jù)處理過(guò)程再服務(wù)端中進(jìn)行。

2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

UAV地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、分析層以及可視化界面三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)接收并管理無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)與采集數(shù)據(jù)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn);分析層進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與傳輸，地面站通過(guò)數(shù)傳與數(shù)字圖傳與無(wú)人機(jī)通信，整體數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)調(diào)與控制由分析層處理;可視化界面依托Qt完成主從窗體以及控件的設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由人員信息管理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無(wú)人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、圖像與機(jī)載傳感信息顯示模塊四部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示。

1）人員信息管理模塊。人員信息登錄模塊負(fù)責(zé)管理用戶信息數(shù)據(jù)，依據(jù)不同權(quán)限顯示相應(yīng)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，例如最高管理員權(quán)限可查看無(wú)人機(jī)建圖狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)模塊。用于存儲(chǔ)登錄用戶的信、編隊(duì)狀態(tài)參數(shù)以及無(wú)人機(jī)的傳感參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，并可保存激光雷達(dá)與視覺(jué)相機(jī)建圖的pcd點(diǎn)云文件。

3）無(wú)人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。負(fù)責(zé)顯示無(wú)人機(jī)飛控搭載的IMU、氣壓機(jī)以及羅盤的相對(duì)信息，操作人員可依據(jù)地面站顯示的狀態(tài)參數(shù)完成無(wú)人機(jī)的手動(dòng)控制與任務(wù)部署。

4）圖像與機(jī)載傳感信息顯示模塊。完成無(wú)人機(jī)的視頻信息可視化，實(shí)時(shí)展示在飛行過(guò)程中2D圖像中元素的識(shí)別以及3D點(diǎn)云地圖的構(gòu)建過(guò)程。

2.2 客戶端可視化設(shè)計(jì)

客戶端可視化通過(guò)Qt進(jìn)行GUI設(shè)計(jì)，使用Qt以及第三方控件進(jìn)行GUI以及數(shù)據(jù)讀寫開(kāi)發(fā)，Qtopia Core是挪威Trolltech公司發(fā)布的一款基于嵌入式Linux的面向單一應(yīng)用的嵌入式產(chǎn)品的Qt開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的前身是Qt/Embedded（常簡(jiǎn)稱為Qt/E）c4]。地面監(jiān)測(cè)站GUI信息顯示主界面如下圖3所示。參考開(kāi)源的地面站上位機(jī)，首先創(chuàng)建好窗體對(duì)象MainWindow，根據(jù)地面站的設(shè)計(jì)將文字、按鍵、媒體控件部署在窗體上，其次根據(jù)后臺(tái)的數(shù)據(jù)交互邏輯創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的信號(hào)與槽，最后將GUI文件在后臺(tái)調(diào)用，根據(jù)槽函數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)的交互關(guān)系。

2.3 通信數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)

各類無(wú)人機(jī)用途及結(jié)構(gòu)各異，但其鏈路通信特點(diǎn)可歸納為以下幾個(gè)方面：無(wú)物理防護(hù)邊界、處于強(qiáng)干擾環(huán)境、信道資源受限[5]。通信數(shù)據(jù)鏈路地面站與無(wú)人機(jī)通過(guò)數(shù)傳完成飛控傳感數(shù)據(jù)的傳輸，機(jī)載Jeston TX2與數(shù)傳串口通信，采用傳統(tǒng)的Ma-vlink作為傳感數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，按照每幀14字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)至地面站，圖像數(shù)據(jù)由TX2板卡將數(shù)據(jù)通過(guò)4G圖傳傳輸至地面站系統(tǒng)。地面站負(fù)責(zé)接收建圖的數(shù)據(jù)以及UAV相關(guān)一維傳感數(shù)據(jù)，并定期將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文提出的地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，如圖4所示，無(wú)人機(jī)平臺(tái)包括一架農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)、兩架輔助僚機(jī)以及定位視覺(jué)等傳感器模塊。

下圖5（a）為無(wú)人機(jī)控制界面，負(fù)責(zé)完成無(wú)人機(jī)（主機(jī)）的手動(dòng)飛行、一鍵起降、飛控?cái)?shù)據(jù)保存以及PID等參數(shù)設(shè)置（需在起飛前完成設(shè)置）;5（b）為無(wú)人機(jī)數(shù)傳/圖傳設(shè)置界面，可進(jìn)行3套數(shù)傳一套圖傳的通信調(diào)試，GUI中間與右邊部分顯示主機(jī)與僚機(jī)回傳的姿態(tài)信息;5（c）為主機(jī)搭載的深度相機(jī)2D圖像處理的實(shí)時(shí)結(jié)果，通過(guò)PyTorh+YOLOv3實(shí)例分割框架完成常規(guī)環(huán)境元素的目標(biāo)檢測(cè)，并將識(shí)別到的信息標(biāo)記并保存到歷史記錄;5（d）為地面站同時(shí)可對(duì)服務(wù)器中存儲(chǔ)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依托現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)平臺(tái)提出了一套UAV地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括UAV基礎(chǔ)參數(shù)監(jiān)測(cè)、編隊(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、圖像數(shù)據(jù)接入等功能，依托數(shù)字信號(hào)傳輸設(shè)備與數(shù)字圖像傳輸設(shè)備完成地面戰(zhàn)與UAV的實(shí)時(shí)通信。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善，實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)時(shí)將無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的傳感器以及飛控信息傳輸至服務(wù)器存儲(chǔ)，對(duì)于無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)巡檢以及農(nóng)業(yè)植保行業(yè)有著重要的用途。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFF0301004）;國(guó)家自然科學(xué)基金（61802107）;教育部一中國(guó)移動(dòng)科研基金（MCM20170204）;河北省自然科學(xué)基金（F2015402108）;江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目（1601085C）資助

作者簡(jiǎn)介：王?。?983-），男，河北邯鄲人，副教授，博士，CCF會(huì)員（51272M），主要研究方向：公共安全物聯(lián)網(wǎng)、隱式人機(jī)交互;朱天宇（1996-），男，江蘇省徐州人，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)視覺(jué)，人工智能，無(wú)人駕駛。