輕型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)評(píng)估軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐玉 聞曉宇 王威 侯朋朋

摘 要：文章是介紹一款對(duì)輕型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。系統(tǒng)通過一套無人機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)把無人機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)通過評(píng)分較為直觀的反應(yīng)出來，也為不同類型的無人機(jī)之間的對(duì)比評(píng)價(jià)提供了可操作性。無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)是一個(gè)閉環(huán)的、高度集成的飛行控制系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)鏈路傳輸，飛行系統(tǒng)指令，以及無人機(jī)體對(duì)指令的響應(yīng)等諸多過程，因此飛行品質(zhì)指標(biāo)參數(shù)可通過進(jìn)行量化評(píng)分，由數(shù)據(jù)鏈路，飛控系統(tǒng)和飛機(jī)本體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)單獨(dú)打分相加得到。以此為理論基礎(chǔ)研究無人機(jī)系統(tǒng)品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，主要包括軟件功能設(shè)計(jì)、程序流程設(shè)計(jì)、制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)構(gòu)架的建立。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估；軟件功能設(shè)計(jì)；評(píng)分細(xì)則

中圖分類號(hào)：V212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0062-03

Abstract： This paper introduces the design and development of a flight quality evaluation software for light fixed wing unmanned aerial vehicle （UAV） system. The system reflects the flight quality evaluation of UAV directly through a set of UAV flight quality scoring standards， and also provides maneuverability for the comparison and evaluation of different types of UAVs. The UAV mission is a closed-loop， highly integrated flight control system that includes data link transmission， flight system instructions， and unmanned airframe responses to commands， and many other processes， including data link transmission， flight system instructions， and unmanned aerial vehicle response to instructions， are included in the flight control system. Therefore， the flight quality index parameters can be obtained by adding the data link， the flight control system and the aircraft motion response separately through quantitative scoring. Based on this theory， the design and development of UAV system quality assessment system software are studied， including the software function design， program flow design， the establishment of scoring standards and the establishment of the system architecture.

Keywords： UAV flight quality assessment； software functional design； rating details

1 概述

無人機(jī)種類眾多，用途廣泛，在軍事和日常工作領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用和意義[1]，飛行品質(zhì)規(guī)范是設(shè)計(jì)無人機(jī)（包括飛行控制系統(tǒng)）的依據(jù)和基礎(chǔ)[3]。良好的飛行品質(zhì)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)工作可以起到事半功倍的作用[2]。本文以輕型固定翼無人機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其飛行品質(zhì)評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行了分析研究。

2 需求分析

輕型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)評(píng)估軟件的目標(biāo)是對(duì)輕型固定翼無人機(jī)的主要飛行品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速計(jì)算，為無人機(jī)飛行狀態(tài)監(jiān)控提供數(shù)據(jù)參照。

從功能需求的角度出發(fā)，固定翼無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)固定翼無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性、起降速度特性及穩(wěn)定性、俯仰操縱特性等方面的飛行品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行基于數(shù)據(jù)的評(píng)估和統(tǒng)計(jì)。

該評(píng)估軟件系統(tǒng)具有良好的可拓展性，可進(jìn)行多種無人機(jī)選型的切換，能夠快速增添新機(jī)型和新評(píng)估參數(shù)，以適應(yīng)不同類型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)的評(píng)估要求，滿足用戶的使用需求。

從數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定以及運(yùn)算準(zhǔn)確的角度出發(fā)，該評(píng)估軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐，并且，會(huì)對(duì)每次輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析和儲(chǔ)存入庫(kù)，保證了評(píng)估的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3 飛行品質(zhì)評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

輕型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)評(píng)估軟件根據(jù)需求分析可將功能劃定為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)管理模塊、品質(zhì)評(píng)估模塊、查詢統(tǒng)計(jì)模塊，其功能設(shè)計(jì)圖如圖1所示。數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)機(jī)型參數(shù)的管理、對(duì)無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的錄入，對(duì)評(píng)估結(jié)果的存儲(chǔ)以及對(duì)飛行品質(zhì)評(píng)估指標(biāo)的設(shè)置。品質(zhì)品估模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心內(nèi)容，系統(tǒng)根據(jù)錄入的無人機(jī)參數(shù)，以設(shè)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)目標(biāo)無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行品質(zhì)評(píng)估，同時(shí)也會(huì)把無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)存檔并把評(píng)估結(jié)果一并存檔以便查詢。查詢統(tǒng)計(jì)模塊可以把無人機(jī)信息和評(píng)估數(shù)據(jù)整理存檔，方便查詢參與評(píng)估過的無人機(jī)的評(píng)估數(shù)據(jù)。

3.2 流程設(shè)計(jì)

輕型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)評(píng)估軟件流程設(shè)計(jì)如圖2所示。評(píng)估軟件可對(duì)無人機(jī)機(jī)型信息進(jìn)行錄入，以便于評(píng)估選型使用。

評(píng)估軟件根據(jù)無人機(jī)的類型，選擇無人機(jī)的評(píng)估指標(biāo)參數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)評(píng)估算法，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析并參考評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，得到評(píng)估結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的飛行品質(zhì)評(píng)估。同時(shí)，通過對(duì)錄入無人機(jī)進(jìn)行編號(hào)，完成數(shù)據(jù)錄入后，該無人機(jī)的信息將自動(dòng)存檔在數(shù)據(jù)庫(kù)中。無人機(jī)完成飛行品質(zhì)評(píng)估后，其對(duì)應(yīng)的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果也會(huì)錄入到對(duì)應(yīng)的無人機(jī)信息庫(kù)里，分類保存以便于查詢，而對(duì)于飛行品質(zhì)未通過或者無用數(shù)據(jù)系統(tǒng)也可以及時(shí)的清理。

3.3 評(píng)分指標(biāo)

根據(jù)輕型固定翼無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估的特點(diǎn)，建立如下評(píng)分細(xì)則：目前無人機(jī)呈多類發(fā)展，不同類的無人機(jī)的設(shè)計(jì)理念思想以及使用任務(wù)要求不同，因而，需要區(qū)分種類評(píng)估無人機(jī)的飛行品質(zhì)，但是不同類的無人機(jī)飛行品質(zhì)的區(qū)分，主要區(qū)分它的任務(wù)特點(diǎn)，所以需要對(duì)此加以考慮，可以引入權(quán)重系數(shù)通過權(quán)重來實(shí)現(xiàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。雖然飛行品質(zhì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的單項(xiàng)檢驗(yàn)，局部都反映出無人機(jī)特性。需要關(guān)注的是某些無人機(jī)需要完成特定的任務(wù)而相對(duì)應(yīng)某項(xiàng)飛行品質(zhì)起著至關(guān)重要的地位，則這些對(duì)某些性能有著特殊要求的無人機(jī)在要求的性能評(píng)分上取最低值。無人機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)與有人機(jī)的最大的區(qū)別，不但要考慮飛行器本身的設(shè)計(jì)[4]，還要考慮測(cè)控鏈路和飛控的設(shè)計(jì)。它們?cè)谠O(shè)計(jì)上的疏漏和缺失，都將導(dǎo)致無人機(jī)品質(zhì)的下降，也直接反應(yīng)在飛行品質(zhì)評(píng)分上的降低。根據(jù)無人機(jī)的以上特點(diǎn)建立以下評(píng)分點(diǎn)：

（1）單項(xiàng)飛行品質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)得分；

（2）飛行品質(zhì)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；

（3）飛控系統(tǒng)影響系數(shù)；

（4）測(cè)控鏈路影響系數(shù)。

得到飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)后，可根據(jù)分?jǐn)?shù)將無人機(jī)飛行品質(zhì)作出以下評(píng)價(jià)：

9分～10分 優(yōu)秀

7.5分～9分 良好

6分～7.5分 合格

6分以下 不合格

對(duì)于每一架無人機(jī)，根據(jù)上述方法，都可以給出0～10分之間的一個(gè)唯一與飛行品質(zhì)相對(duì)應(yīng)的評(píng)分得分，對(duì)無人機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)能夠較為直觀的反應(yīng)出來，也為不同類型的無人機(jī)之間的對(duì)比評(píng)價(jià)提供了可操作性。

3.4 系統(tǒng)構(gòu)架圖

輕型固定翼無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)采用基于對(duì)話框的架構(gòu)，即數(shù)據(jù)表示，界面顯示，用戶輸入交互在同一個(gè)界面實(shí)現(xiàn)。使程序使用更加直觀，便利。界面交互通過MFC對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)；數(shù)據(jù)管理通過SQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為數(shù)據(jù)管理與分析帶來了靈活性，允許單位在快速變化的環(huán)境中從容響應(yīng)。

交互界面是整個(gè)系統(tǒng)中處于關(guān)鍵的位置，包含了所有功能界面。它不僅要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的交互，以完成相應(yīng)的功能，還向用戶提供友好的界面。在交互界面上實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)型的選擇、數(shù)據(jù)錄入和進(jìn)入評(píng)估程序。所以交互界面在整個(gè)系統(tǒng)中還起著承上啟下的作用，通過接受用戶請(qǐng)求的指令完成相應(yīng)的功能。

數(shù)據(jù)管理通過SQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從交互界面接受的數(shù)據(jù)能夠直接儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在無人機(jī)完成飛行品質(zhì)測(cè)試后把對(duì)應(yīng)的測(cè)得數(shù)據(jù)錄入到對(duì)應(yīng)的無人機(jī)信息庫(kù)里。用戶同樣能通過交互界面提出查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的無人機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速直接的查詢測(cè)試無人機(jī)的品質(zhì)數(shù)據(jù)。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

輕型固定翼無人機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)評(píng)估軟件是采用Microsoft Visual C++實(shí)現(xiàn)的程序，數(shù)據(jù)管理采用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)涵蓋用戶登錄、數(shù)據(jù)錄入、查詢、品質(zhì)評(píng)估、數(shù)據(jù)維護(hù)、幫組等功能為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估提供了完整的邏輯流程，其界面如圖4、5所示。

5 結(jié)束語

本文的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了固定翼無人機(jī)飛行品質(zhì)的定向以及總體可靠性的評(píng)估。建立了固定翼無人機(jī)飛行品質(zhì)參數(shù)化評(píng)價(jià)方法，并依據(jù)此方法結(jié)合無人機(jī)特點(diǎn)建立一種能對(duì)不同類型固定翼無人機(jī)的基本飛行品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估的算法，將無人機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入軟件系統(tǒng)中，能快速計(jì)算出試驗(yàn)無人機(jī)飛行品質(zhì)的相應(yīng)報(bào)告單和品質(zhì)評(píng)分，以達(dá)到評(píng)估的目的。

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