無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

段玉龍

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司天津?yàn)I海高新區(qū) 天津 300450

作為無人機(jī)地面站的關(guān)鍵構(gòu)成部分之一，控制系統(tǒng)需要完成對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及有效載荷管控、科學(xué)規(guī)劃任務(wù)及準(zhǔn)確顯示飛行航跡與測(cè)控參數(shù)等多項(xiàng)功能。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于充分發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)效用具有十分重要的影響作用。本研究可為人們深入把握無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要理論參考與相關(guān)實(shí)踐指導(dǎo)幫助。

1 研究背景

由于以在交通管控、城市與環(huán)保監(jiān)控等各領(lǐng)域中，完全依賴人工操作模式，不僅難以有效提升其工作效率，同時(shí)還極易受到各種因素的干擾影響并產(chǎn)生人為失誤、人工誤差等情況。因此在我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展下，開始逐漸將無人機(jī)引入其中，輔助人工作業(yè)或是直接代替部分人工操作。而為了能夠有效加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的控制管理，我國(guó)當(dāng)前正在加緊研發(fā)無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)其移動(dòng)方式基本以車載為主，控制系統(tǒng)組成部分主要包括飛行與任務(wù)載荷控制、合成孔徑雷達(dá)控制等，雖然其能夠在一定程度上完成無人機(jī)地面站控制工作[1]。但受到系統(tǒng)功能接口局限性的影響，可供任務(wù)規(guī)劃及有效載荷管理的系統(tǒng)功能與接口仍然較為有限。因此本文將嘗試依托現(xiàn)有的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)，在充分保留其各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其存在的不足之處進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)，從而設(shè)計(jì)出功能更加完善，適應(yīng)范圍更廣泛的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)。

2 無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的基本組成

本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念，除使用各項(xiàng)智能化、現(xiàn)代化的人機(jī)交互設(shè)備與無人機(jī)中的各項(xiàng)所需儀表之外，本系統(tǒng)主要由導(dǎo)航顯示與飛行仿真模塊、航跡管理和任務(wù)規(guī)劃模塊、顯示無人機(jī)儀表狀態(tài)模塊等共同組合而成。包括車內(nèi)面板與軟件面板以及地面站人機(jī)交互設(shè)備等，均作為地面站數(shù)據(jù)來源，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后將根據(jù)具體規(guī)則，對(duì)遙控?cái)?shù)據(jù)幀進(jìn)行有效填充，而后借助串口通信的方式將其發(fā)送至數(shù)傳電臺(tái)[2]。與此同時(shí)，無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)也可將數(shù)傳電臺(tái)作為遙測(cè)數(shù)據(jù)源，在獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行降噪、濾波等處理后，再反饋至相應(yīng)的顯示模塊即可。根據(jù)無人機(jī)飛行原理及其控制要求，可知在無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)中，遙控指令主要由開關(guān)與比例指令以及上行導(dǎo)航數(shù)據(jù)等共同構(gòu)成。在此當(dāng)中，完全由地面站軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有且僅有導(dǎo)航數(shù)據(jù)，其余兩個(gè)指令均由軟件與外部硬件設(shè)備共同產(chǎn)生。其中開關(guān)指令的數(shù)據(jù)來源于車內(nèi)外控制器與控制面板、軟件面板，而比例指令數(shù)據(jù)則主要來源于車內(nèi)外控制器與控制面板，軟件面板并不作為其數(shù)據(jù)來源。

3 無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文可知，基于模塊化設(shè)計(jì)理念下，本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)組成主要包括人機(jī)交互設(shè)備與無人機(jī)中儀表、導(dǎo)航顯示與飛行仿真模塊、航跡管理和任務(wù)規(guī)劃模塊、顯示無人機(jī)儀表狀態(tài)模塊等等。在導(dǎo)航顯示模塊中，主要負(fù)責(zé)顯示電子地圖與地形地貌，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)預(yù)定與實(shí)時(shí)航跡以及各項(xiàng)空管信息等，其顯示與控制形式設(shè)計(jì)采用二維與垂直導(dǎo)航相結(jié)合的方式。在航跡管理與任務(wù)規(guī)劃模塊中，則主要負(fù)責(zé)專門控制無人機(jī)預(yù)定和實(shí)時(shí)航跡，同時(shí)將相應(yīng)的飛行任務(wù)指令準(zhǔn)確傳遞給無人機(jī)。

系統(tǒng)中的無人機(jī)儀表及其狀態(tài)顯示模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)各項(xiàng)重要參數(shù)如動(dòng)力與導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)、飛行參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)接收顯示。本控制系統(tǒng)在該模塊設(shè)計(jì)中，同時(shí)運(yùn)用兩個(gè)顯示器，分別負(fù)責(zé)用于對(duì)無人機(jī)狀態(tài)及儀表信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確顯示。所設(shè)計(jì)的飛行仿真模塊，其功能在于自動(dòng)調(diào)用無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)中的仿真模擬軟件，真實(shí)模擬無人機(jī)飛行的軌跡與姿態(tài)[3]。本文在設(shè)計(jì)過程中，通過將無人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)等方程引入其中，在與無人機(jī)初始運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行充分結(jié)合下，真實(shí)模擬出無人機(jī)飛行的具體軌跡與姿態(tài)。在控制無人機(jī)飛行姿態(tài)時(shí)，通過設(shè)計(jì)使用RTI-DDS軟件，可為用戶提供類型多樣的海量API函數(shù)，而該系統(tǒng)函數(shù)可有效實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高效交互。事實(shí)上，在分布式系統(tǒng)當(dāng)中，DDS專門負(fù)責(zé)控制分層管理，使得分布可重用得以有效實(shí)現(xiàn)。各模塊在順利完成數(shù)據(jù)注冊(cè)后，RTI-DDS軟件將統(tǒng)一負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的安全可靠收發(fā)。相較于傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)，本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)在飛行仿真模塊中，編程接口更加簡(jiǎn)化，有助于地面站靈活、準(zhǔn)確地對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并及時(shí)將相關(guān)信息數(shù)據(jù)傳輸至地面站。

另外，本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)中，還設(shè)有專門用于向地面站實(shí)時(shí)傳輸各項(xiàng)監(jiān)控畫面的無線監(jiān)控及視景仿真模塊，而該模塊應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)，主要依靠安裝在無人機(jī)上的高清攝像頭以及無線監(jiān)控技術(shù)。攝像頭在無人機(jī)執(zhí)行各項(xiàng)空中監(jiān)控任務(wù)時(shí)，借助視頻無線傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)相互連接，在實(shí)時(shí)采集有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)情況的音像畫面與數(shù)據(jù)后，將在無線監(jiān)控技術(shù)作用下，由無線電波向地面站監(jiān)控中心發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。而該模塊中的視景仿真模塊，則設(shè)計(jì)使用計(jì)算機(jī)設(shè)備，通過直接在其屏幕中顯示出二維或三維物體，而后根據(jù)實(shí)際需要對(duì)相應(yīng)視圖、模型等進(jìn)行變換。在控制系統(tǒng)中，該模塊正常執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要及時(shí)傳輸和顯示無人機(jī)上高清攝像頭拍攝的所有與現(xiàn)場(chǎng)情況相關(guān)的視頻信息，而在平時(shí)的訓(xùn)練模式中，則通過運(yùn)用其中的三維仿真軟件，為無人機(jī)飛行提供三維立體的可視化場(chǎng)景，真實(shí)立體地顯示出地形地貌。最后，該無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)為主的人際交互設(shè)備，主要扶著對(duì)操縱無人機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、顯示和及時(shí)備份。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)中，通過充分結(jié)合實(shí)施與執(zhí)行各項(xiàng)無人機(jī)任務(wù)的用戶實(shí)際需求，在嚴(yán)格按照相關(guān)管理規(guī)定要去下，對(duì)無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一明確。本文通過參考相關(guān)研究資料，選擇在設(shè)計(jì)無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)時(shí)，采用分布式交互結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中各功能子系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸，則主要利用RTI中間件DDS負(fù)責(zé)完成[4]。具體來說，在該控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)管理模塊與數(shù)據(jù)備份模塊、任務(wù)操作及顯示模塊，均通過使用DDS總線與包括導(dǎo)航顯示、任務(wù)規(guī)劃、源代碼處理等在內(nèi)的功能模塊進(jìn)行相互連接，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的實(shí)時(shí)共享與高效傳輸。其中數(shù)據(jù)管理在借助DDS總線和其他功能模塊及數(shù)據(jù)源相互連接的同時(shí)，還通過通信鏈路接口和飛行仿真模塊進(jìn)行相互連接。通過外部硬件設(shè)備與觸摸屏輸入的有關(guān)無人機(jī)飛行任務(wù)實(shí)施的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，也統(tǒng)一歸集至數(shù)據(jù)管理中心。所有數(shù)據(jù)在DDS總線的連接下，將會(huì)同步上傳至數(shù)據(jù)備份中心進(jìn)行妥善備份，并及時(shí)在控制系統(tǒng)的任務(wù)操作與顯示模塊中進(jìn)行準(zhǔn)確顯示。

其中外設(shè)接口與觸摸屏輸入管理中的數(shù)據(jù)信息組成基本相同，均為無人機(jī)的飛行與任務(wù)指令以及儀表控制指令。通信鏈路接口中的信息數(shù)據(jù)則還包括載荷信息與儀表狀態(tài)等，上述數(shù)據(jù)信息均經(jīng)由DDS總線和各功能模塊如電子導(dǎo)航模塊、任務(wù)規(guī)劃模塊等進(jìn)行相互連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的高效交互傳輸。其中飛機(jī)狀態(tài)與無人機(jī)儀表顯示模塊、導(dǎo)航模塊、合成視景顯示模塊等在接收到飛行參數(shù)、儀表狀態(tài)與任務(wù)指令等信息數(shù)據(jù)后，將會(huì)利用DDS總線向外設(shè)接口、觸摸屏輸入管理與通信鏈路接口及時(shí)反饋程序狀態(tài)。另外，約束與任務(wù)信息及空管信息被直接傳輸至任務(wù)規(guī)劃模塊中。

4 結(jié)語

相比于以往傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)功能模塊眾多，不僅具備靈活、準(zhǔn)確控制無人機(jī)使用的功能，同時(shí)還兼具模擬仿真訓(xùn)練功能，加之其操作簡(jiǎn)便，因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值。在將分布式控制技術(shù)、仿真建模技術(shù)及相關(guān)功能軟件應(yīng)用其中下，使得無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)具有更廣泛的適用范圍與良好的可移植性。在對(duì)無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)工作人員還需充分結(jié)合具體情況及系統(tǒng)控制要求，在嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下，靈活運(yùn)用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)方式，以此不斷完善該控制系統(tǒng)。