基于開源飛控的察打一體無人機地面站設(shè)計

唐振國 林恩民 袁正明 林在舟 慈宬嶂

摘 ?要：在無人機系統(tǒng)當中，地面站系統(tǒng)涉及到了人機工程學(xué)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，是直接與無人機操縱手交互的分系統(tǒng)之一。便捷高效的地面站綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)可以提升無人機的操作體驗和工作效率。該系統(tǒng)硬件選用本著高可靠性、資源占用小、成本較低、低延遲的原則，保證了該系統(tǒng)空中端在高強度惡劣環(huán)境下的正常使用。

關(guān)鍵詞：地面站 ?察打一體 ?開源飛控

中圖分類號：V279 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0001-02

目前察打一體無人機的操作模式主要有兩類。第一類主要是全自動尋的，對標定的坐標進行自動打擊;第二類則是使用類似有人攻擊機的操縱方式對目標近距打擊。兩種方式各有利弊，自動打擊對偽裝、時敏性目標的打擊效果不理想，而手動操作對操縱手要求很高。所以設(shè)計了一款基于開源飛控的無人機地面站解決這一矛盾。無人機地面站（GCS：Ground Control System），是無人機系統(tǒng)的一個重要組成部分，無人機按結(jié)構(gòu)劃分主要有固定翼和旋翼式兩大類型，因此針對不同型號和不同用途的無人機，有不同的地面站與其相匹配[1]。該文所陳述的面向固定翼無人機的地面站系統(tǒng)綜合自動偵察打擊與操縱員識別決策任務(wù)，減輕了操縱員負擔(dān)，達到精準、高效、快速的外科手術(shù)式對地打擊效果。

1 ?所需硬件

1.1 其他系統(tǒng)設(shè)計

該項目設(shè)計制作的察打一體系統(tǒng)載機為一款電動型常規(guī)布局固定翼飛機，飛機主翼翼展1.8m，空機重量1.75kg。機翼與機身的連接采用了可快插鎖定銷式插拔結(jié)構(gòu)，機身與尾翼采用折疊鎖定設(shè)計，滿足了小型地面站與載機存放、設(shè)備存放三位一體的集成式察打一體無人機系統(tǒng)的要求。

載機設(shè)備艙采用模塊化設(shè)計。這大大減少了測試與調(diào)參的工作量，在長途攜帶時單獨保存在減震隔層中，可以更妥善地保護精密電子儀器，也減少了對機體保護的不必要重量?？梢愿鶕?jù)任務(wù)需求加掛不同任務(wù)載荷，配合機載攝像頭與高清圖傳可實時傳回飛行畫面，偵察地面目標，發(fā)現(xiàn)目標后投放掛載的武器進行打擊。

1.2 地面站結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足未來軍事機械化信息化背景下的班組攜行作戰(zhàn)要求，我們將無人機載機、遙控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、電子設(shè)備等所有該無人機需要的設(shè)備和工具都集成到了一個長寬高少于1.6m的長方體硬質(zhì)箱體中。上蓋與箱體底部集成了控制設(shè)備和顯示設(shè)備。避免了設(shè)備隨意堆放、線路混亂的問題。

1.3 設(shè)備選擇

選擇任意一臺安裝有開源飛控地面站軟件MissionPlanner的15.6英寸以下的移動電腦作為主控，主要對開源地面站的人機界面進行人機工程學(xué)優(yōu)化。圖像系統(tǒng)使用一塊9寸集成式雙接收顯示屏，并在電腦端使用視頻采集卡采集主攝像頭視頻信號，并由開源飛控疊加顯示所需飛行參數(shù)。

1.4 人機工學(xué)

整套系統(tǒng)的人機工學(xué)分為兩部分：一部分是載機的人機工學(xué)設(shè)計，另一部分是地面端的人機工學(xué)設(shè)計。天空端載機設(shè)備艙采用了模塊化設(shè)計，將開源飛控及配套設(shè)備完全集成到一個可插拔的設(shè)備棒中，配合開源飛控中定制保存的不同參數(shù)，將可以滿足具備察打一體能力兼容遙控設(shè)備的不同載機機型和多架同種機型的無縫切換，大大簡化后勤和測控壓力。機翼與機身的連接使用活動插銷+電氣插口的設(shè)計，便于安裝地面端利用MissionPlanner的開源定制化界面，優(yōu)化飛行器控制界面。這改善了原生界面在航點劃設(shè)上的不便和遇到緊急情況下容易誤操作的問題，并大大減少了重新規(guī)劃航線、選取任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)所需要的操作時間。

2 ?軟件

在地面站軟件中已經(jīng)集成了系統(tǒng)級的各項信息顯示，并且十分方便查找。使用視頻采集卡采集圖傳圖像，并通過采集卡內(nèi)建的格式轉(zhuǎn)換將視頻流通過USB數(shù)據(jù)端口導(dǎo)入地面站，實現(xiàn)實時圖像與飛行數(shù)據(jù)的疊加。

地面站原生的操作界面將航線的設(shè)置與飛機的實時監(jiān)控割裂開來。而在察打一體的操縱過程中，所模擬的戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，應(yīng)盡量減少無用重復(fù)的操作。

2.1 軟件環(huán)境配置

選擇運行Ubuntu虛擬機操作系統(tǒng)設(shè)備，在Visual Studio環(huán)境下調(diào)試MissionPlanner軟件，并在Ubuntu環(huán)境里調(diào)試改版地面站應(yīng)用程序。在FlightPlanner.cs[設(shè)計]下編輯UI界面，并進行預(yù)覽。在FlightPlanner.cs下進行源代碼的查看與調(diào)整。

2.2 實現(xiàn)功能

緊張的察打一體任務(wù)中，操縱員要一邊監(jiān)視飛機各項狀態(tài)參數(shù)，一邊確認目標和寫入航點文件，而這些操作并不能在同一級的單個界面中完成，對于暴露在野外的地面野戰(zhàn)班組而言，環(huán)境壓力和操縱壓力較大。所以考慮修改地面站原始界面，從航點寫入和緊急情況的處置兩個方面入手?，F(xiàn)將部分涉及代碼摘錄如下。

2.2.1 預(yù)定航線的劃設(shè)

通過設(shè)置特定按鈕并重新指向航點文件，載入航點文件的方式一鍵完成任務(wù)。

using （OpenFileDialog fd = new OpenFileDialog

fd.Filter = "All Supported Types|*.txt;*.waypoints;*.shp;*.plan";

DialogResult result = fd.ShowDialog（）;

string file = fd.FileName;

2.2.2 手動投放

通過設(shè)置獨立按鍵映射特定舵機動作完成載荷的預(yù)定和緊急投放。

resources.ApplyResources（this.servoOptions1， "servoOptions1"）;

this.servoOptions1.Name = "servoOptions1";

this.servoOptions1.thisservo = 5;

this.servoOptions1.Load += new System.EventHandler（this.servoOptions1_Load）;

2.2.3 高低速切換

速度切換按鈕用于加載預(yù)定速度值。

private void modifyandSetSpeed_Load（object sender， EventArgs e）

3 ?外場試驗

選擇了多種環(huán)境對地面站進行測試，使用修改后版本的開源飛控地面站大大降低了誤操作和進入各級界面的延遲。相對于原版地面站在切換航線時需要進入3～5個界面，點擊3個按鈕;在緊急拋棄載荷時需要切換兩次界面。經(jīng)過人機優(yōu)化過的修改版地面站只需一鍵操作，單次操作時間縮短了10～15s，且降低了誤操作的可能性。多次試飛中，修改版地面站工作穩(wěn)定。對模擬地面目標進行了偵察與識別，并對一個目標執(zhí)行了打擊任務(wù)。該任務(wù)最快用時可達1'30''。而使用原版地面站的整個任務(wù)流程均在3min以上。這個實驗結(jié)果可以表明修改版地面站在操作效率上的有效提升。

4 ?結(jié)語

利用合理的人機工程學(xué)與程序設(shè)計，從硬件與軟件兩方面針對察打一體無人機系統(tǒng)的地面站進行設(shè)計與優(yōu)化。在硬件上，壓縮設(shè)備與載機的體積，地面站與察打一體載機裝入同一個長寬高相加少于1.6m的箱體中，并且將控制系統(tǒng)模塊化，優(yōu)化了察打一體載機的安裝流程。軟件上，修改和調(diào)試開源地面站源碼，實現(xiàn)了關(guān)鍵任務(wù)和操作的一鍵式操控，一定程度上降低了操縱員在分秒必爭的戰(zhàn)場環(huán)境下的操作壓力。經(jīng)過實測，這些改進非常實用，提升了察打一體無人機系統(tǒng)的操控體驗和操控效率，為察打一體無人機的自動飛行和偵察能力積累了一定的經(jīng)驗。未來地面站的功能將更為強大：不僅能控制同一型號的無人機群，還能控制不同型號無人機的聯(lián)合機群;地面站系統(tǒng)具有開放性和兼容性，即不必進行現(xiàn)有系統(tǒng)的重新設(shè)計和更換就可以在地面控制站中通過增加新的功能模塊實現(xiàn)功能擴展。

參考文獻

[1] 趙婷婷.無人機地面站與航跡規(guī)劃的研究[D].天津大學(xué)，2012.

[2] 周焱.無人機地面站發(fā)展綜述[J].航空電子技術(shù)，2010，41（1）：1-6.