無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與狀態(tài)追蹤系統(tǒng)

魏明哲

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

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無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與狀態(tài)追蹤系統(tǒng)

魏明哲

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

摘要：針對(duì)小型無(wú)人機(jī)控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了一套地面站綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有航向的監(jiān)測(cè)與控制、航跡的規(guī)劃與顯示、任務(wù)信息的接收與執(zhí)行等功能，可以實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī)的超視距控制和任務(wù)信息的回傳與追蹤。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)64 bit數(shù)據(jù)幀間隔50 ms收發(fā)與間隔1 000 ms顯示數(shù)據(jù)更新，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；航跡規(guī)劃；狀態(tài)追蹤；地面站控制系統(tǒng)

0引言

無(wú)人機(jī)通過(guò)陀螺儀感知自身飛行狀態(tài)，依據(jù)地面控制站發(fā)送來(lái)的路徑信息和任務(wù)信息，自動(dòng)計(jì)算飛行路線并控制旋翼動(dòng)作到達(dá)預(yù)定目標(biāo)。路引等研究人員對(duì)電臺(tái)上行與下行數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行了仿真，并結(jié)合OpenGL功能仿真了飛行器姿態(tài)[1]。本文將對(duì)無(wú)人機(jī)飛行中實(shí)際采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制分析，并在上行與下行數(shù)據(jù)幀構(gòu)成上結(jié)合實(shí)際情況作了修改，具有實(shí)用價(jià)值。

1無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的組成

無(wú)人機(jī)的應(yīng)用技術(shù)可分為以下三個(gè)部分：地面站控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)載荷和任務(wù)載荷。

地面站控制系統(tǒng)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)中，負(fù)責(zé)智能無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃、GPS坐標(biāo)和多種傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)、無(wú)線電臺(tái)數(shù)據(jù)的收發(fā)控制；運(yùn)動(dòng)載荷負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收與運(yùn)動(dòng)方向的計(jì)算、傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送；任務(wù)載荷主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)附加功能的實(shí)現(xiàn)，如視頻接入、探測(cè)掛載等。

2無(wú)人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的組成

地面控制站需具有航跡規(guī)劃、飛行速度設(shè)定、協(xié)議轉(zhuǎn)換等發(fā)送功能，同時(shí)具有無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)回傳狀態(tài)信息的接收與顯示監(jiān)控功能，從而使無(wú)人機(jī)能夠安全可靠地飛行和完成指定任務(wù)。筆者主要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了地面站控制系統(tǒng)。針對(duì)航跡規(guī)劃和狀態(tài)追蹤的功能需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃功能和針對(duì)GPS信息、姿態(tài)傳感器的狀態(tài)追蹤功能[2]；同時(shí)結(jié)合E30-TTL-100無(wú)線串口電臺(tái)，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)界面友好、基于UDP協(xié)議的地面站控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)的來(lái)源采用軟件模擬結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)E30-TTL-100無(wú)線串口電臺(tái)收發(fā)。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1　地面控制系統(tǒng)的組成

2.1無(wú)線電臺(tái)

2.1.1硬件平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和地面站控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，選用E30-TTL-100無(wú)線串口電臺(tái)，該無(wú)線電臺(tái)常用工作頻段為433 MHz，最大功率20 dBm(約合100 mW)，空中速率1.0 Kbps，接收靈敏度為-119 dBm，空間最大傳輸距離為2 000 m[3]。在地面站終端通過(guò)串口轉(zhuǎn)換模塊與計(jì)算機(jī)連接，在無(wú)人機(jī)端采用RS232通訊接口與無(wú)人機(jī)主控進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

2.1.2軟件平臺(tái)

電臺(tái)軟件負(fù)責(zé)地面站控制系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，主要涉及波特率的設(shè)置、空中速率的設(shè)置、規(guī)劃平臺(tái)和監(jiān)控平臺(tái)的UDP數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。同時(shí)，針對(duì)輔助平臺(tái)，筆者還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其與無(wú)人機(jī)模擬平臺(tái)的UDP通信和無(wú)線收發(fā)功能。電臺(tái)硬件如圖2所示。

圖2　E30-TTL-100無(wú)線串口電臺(tái)

2.2規(guī)劃平臺(tái)

圖3　規(guī)劃平臺(tái)結(jié)構(gòu)

規(guī)劃平臺(tái)結(jié)合Google Earth軟件實(shí)現(xiàn)[4]。采用Google Earth指定飛行路線，生成經(jīng)緯度坐標(biāo)文件，規(guī)劃平臺(tái)調(diào)用經(jīng)緯度坐標(biāo)文件，設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行速度，依照通信協(xié)議組成待發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送至電臺(tái)進(jìn)行發(fā)射。規(guī)劃平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.3監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)主要由儀表盤(pán)和數(shù)據(jù)列表組成[5]。通過(guò)電臺(tái)接收下來(lái)的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依據(jù)通信協(xié)議解析出經(jīng)緯度、航向、橫滾、俯仰和速度等信息，送至監(jiān)控儀表盤(pán)實(shí)時(shí)顯示，追蹤無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)在數(shù)據(jù)列表中顯示[6]。監(jiān)控平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　監(jiān)控平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.4輔助平臺(tái)

無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)載荷采用軟件模擬的方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)輔助模擬平臺(tái)。模擬平臺(tái)通過(guò)電臺(tái)接收規(guī)劃平臺(tái)的數(shù)據(jù)，解析出路線規(guī)劃經(jīng)緯度坐標(biāo)和無(wú)人機(jī)飛行速度信息；將采集存儲(chǔ)的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)提取，依據(jù)通信協(xié)議組成待發(fā)送數(shù)據(jù)傳至電臺(tái)發(fā)送[7]。無(wú)人機(jī)模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　無(wú)人機(jī)模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3無(wú)人機(jī)系統(tǒng)交互軟件

交互軟件基于.NET平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。其中，本地IP為運(yùn)行地面控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的IP地址，IP地址采用16進(jìn)制碼顯示；網(wǎng)絡(luò)端口為預(yù)先設(shè)定平臺(tái)識(shí)別端口，不同平臺(tái)之間采用UDP協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口識(shí)別目的地址，實(shí)現(xiàn)同局域網(wǎng)下數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

3.1規(guī)劃平臺(tái)軟件

規(guī)劃平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6　規(guī)劃平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程

規(guī)劃平臺(tái)交互軟件如圖7所示。其中規(guī)劃平臺(tái)航跡規(guī)劃產(chǎn)生的GPS坐標(biāo)文件已由Google Earth軟件生成。軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)GPS坐標(biāo)文件的瀏覽、速度設(shè)定、規(guī)劃數(shù)據(jù)發(fā)送和無(wú)人機(jī)飛行指令的生成與發(fā)送；可實(shí)現(xiàn)規(guī)劃航跡數(shù)據(jù)在Google Earth上劃線顯示功能[8]。

圖7　規(guī)劃平臺(tái)交互軟件

3.2監(jiān)控平臺(tái)軟件

監(jiān)控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。監(jiān)控平臺(tái)交互軟件如圖9所示。軟件可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)回傳的64bit狀態(tài)數(shù)據(jù)的列表顯示與儀表盤(pán)動(dòng)態(tài)顯示功能[9]。

圖8　監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程

圖9　監(jiān)控平臺(tái)交互軟件

3.3電臺(tái)平臺(tái)軟件

電臺(tái)平臺(tái)與E30-TTL-100無(wú)線串口電臺(tái)硬件通過(guò)USB接口相連接，完成UDP數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)中轉(zhuǎn)。其交互軟件如圖10所示。

圖10　電臺(tái)平臺(tái)交互軟件

3.4模擬平臺(tái)軟件

模擬平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖11所示。模擬軟件實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃平臺(tái)的規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收與顯示功能模擬，以及真實(shí)航跡數(shù)據(jù)的發(fā)送功能，以上兩項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)均需結(jié)合電臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)，如圖12所示。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃和狀態(tài)追蹤系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、模擬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收與顯示，結(jié)合無(wú)線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)了間隔為1 s的數(shù)據(jù)更新和儀表板顯示更新，滿足系統(tǒng)性能要求。

圖11　模擬平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程

圖12　模擬平臺(tái)交互軟件

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(責(zé)任編校：夏玉玲)

An UAV Flight Path Planning and State Tracking System

WEI Ming-zhe

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：In the light of small-sized UAV control complexity，the author of this paper has designed a ground integrated control system for UAV， which is capable of monitoring and controlling courses， planning and displaying tracks， receiving and executing tasks， performing the BVR control of a small UAV， and sending back and tracking information. Experiments show that the system can receive and transmit 64 bit data at the interval of 50 ms and display data update at the interval of 1000 ms， thus meeting the application requirements.

Key Words：UAV； route planning； state tracking； ground control system

基金項(xiàng)目：2014年度唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14110213a)

作者簡(jiǎn)介：魏明哲(1983-)，男，河北安平人，講師，碩士，主要從事信號(hào)處理與通信系統(tǒng)研究。

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-349X(2016)03-0031-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.010