基于開(kāi)源飛控的察打一體無(wú)人機(jī)地面站設(shè)計(jì)

唐振國(guó) 林恩民 袁正明 林在舟 慈宬嶂

摘 ?要：在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，地面站系統(tǒng)涉及到了人機(jī)工程學(xué)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐?wèn)題，是直接與無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的操作體驗(yàn)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(qiáng)度惡劣環(huán)境下的正常使用。

關(guān)鍵詞：地面站 ?察打一體 ?開(kāi)源飛控

中圖分類號(hào)：V279 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0001-02

目前察打一體無(wú)人機(jī)的操作模式主要有兩類。第一類主要是全自動(dòng)尋的，對(duì)標(biāo)定的坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)打擊;第二類則是使用類似有人攻擊機(jī)的操縱方式對(duì)目標(biāo)近距打擊。兩種方式各有利弊，自動(dòng)打擊對(duì)偽裝、時(shí)敏性目標(biāo)的打擊效果不理想，而手動(dòng)操作對(duì)操縱手要求很高。所以設(shè)計(jì)了一款基于開(kāi)源飛控的無(wú)人機(jī)地面站解決這一矛盾。無(wú)人機(jī)地面站（GCS：Ground Control System），是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，無(wú)人機(jī)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(duì)不同型號(hào)和不同用途的無(wú)人機(jī)，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(wú)人機(jī)的地面站系統(tǒng)綜合自動(dòng)偵察打擊與操縱員識(shí)別決策任務(wù)，減輕了操縱員負(fù)擔(dān)，達(dá)到精準(zhǔn)、高效、快速的外科手術(shù)式對(duì)地打擊效果。

1 ?所需硬件

1.1 其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

載機(jī)設(shè)備艙采用模塊化設(shè)計(jì)。這大大減少了測(cè)試與調(diào)參的工作量，在長(zhǎng)途攜帶時(shí)單獨(dú)保存在減震隔層中，可以更妥善地保護(hù)精密電子儀器，也減少了對(duì)機(jī)體保護(hù)的不必要重量。可以根據(jù)任務(wù)需求加掛不同任務(wù)載荷，配合機(jī)載攝像頭與高清圖傳可實(shí)時(shí)傳回飛行畫(huà)面，偵察地面目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后投放掛載的武器進(jìn)行打擊。

1.2 地面站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足未來(lái)軍事機(jī)械化信息化背景下的班組攜行作戰(zhàn)要求，我們將無(wú)人機(jī)載機(jī)、遙控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、電子設(shè)備等所有該無(wú)人機(jī)需要的設(shè)備和工具都集成到了一個(gè)長(zhǎng)寬高少于1.6m的長(zhǎng)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(wèn)題。

1.3 設(shè)備選擇

選擇任意一臺(tái)安裝有開(kāi)源飛控地面站軟件MissionPlanner的15.6英寸以下的移動(dòng)電腦作為主控，主要對(duì)開(kāi)源地面站的人機(jī)界面進(jìn)行人機(jī)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(hào)，并由開(kāi)源飛控疊加顯示所需飛行參數(shù)。

1.4 人機(jī)工學(xué)

整套系統(tǒng)的人機(jī)工學(xué)分為兩部分：一部分是載機(jī)的人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)，另一部分是地面端的人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)。天空端載機(jī)設(shè)備艙采用了模塊化設(shè)計(jì)，將開(kāi)源飛控及配套設(shè)備完全集成到一個(gè)可插拔的設(shè)備棒中，配合開(kāi)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(jī)機(jī)型和多架同種機(jī)型的無(wú)縫切換，大大簡(jiǎn)化后勤和測(cè)控壓力。機(jī)翼與機(jī)身的連接使用活動(dòng)插銷+電氣插口的設(shè)計(jì)，便于安裝地面端利用MissionPlanner的開(kāi)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(diǎn)劃設(shè)上的不便和遇到緊急情況下容易誤操作的問(wèn)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(shí)間。

2 ?軟件

在地面站軟件中已經(jīng)集成了系統(tǒng)級(jí)的各項(xiàng)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(guò)采集卡內(nèi)建的格式轉(zhuǎn)換將視頻流通過(guò)USB數(shù)據(jù)端口導(dǎo)入地面站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控割裂開(kāi)來(lái)。而在察打一體的操縱過(guò)程中，所模擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，應(yīng)盡量減少無(wú)用重復(fù)的操作。

2.1 軟件環(huán)境配置

選擇運(yùn)行Ubuntu虛擬機(jī)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(jì)]下編輯UI界面，并進(jìn)行預(yù)覽。在FlightPlanner.cs下進(jìn)行源代碼的查看與調(diào)整。

2.2 實(shí)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(jī)各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)，一邊確認(rèn)目標(biāo)和寫入航點(diǎn)文件，而這些操作并不能在同一級(jí)的單個(gè)界面中完成，對(duì)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(diǎn)寫入和緊急情況的處置兩個(gè)方面入手。現(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(guò)設(shè)置特定按鈕并重新指向航點(diǎn)文件，載入航點(diǎn)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(dòng)投放

通過(guò)設(shè)置獨(dú)立按鍵映射特定舵機(jī)動(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)

選擇了多種環(huán)境對(duì)地面站進(jìn)行測(cè)試，使用修改后版本的開(kāi)源飛控地面站大大降低了誤操作和進(jìn)入各級(jí)界面的延遲。相對(duì)于原版地面站在切換航線時(shí)需要進(jìn)入3～5個(gè)界面，點(diǎn)擊3個(gè)按鈕;在緊急拋棄載荷時(shí)需要切換兩次界面。經(jīng)過(guò)人機(jī)優(yōu)化過(guò)的修改版地面站只需一鍵操作，單次操作時(shí)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(duì)模擬地面目標(biāo)進(jìn)行了偵察與識(shí)別，并對(duì)一個(gè)目標(biāo)執(zhí)行了打擊任務(wù)。該任務(wù)最快用時(shí)可達(dá)1'30''。而使用原版地面站的整個(gè)任務(wù)流程均在3min以上。這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yǔ)

利用合理的人機(jī)工程學(xué)與程序設(shè)計(jì)，從硬件與軟件兩方面針對(duì)察打一體無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的地面站進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在硬件上，壓縮設(shè)備與載機(jī)的體積，地面站與察打一體載機(jī)裝入同一個(gè)長(zhǎng)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(jī)的安裝流程。軟件上，修改和調(diào)試開(kāi)源地面站源碼，實(shí)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(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的操作壓力。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，這些改進(jìn)非常實(shí)用，提升了察打一體無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的操控體驗(yàn)和操控效率，為察打一體無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行和偵察能力積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。未來(lái)地面站的功能將更為強(qiáng)大：不僅能控制同一型號(hào)的無(wú)人機(jī)群，還能控制不同型號(hào)無(wú)人機(jī)的聯(lián)合機(jī)群;地面站系統(tǒng)具有開(kāi)放性和兼容性，即不必進(jìn)行現(xiàn)有系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)和更換就可以在地面控制站中通過(guò)增加新的功能模塊實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

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

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