基于VC++和TRTD的無人機地面站軟件開發

摘 要: 針對某無人機飛行監測和控制要求，以VC++為開發環境，采用TRTD實時程序開發包開發人機界面，設計了操作方便，功能強大的集飛行監測和控制、地面檢測于一體的無人機地面站軟件系統。軟件采用多線程設計方法，設計了主線程和串口通信子線程，串口通信以保證上行數據為主設計握手協議，將下行數據依對飛行安全重要性不同分為不同傳輸頻率的輔禎，解決了串口通信數據，容易導致通信堵塞和地面站需要數據更新快的矛盾。經實際聯調，系統運行良好，通信實時性高，很好地完成了各部分功能，并具有良好的擴展性。關鍵詞:無人機; 地面站; 串口通信; 多線程

中圖分類號:TN911-34; TP311.52 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0046-03

Design of Software for UAV Flight Control Ground Station Based on VC++ and TRTD

HE Xiang-zhi，WANG Rong-chun，ZHOU Wei

(Beijing Aeronautical Technology Research Center，Beijing 100076， China)

Abstract: According to the requirement of flight monitoring and control of certain UAV， a multifunctional and convinient flight control ground station software is designed which contain functions of flight control， monitoring and ground testing to develop human machine interface by using VC++ and TRTD. The software design used multithread method and designed the main thread and serial communication thread. To ensure the uplink data， the serial communication handshaking protocol is designed. The downlink data is divided into auxiliary frame of different transmission frequency according to different importance of flight safety， which can solve the problems of communication jamming and fast data update. Experiments show that the system works well and the communication is of perfect real-time property. The task of UAV ground station system is fulfilled with satisfaction and it also has good expansibility.Keywords: UAV; ground control station; serial communication; multithread

收稿日期:2010-06-18

0 引 言

無人機(UAV)是一種動力驅使、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器[1]。無人機的飛行控制系統包括兩個層次，如圖1所示，分別是飛機系統和地面控制系統。無人機的地面控制系統，即地面站GCS(Ground Control Station)，是無人機的重要組成部分，是整個無人機系統的“神經中樞”[2]，它控制系統各項功能的成功實現。地面站可以完成無人機的飛行操縱、數據鏈管理、機載任務設備控制和地面檢測，同時以數字和圖形形式提供飛機飛行狀態，實現對全系統的監控[3]。

為了提高實時性，本文采用Tilco公司的TRTD(Tilcon Real-Time Developer)實時程序開發包在Windows XP操作系統下開發地面站軟件。TRTD是一個簡單易用、快速、多平臺的實時程序開發包，它包括兩部分:TILCON Graphics Editor和TILCON Kernel。TILCON Graphics Editor是一個功能強大的圖形編輯器，可以產生諸如窗口、菜單、按鈕、復選框、表格等圖形對象，產生一個.twd文件供應用程序調用。TILCON Kernel是應用程序與操作系統之間相互連接的一個平臺，應用程序調用TILCON Kernel提供的API (application programming interface)函數與操作系統發生關系。經過綜合考慮，選用C語言在Visual C/C++6.0集成開發環境下開發應用程序[4]。

1 軟件總體

1.1 軟件總體框架

無人機的飛行控制系統如圖1所示。地面站的主要任務是定時采集分析遙測數據、實時發送遙控指令以及無人機的地面檢測。因此地面站軟件應用程序主要分為兩個線程，主線程用于程序的初始化、子線程的創建和結束、應用程序主窗口的管理以及遙控遙測數據的顯示和記錄;串口通信子線程主要管理遙控遙測與飛行控制計算機的通信，根據通信協議把通信內容組幀或解幀[5]。軟件總體框架如圖2所示。

圖1 無人機飛行控制系統

圖2 軟件結構圖

程序是從主函數WinMain()開始的，它們具有相同的程序架構，程序流程如圖3所示。MainEventLoop()和DlinkRx()是程序在正常運行情況下一直會執行的函數體，DlinkRx()主要實現串口數據接收及解碼，在MainEventLoop()中主要調用函數ProcessNotification()，所以函數ProcessNotification()成為主要運行的函數體，由它來實現定時調用函數(case TRT_timer_hint) 以及處理主界面的一些操作(case TRT_window)。

圖3 軟件流程圖

1.2 界面設計

鑒于飛控地面站的主要任務，地面站軟件界面的設計分為遙控遙測界面和地面檢測界面，軟件界面的組成結構如圖4所示。界面采用TRTD提供控件進行設計，遙測數據顯示包括了數據顯示和圖形顯示[6]。數據顯示界面用來顯示飛行姿態信息、氣壓高度、空速、GPS信息等;圖形顯示用來實現飛行姿態信息、高度和空速的表盤顯示。故障回報通過故障燈閃爍報告飛機電源、鏈路、發動機狀態、機載傳感器狀態，使地面站及時接收故障信息;采用Excel表格保存實時數據，方便后續數據統計分析[7]。

圖4 界面總體設計

2 串口通信

地面站通過RS 232串口與無人機進行數據交換。數據分為周期性數據和非周期性數據2種。周期性數據主要是無人機飛行時的下行數據，即遙測數據;非周期性數據主要是無人機飛行時的上行數據和地面檢測數據。

當地面站與無人機通過數傳電臺進行無線通信時，雖然地面站與地面數傳電臺以及無人機與機載數傳電臺采用RS 232串口為全雙工的工作方式，但機載電臺與地面電臺進行數據交換時為半雙工的工作方式，因此在串口讀寫時要考慮握手協議。從無人機的飛行安全出發，要求無人機要能盡快響應地面的指令，因此在串口通信設計時以地面上行指令為主。默認情況下無人機不下發數據，當無人機收到上行的握手信號后才進行數據的下傳，為了提高握手信號上行的精度，采用多媒體定時器來定時調用cmdsend_flag()，多媒體定時器回調函數的原型如下:

CALLBACK Timerdefine(UINT uDelay，UINT uMsg，DWORD dwUser，DWORD dw1，DWORD dw2)

同時為了避免可能產生的下行數據更新慢而影響到地面操作人員對飛機狀態的把握，將下行數據按重要等級分為A，B，C三個輔禎。A輔禎主要記錄飛機的姿態、角速率等信息;B輔禎主要記錄飛機的大氣數據，如高度、空速、地面控制指令等信息;C輔禎則記錄GPS的相關信息。A，B，C三個輔禎下行頻率為6∶3∶2，既滿足了地面操作人員對飛機安全相關信息的及時把握，又避免了由于數據多而導致的鏈路堵塞問題。

串口操作采用庫文件wsc32.lib提供的串行通信函數實現，常用的有SioGetc(int)和SioPuts(int，LPSTR，unsigned)，前者從指定串口接收1個字節的數據，后者將指定長度的數據通過出串口發送出去[8]。圖5給出數據發送和數據接收流程。

圖5 數據發送和接收流程

3 地面檢測

地面檢測的主要功能是接收飛控計算機發送下來的各種傳感器等信息，同時發送地面檢測指令信號給飛控計算機，實現在無人機沒有飛行之前對整個飛控系統進行檢查，并完成飛控系統中相關參數的配置。

地面檢測時無人機的下行數據同飛行時的遙測數據相同。然而地面檢測的上行數據比較繁雜，它包括控制指令中的地面檢測開關、回傳數據開關、裝訂數據開關等;又包括執行機構指令中的各舵面PWM輸出測試指令、舵機參數中的比例因子、偏移量的設置，各舵面指令的發送及循環舵檢等;又包括任務航線的裝訂，發動機三段、油門的設置及輸出，以及各參數查詢及保存指令的上行等[9]。

4 結 語

本文介紹了某無人機系統地面控制站的軟件設計與實現。該軟件具有實時性強，穩定性好，人機界面友好，可擴展能力強等優點。通過系統的實際聯調測試，該軟件可以實現長時間、大數據量的運行。該軟件很好地實現了各部分功能，可以適用于不同的無人飛行器，且通用性很強[10]。

參考文獻

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