無人機通用指控平臺設計與實現(xiàn)

劉 惠，王泓淼，胡 楠，顏 華

(1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301)

無人機通用指控平臺設計與實現(xiàn)

劉 惠1，王泓淼2，胡 楠1，顏 華2

(1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301)

現(xiàn)有不同型號無人機的數(shù)據(jù)協(xié)議格式差別較大，無人機指揮控制系統(tǒng)與無人機緊密耦合，針對不同機種要開發(fā)不同的指控系統(tǒng)，系統(tǒng)的通用性較差，開發(fā)、培訓成本高，且無法滿足未來多無人機協(xié)同作業(yè)的任務需求；因此，設計開發(fā)一套具有較高通用性的無人機指控系統(tǒng)，通過對異構的無人機測控數(shù)據(jù)進行通用化處理，形成具有較強可擴展性的無人機標準數(shù)據(jù)協(xié)議，用以消除不同無人機與指控系統(tǒng)之間的差異性，同時最大限度的保證指控平臺的可擴展能力。

無人機；通用化；指揮控制；數(shù)據(jù)協(xié)議

0 引言

隨著無人機應用的逐漸深入，無人機種類和數(shù)量都在不斷增多，隨之暴漏出來的問題也日益凸顯。一方面，國內外各型無人機系統(tǒng)接口形式多樣，數(shù)據(jù)協(xié)議格式差別較大，現(xiàn)有技術都是按照無人機原始數(shù)據(jù)協(xié)議進行透明傳輸，對后期的數(shù)據(jù)解析與應用帶來許多不便；另一方面，現(xiàn)有無人機平臺僅能通過各廠商自有系統(tǒng)進行分散監(jiān)控，無人機平臺與指控系統(tǒng)的緊密耦合，導致系統(tǒng)的通用性、可擴展性較差，針對新機種要開發(fā)新的指控系統(tǒng)，開發(fā)、維護、培訓的成本較高，無法滿足無人機業(yè)務不斷發(fā)展的需求。

北約在2003 年制定了“北約無人機控制站互操作標準化接口”(STANAG 4586 標準)[1-3]，以提高無人機系統(tǒng)在北約盟軍聯(lián)合作戰(zhàn)中的互操作能力。目前，國外在實現(xiàn)無人機系統(tǒng)通用化方面主要是以北約制定的STANAG 4586協(xié)議為標準，該標準是北約部隊使用的一種無人機通用地面站系統(tǒng)的規(guī)格說明，以使北約各成員國可以應用各自無人機系統(tǒng)聯(lián)合支持軍事作戰(zhàn)行動，該種通用化是建立在應用同種數(shù)據(jù)協(xié)議標準的前提下，但是，迄今為止絕大多數(shù)無人機產品仍采用各自的標準設計，系統(tǒng)之間未實現(xiàn)標準化，直接導致各家無人機數(shù)據(jù)協(xié)議差別較大，操作平臺過多，維護成本過高等問題。在國內地面站方面，已經實現(xiàn)任務規(guī)劃、飛行控制、鏈路監(jiān)控、飛行控制、載荷控制、航跡/參數(shù)綜合顯示、數(shù)據(jù)存儲處理與分發(fā)等功能[4]，但各項功能應用起來相對分散，缺乏統(tǒng)一的體系，且主要是針對某一機型或某類設備單獨研制，兼容性較差。

為解決上述問題，本文提出了一種基于XML的異構無人機通用數(shù)據(jù)解譯技術的無人機通用指控系統(tǒng)，實現(xiàn)對多型無人機的通用化、一體化測控；在軟件架構設計上采用通用的架構設計方法，各模塊以插件化方式進行集成[5-6]，內部提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，可根據(jù)無人機參數(shù)的不同進行靈活的變化，無需更改程序即可兼容新型無人機，解決了系統(tǒng)擴展性的問題。

1 平臺設計實現(xiàn)

1.1 平臺設計分析

無人機指控平臺的基本功能是實現(xiàn)對無人機、載荷等任務設備的實時監(jiān)視與控制，通用化的無人機指控平臺要求基于同一軟件平臺實現(xiàn)對多型無人機系統(tǒng)的兼容測控，并具有較高的先進性和可擴展性，以適應未來新型無人機的接入需求。

通過對國內外主流的大型無人直升機、中小型固定翼無人機、便攜式固定翼無人機、多旋翼無人機等多種機型進行對比分析發(fā)現(xiàn)不同廠家無人機的測控協(xié)議大不相同，例如，一般機型都是以二進制分幀格式進行表示，但也有個別機型如MD4-1000等是以ASCII編碼方式分幀表示，而且，不同機型測控數(shù)據(jù)幀的幀頭、幀長度、參數(shù)屬性等具體信息都不盡相同，這些都給無人機系統(tǒng)的通用測控帶來了很大困難，也是造成無人機指控系統(tǒng)間通用性較差的主要原因。

為了實現(xiàn)通用化，本文在原指控平臺基本功能上增加接口協(xié)議控制功能，該功能基于XML的異構無人機通用數(shù)據(jù)解譯技術，實現(xiàn)對多型無人機測控協(xié)議的統(tǒng)一解譯，并轉換為系統(tǒng)內部標準數(shù)據(jù)協(xié)議，各監(jiān)控軟件只需對標準數(shù)據(jù)協(xié)議進行解析，不再依賴于各型無人機特定的協(xié)議，較好的提升了平臺的通用化水平。

1.2 硬件設計

圖1 平臺硬件組成

無人機指控系統(tǒng)分為機載端和地面指控端兩大部分，其中無人機通用指控平臺軟件部署于圖中的地面指控站上，地面站配備千兆交換機實現(xiàn)平臺內部信息的網絡化傳輸。

無人機搭載任務載荷對目標區(qū)域進行航拍，通過數(shù)據(jù)鏈路實時回傳遙測數(shù)據(jù)至地面指控站，由通訊與接口協(xié)議控制計算機對飛機、載荷遙測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解析、分發(fā)和存儲，解析后的標準數(shù)據(jù)傳輸至各監(jiān)控軟件進行狀態(tài)實時顯示。通訊與協(xié)議控制計算機同時接收飛機、載荷、鏈路的控制指令，按設備規(guī)定格式封裝后通過數(shù)據(jù)鏈路上傳至機載端，完成對機載設備的控制。

1.3 軟件組成

圖2 平臺軟件組成

如圖2所示，無人機通用指控平臺包括通訊與接口協(xié)議控制、鏈路監(jiān)控、飛行監(jiān)控和載荷監(jiān)控四部分。

通訊與接口協(xié)議控制軟件基于異構無人機通用數(shù)據(jù)解譯技術(技術實現(xiàn)說明參見第2章)，是平臺通用化處理的核心部分，負責通訊接口和通訊協(xié)議的管理與控制，直接與外部設備進行交互，對內提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，屏蔽不同無人機平臺的差異性。

通訊與接口協(xié)議控制軟件包括設備接口管理模塊、通訊協(xié)議管理模塊、網絡管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊四部分，其中，設備接口管理模塊負責對外部設備的接口形式進行統(tǒng)一接入處理，支持網口、串口等多種數(shù)據(jù)接口形式；通訊協(xié)議管理模塊負責對多型無人機協(xié)議進行配置與管理，應用異構無人機通用數(shù)據(jù)解譯技術，將原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉換為內部標準協(xié)議推送至各監(jiān)控軟件進行可視化展示；網絡管理模塊負責平臺內部的網絡協(xié)議配置、網絡傳輸方式設置等，支持TCP、UDP組播等多種網絡通信方式；數(shù)據(jù)管理模塊對內提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理接口，負責存儲和管理系統(tǒng)中原始遙測數(shù)據(jù)、遙控數(shù)據(jù)、標準協(xié)議數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及各種日志數(shù)據(jù)等，保證數(shù)據(jù)的安全性、可靠性及完整性。

鏈路監(jiān)控軟件負責對地空鏈路及通信設備進行指令控制和狀態(tài)監(jiān)控，負責通信天線控制和狀態(tài)監(jiān)視。鏈路監(jiān)控軟件的首要任務是實現(xiàn)對地空鏈路的雙向控制，以及數(shù)據(jù)通訊端口的控制，該軟件能實時監(jiān)控鏈路回報狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)并提示鏈路異常狀態(tài)。

飛行監(jiān)控軟件[7]負責無人機飛行控制和飛行狀態(tài)監(jiān)視，包含飛行航跡規(guī)劃、起飛、航線導入與驗證、姿態(tài)位置監(jiān)控及降落的控制等。

載荷監(jiān)控軟件負責對機載載荷的控制與狀態(tài)監(jiān)視，完成機載載荷的開關控制、方位姿態(tài)控制、載荷類型切換控制、參數(shù)設置等，同時接收載荷航拍數(shù)據(jù)并實現(xiàn)視頻解碼、顯示和回放。進入系統(tǒng)之前，需要對載荷類型進行選擇配置，機載載荷根據(jù)類型的不同，分配獨立的載荷身份識別PID標識，切換PID完成對不同載荷的控制，當載荷監(jiān)控軟件完成PID切換時，視頻顯示部分優(yōu)先顯示該PID對應載荷的下傳數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)軟件對不同載荷數(shù)據(jù)的顯示、記錄和回放。

飛行監(jiān)控和載荷監(jiān)控軟件采用WPF界面設計框架，支持自定義界面組件，針對不同機型和載荷設備可實現(xiàn)界面定制化加載。

2 通用化關鍵技術

針對不同型號無人機數(shù)據(jù)協(xié)議的通用化解譯需求，通過對多型數(shù)據(jù)協(xié)議進行分析，本文提出了異構無人機通用數(shù)據(jù)解譯技術。該技術中設計了一種可滿足多型無人機測控協(xié)議的無人機遙控、遙測配置文件(XML格式)，包含與無人機測控有關的所有參數(shù)字段(比如：經度、緯度、姿態(tài)角以及飛機狀態(tài)等信息)，各機型對應一套配置文件，通過配置文件引導程序完成對各屬性值的解析，解決了數(shù)據(jù)譯碼的通用性[8]問題。兼容新機型時，分析該類無人機的測控協(xié)議，并按照配置協(xié)議標準格式創(chuàng)建針對該機型的遙控、遙測配置文件，以達到與系統(tǒng)內部協(xié)議兼容的目的，進而實現(xiàn)對多型無人機的通用化測控，該技術的工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理示意圖

以遙測數(shù)據(jù)為例，接收飛機遙測后，首先對遙測數(shù)據(jù)格式進行統(tǒng)一轉換，軟件根據(jù)設置的飛機類別檢索并加載對應型號的遙測協(xié)議配置文件，根據(jù)配置項相關信息，在遙測數(shù)據(jù)中解析出飛機的偏航角、方位角等飛行狀態(tài)信息和位置信息等。配置文件內容示例如下：

……

該配置文件描述了ZW310型無人機飛控遙測數(shù)據(jù)協(xié)議，文件中包括遙測數(shù)據(jù)幀頭、幀長、各屬性值的名稱、起止位置、類型、精度等信息，由該配置文件可知，遙測數(shù)據(jù)包的開頭標志為B562，其中，GPS子幀幀頭為020048，幀頭后的數(shù)據(jù)長度為103個字節(jié)，其中，“緯度”屬性開始于第16個字節(jié)，長度為4個字節(jié)，這時程序可以將 GPS 數(shù)據(jù)中的“緯度”數(shù)據(jù)信息解算出來，乘以相應的精度值(scale)換算成實際的緯度值，最后以JSON的形式封裝成系統(tǒng)內部標準協(xié)議格式，推送至各監(jiān)控軟件進行顯示，保證了后端軟件的一致性，標準協(xié)議格式如下所示：

{

“PlaneData” :

{

“PlaneID”: “Plane00001”,

“Longitude”: “180.0”,

“Latitude”: “90.0”,

“GPSHeight”: “99999.0”,

“Pitch”: “90.00”,

“Roll”: “90.00”,

“Yaw”: “90.00”,

“GPSstarcount”:”8”,

……

}

}

發(fā)送遙控數(shù)據(jù)時，軟件會根據(jù)該類飛機唯一的類別編碼檢索配置文件里對應的該類飛機的遙控協(xié)議配置內容文件，根據(jù)配置項相關信息，對遙控指令進行組幀，以飛機可識別的格式發(fā)送給飛機平臺。

3 平臺應用實踐

平臺通訊與接口協(xié)議控制軟件是通用化實現(xiàn)的核心，軟件參數(shù)設置界面如圖4所示。

圖4 參數(shù)配置界面

通過對串口參數(shù)或者網口參數(shù)進行配置可實現(xiàn)與地面收發(fā)設備的數(shù)據(jù)通信，選擇“飛機類型”后，軟件自動加載與機型匹配的配置文件，解譯后封裝成JSON格式后轉發(fā)至監(jiān)控軟件進行可視化展示。

平臺以單兵一號固定翼無人機、Z5型無人直升機、MD4-1000多旋翼無人機等多型無人機飛控為測試平臺，對本文設計的無人機通用指控平臺的通用性進行實際驗證，實驗結果表明本平臺對各型無人機具有較好的兼容性。目前，平臺已經實現(xiàn)對單兵一號、MD4-1000、智能鳥KC2000、CY-01H、海鷹310等八款無人機飛控的通用化兼容，并已部署在多省海域監(jiān)控指揮車中進行應用，實際部署效果如圖5所示。

圖5 部署效果圖

4 結束語

無人機通用指控平臺可以最大限度的保證控制平臺的適應能力，消除無人機平臺與不同應用之間的差異性問題，同時具備協(xié)議管理、鏈路監(jiān)控、載荷監(jiān)控、飛行監(jiān)控、航跡顯示、視頻圖像處理、數(shù)據(jù)管理等無人機指揮控制系統(tǒng)通用性功能，并可根據(jù)實際需求進行裁剪。

平臺建成后，通過行業(yè)分析加入領域模型和可變性分析，便可快速、低成本的搭建新的無人機行業(yè)應用系統(tǒng)，構建包括林業(yè)、海洋、石油、電力在內的多行業(yè)無人機指控系統(tǒng)也是本文以后的研究和應用方向。

[1] 王滿玉,邢富領,吳 潛.北約無人機控制站互操作標準化接口STANAG 4586標準解析[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2011.

[2] 曲東才,陳偉良,陳琪等.無人機控制站交互性操作的標準化接口技術[J].飛機設計,2006(2):36-40.

[3] 曲東才,唐琳娜,吳曉男等.STANAG4586標準化接口——從理想到現(xiàn)實[J].飛航導彈,2005(9):6-13.

[4] 吳 潛.無人機測控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.電視技術[J].2009,49(9):90-94.

[5] 馬聰穎,高瑞周,朱玉祜.無人機地面控制站通用化軟件架構[J].航空計算技術,2013,43(3):112-118.

[6] 陳方明,陳 奇.基于插件思想的可重用軟件設計與實現(xiàn)[J] .計算機工程與設計,2005,26(1):172-173.

[7] 劉 洋,馬麗娜，劉 磊.無人機地面站飛行監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計[J].計算機測量與控制.2014,22(1):294-296.

[8] 趙 躍,祖家奎.無人機飛行數(shù)據(jù)通用化譯碼軟件設計及實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(11):35-37.

Design and Implementation of Generalized UAV Command and Control Platform

Liu Hui1, Wang Hongmiao2, Hu Nan1, Yan Hua2

(1.National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China；2.Tianjin Zhongwei Aerospace Data System Technology Co.,Ltd., Tianjin 300301,China)

Existing a greater difference between the different type of data protocol format of unmanned aerial vehicle(UAV),and the ground command and control system closely coupled with UAV,according to different development models to different charges system,system of poor generality leads to development and high cost of training, and can’t meet the future demand for more UAV collaborative task.Therefore,it is necessary to research and development a high generality of unmanned aerial vehicle (UAV)charges system,through generalizing of heterogeneous UAV measurement data processing,forming strong extensibility of UAV standard data protocol,in order to eliminate the differences between different charges system,at the same time,the maximum guarantee control platform of extensible ability.

UAV;generalize;command and control;data protocol

2017-01-10；

2017-02-27。

海洋公益性行業(yè)科研專項經費項目(201405028)。

劉 惠(1966-),女,天津人，研究員，學士，主要從事計算機應用、無人機系統(tǒng)方向的研究。

王泓淼(1986-),女,碩士,助理工程師,主要從事無人機指揮控制系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0170-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.042

TP3

A