無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王先知

（棗莊職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277100）

無人機作為一種無人駕駛的小型航空器，要想保證無人機能夠自動、精確地飛往指定位置并開展飛行任務(wù)，必須要對其航跡進(jìn)行規(guī)劃，并密切監(jiān)視無人機的飛行狀態(tài)，作出相應(yīng)的調(diào)整，確保飛行順利完成。為進(jìn)一步提高無人機在執(zhí)行任務(wù)時的靈活性和實用性，無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)得到了廣泛運用。探究該系統(tǒng)的功能設(shè)計與實現(xiàn)方法成為當(dāng)下的熱門研究課題。

1 無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文設(shè)計的無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要包括3大模塊，分別是無人機、地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)，以及負(fù)責(zé)指令上傳與數(shù)據(jù)下傳的通信系統(tǒng)。在地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的人機交互界面上，用戶可以發(fā)送控制指令，該指令在數(shù)據(jù)存儲層備份后，按照通信協(xié)議進(jìn)行編碼，然后經(jīng)通信系統(tǒng)中的上行通信信道將指令發(fā)送給無人機。位于無人機上的機載通信設(shè)備接收指令后，再控制前端執(zhí)行機構(gòu)（如發(fā)動機、陀螺儀等）作出相應(yīng)的動作，完成地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)對無人機的操控。機載傳感器可以動態(tài)收集無人機的各項數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度、高度、速度、剩余油量等，然后利用通信系統(tǒng)中的下行通信信道將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的通信設(shè)備。經(jīng)過數(shù)據(jù)解碼、存儲后，在地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的人機交互界面上顯示飛行軌跡和狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對無人機的實時監(jiān)控[1]。無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1.2 無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

本文基于實用性、規(guī)范性和可復(fù)用性原則設(shè)計了無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的功能模塊。該系統(tǒng)主要包括6 個功能模塊：①系統(tǒng)管理模塊。該模塊支持用戶注冊、用戶密碼變更、用戶權(quán)限管理等功能。②電子地圖模塊。該模塊用于實現(xiàn)對電子地圖的各種基本操作，如加載電子地圖，進(jìn)行圖層編輯，以及電子地圖的放大或縮小等。③飛行監(jiān)測模塊。該模塊通過實施獲取無人機的各項飛行數(shù)據(jù)，并利用通信系統(tǒng)將所得數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站接收設(shè)備。地面主機進(jìn)行數(shù)據(jù)解析后可以顯示無人機的航跡，以及及時進(jìn)行故障報警。④任務(wù)管理模塊。該模塊可完成無人機航線規(guī)劃，飛行任務(wù)回放等。⑤飛行控制模塊。地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)將編輯好的控制指令發(fā)送給無人機機載PLC，PLC 生成相應(yīng)的指令，控制前端設(shè)備完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)對無人機的遠(yuǎn)程控制。⑥通信與數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊支持無人機與地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)之間進(jìn)行雙向通信。

1.3 無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的工作流程設(shè)計

用戶打開無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)后，首先進(jìn)入登錄界面。輸入賬戶名與密碼后，系統(tǒng)后臺進(jìn)行驗證，如果賬戶名與密碼配對，并且該賬戶已經(jīng)存在于數(shù)據(jù)庫的用戶表中，則順利登錄并跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)主界面；否則登錄失敗。成功登錄后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并等待用戶的操作。用戶在人機交互界面上作出操作后，系統(tǒng)執(zhí)行一個判斷程序“響應(yīng)何種鼠標(biāo)事件？”

如果鼠標(biāo)事件為“發(fā)送控制指令”，則進(jìn)一步判斷發(fā)出該指令的用戶是否為管理員。判斷結(jié)果為“Y”，則具備管理員權(quán)限，系統(tǒng)存儲該指令后，將指令數(shù)據(jù)組幀并經(jīng)通信模塊將指令發(fā)送出去。

如果鼠標(biāo)事件為“航跡規(guī)劃”，需要在電子地圖上采集航點，將所有航點串聯(lián)起來，得到航線。然后執(zhí)行一個判斷程序“數(shù)據(jù)庫的緩沖區(qū)是否有無人機下傳的數(shù)據(jù)？”如果有數(shù)據(jù)，則解析次數(shù)據(jù)，并在解析完成后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)解析結(jié)果在人機交互界面上顯示。繼續(xù)執(zhí)行上述判斷程序，重復(fù)上述流程，直到緩沖區(qū)內(nèi)沒有無人機下傳的新數(shù)據(jù)為止[2]。

1.4 無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本文在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，除了要滿足數(shù)據(jù)的實時存儲需要外，還應(yīng)具備訪問速度快、代碼效率高、可擴展性強等一系列要求。目前常用的幾種數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)中，ODBC、DAO 和ADO 等各有優(yōu)缺點。本文選擇了ADO（Active Data Object）技術(shù)，其可以通過數(shù)據(jù)提供者和數(shù)據(jù)使用者來實現(xiàn)廣義的數(shù)據(jù)存儲，具備良好的操控能力；支持對非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的訪問，具有良好的可擴展性，后期可根據(jù)無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的功能拓展需要靈活擴展數(shù)據(jù)庫。

2 無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

2.1 導(dǎo)航電子地圖的開發(fā)

2.1.1 電子地圖的加載

本文使用MapX 電子地圖控件進(jìn)行導(dǎo)航電子地圖的開發(fā)。利用MapX 自帶的CeosetManage 工具加載地圖數(shù)據(jù)，將需要在導(dǎo)航電子地圖中顯示的所有圖形文件以圖形文件“XX.gst”的形式保存起來。打開MapX 軟件后，點擊“新建”選項，建立一個空白電子地圖，然后選擇“添加”選項，找到“XX.gst”文件后將其加載到新建電子地圖中。文件加載完畢后，MapX 會自動打開文件中的所有圖層，并疊加顯示在地圖窗口中[3]。為了優(yōu)化操作，提供一個默認(rèn)的地圖縮放比例和顯示中心。每次系統(tǒng)重新啟動后，會根據(jù)用戶習(xí)慣自動調(diào)整電子地圖的縮放比例，并定位顯示中心。這樣就避免用戶頻繁進(jìn)行縮放、拖拽等操作。

2.1.2 電子地圖的瀏覽

用戶在瀏覽電子地圖時，有時候需要獲取地圖上某個區(qū)域的詳細(xì)信息，或者是需要從更加宏觀的視角獲取地圖上的地理信息。這種情況下就需要根據(jù)用戶的實際需求放大或縮小電子地圖。本文在設(shè)計電子地圖瀏覽功能時，提供了“放大”和“縮小”2 種功能，以及“選擇”工具。用戶可使用選擇工具在當(dāng)前的電子屏幕上確定一個操作的中心點，然后以該點為中心進(jìn)行放大或縮小操作。在設(shè)計上述功能時，可以從MapX 的函數(shù)庫中調(diào)用SetCurrentTool 函數(shù)，并添加相應(yīng)的參數(shù)來實現(xiàn)具體功能，各類參數(shù)及對應(yīng)功能見表1。

表1 瀏覽電子地圖的函數(shù)

這里以電子地圖的放大功能為例，其實現(xiàn)方式：用戶在屏幕上點選“放大”圖標(biāo)后，通過響應(yīng)點擊操作，觸發(fā)SetCurrentTool 函數(shù)，并成功識別miZoomInTool 參數(shù)。用戶再從屏幕上選擇任意一點，點擊后即可以該點為中心進(jìn)行放大。

2.1.3 添加導(dǎo)航圖層

無人機的航線規(guī)劃、航跡顯示等功能，都是通過在電子地圖的某一圖層上繪制導(dǎo)航圖標(biāo)與航跡來實現(xiàn)的。常用方法是利用GDI 方式繪制航跡，但是在每次刷新視圖時會出現(xiàn)不同程度的航跡缺失，不利于無人機的精確控制。本文提出了一種添加導(dǎo)航圖層的方式，通過在當(dāng)前電子地圖中新建一個導(dǎo)航圖層，并將該圖層加入到電子地圖文件的方式，繪制航點，將航點串聯(lián)起來即可得到航跡。由于無人機在飛行期間位置始終處于動態(tài)變化中，通過創(chuàng)建動態(tài)導(dǎo)航圖層的方式，保證了動態(tài)圖層在其他靜態(tài)圖層之上，避免出現(xiàn)航跡覆蓋或航跡丟失的情況[4]。在繪制航跡時，要檢索電子地圖上的所有圖層，并判斷是否存在動態(tài)圖層“tempLayer”，如果存在該圖層，則將其添加到地圖文件中，并設(shè)置圖層屬性；如果完成所有圖層的檢索后，未發(fā)現(xiàn)動態(tài)圖層“tempLayer”，則創(chuàng)建一個新的圖層文件，右鍵點擊該圖層文件，在“屬性”一欄中將其設(shè)置為動態(tài)圖層，然后將其添加到電子地圖文件中，整個過程如圖2 所示。

圖2 添加導(dǎo)航圖層流程圖

2.2 飛行監(jiān)測功能的實現(xiàn)

2.2.1 飛行數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

為更加全面地了解無人機的飛行狀態(tài)，需要獲取無人機在整個飛行過程中的各項數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其飛行數(shù)據(jù)監(jiān)測界面主要分為兩部分，其一是飛行姿態(tài)及運動數(shù)據(jù)，主要采集并顯示經(jīng)緯度、高度、速度、滾轉(zhuǎn)角和方位角和俯仰角等參數(shù)；其二是機載設(shè)備工作數(shù)據(jù)，主要采集并顯示電源電壓、發(fā)動機溫度、電量余量等參數(shù)。飛行數(shù)據(jù)監(jiān)測功能的實現(xiàn)方式：地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)按照通信協(xié)議接收從無人機下傳的實時數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、轉(zhuǎn)換，將同源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)格式的運動參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)或者狀態(tài)參數(shù)。調(diào)用界面文本框控件Edit，分別建立各參數(shù)與文本框之間的關(guān)系，這樣就能通過人機交互界面直觀地顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2.2 故障報警功能

無人機在飛行過程中，地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)需要實時掌握機載設(shè)備的運行工況，如電池電壓、剩余電量、發(fā)動機狀態(tài)，以及飛行速度是否過高或過低等。如果機載設(shè)備或工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行報警，提醒地面操控人員了解故障類型、分析故障原因，并采取相應(yīng)的措施，防止造成墜機等事故。無人機的故障報警實現(xiàn)過程：無人機與地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)之間使用無線電建立通信，并將無人機的各項參數(shù)下傳到地面計算機，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。根據(jù)分析結(jié)果，判斷實時數(shù)據(jù)是否處于合理范圍內(nèi)，以此來判斷無人機是否存在故障。例如，發(fā)動機在正常運行時，溫度閾值為10～50 ℃；將監(jiān)測到的發(fā)動機溫度數(shù)據(jù)與溫度閾值進(jìn)行對比，如果發(fā)動機當(dāng)前溫度低于10 ℃，或者高于50 ℃，即可判斷為發(fā)動機溫度異常，并進(jìn)行故障報警。地面操作人員根據(jù)地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的報警信息，即可了解故障類型，以便于及時作出相應(yīng)的操作。

2.3 導(dǎo)航任務(wù)管理功能的實現(xiàn)

2.3.1 飛行航跡規(guī)劃

在明確飛行任務(wù)后，可以提前規(guī)劃無人機的飛行航跡，在無人機起飛后可以根據(jù)航跡自動飛行。在地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)的菜單欄中，選擇“航跡規(guī)劃”后，系統(tǒng)會在電子地圖上創(chuàng)建一個用于繪制航跡的動態(tài)圖層。用戶可以在動態(tài)圖層上設(shè)置航點，所有航點設(shè)置完畢后，系統(tǒng)會根據(jù)航點地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行連線，從而得到一條航跡[5]。在飛行航跡規(guī)劃中，航點坐標(biāo)的設(shè)置方式有2 種。一種是將鼠標(biāo)在電子地圖上移動，當(dāng)鼠標(biāo)停留在某處后，會顯示該點的經(jīng)緯度坐標(biāo)。在該位置點擊鼠標(biāo)左鍵，即可將該點確定為航點。同時，系統(tǒng)會根據(jù)屏幕位置與地理位置的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得電子地圖上該點對應(yīng)的地理坐標(biāo)，并將該點的經(jīng)度和緯度分別填入數(shù)據(jù)表MapX[]和MapY[]中。另一種是手動錄入準(zhǔn)確坐標(biāo)，適用于對航點位置要求精確的情況。手動輸入的坐標(biāo)可以精確到小數(shù)點后6 位，例如經(jīng)度123.600 353°、緯度45.726 616°。同樣的，航點的精度和緯度也會填入數(shù)據(jù)表MapX[]和MapY[]中。飛行航跡規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 飛行航跡規(guī)劃流程圖

2.3.2 飛行任務(wù)回放

任務(wù)回放的作用是重現(xiàn)已經(jīng)存儲的飛行數(shù)據(jù)，除了飛行參數(shù)、設(shè)備參數(shù)外，還有航跡等，方便工作人員以更加直觀的形式了解過去某個時間段內(nèi)無人機的飛行任務(wù)。本文設(shè)計的飛行任務(wù)回放模塊，在回放數(shù)據(jù)庫內(nèi)已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)時，支持播放、暫停、快速、慢速等操作。該功能的實現(xiàn)過程：在地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)中加入一個常規(guī)定時器，可根據(jù)人為設(shè)定的時間，定時讀取數(shù)據(jù)庫中無人機的數(shù)據(jù)表文件。一個定時周期對應(yīng)一幀導(dǎo)航數(shù)據(jù)，不斷重復(fù)定時周期即可在可視化界面上動態(tài)、連續(xù)地顯示各種數(shù)據(jù)。在達(dá)到設(shè)定的結(jié)束時間，或者是手動關(guān)閉后可以停止回放。為了滿足不同的回放需求，本文添加了3 種不同周期的定時器：1 號定時器的定時周期為1 s，用于以正常速度播放回放；2 號定時器的定時周期為0.5 s，用于以2 倍正常速度播放回放；3 號定時器的定時周期為2.0 s，用于以0.5 倍正常速度播放回放。飛行任務(wù)回放的實現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 飛行任務(wù)回放流程圖

3 結(jié)束語

在無人機技術(shù)日益成熟的背景下，無人機已經(jīng)在地籍測量、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)后救援等方面得到了廣泛應(yīng)用。無人機地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)可以根據(jù)飛行任務(wù)提前規(guī)劃航行軌跡，讓無人機按照預(yù)設(shè)路線執(zhí)行飛行任務(wù)。同時，無人機采集到的數(shù)據(jù)，以及無人機自身的工作參數(shù)都可以借助于通信模塊實時反饋給地面導(dǎo)航控制系統(tǒng)，并且在屏幕上直觀地顯示，方便地面工作人員隨時掌握無人機的工作狀態(tài)。當(dāng)工作人員想要遠(yuǎn)程控制無人機時，也可以編輯并發(fā)送指令給無人機，從而遙控?zé)o人機作出相應(yīng)的動作，保證無人機更好地完成任務(wù)。