無人直升機數據分析軟件設計與實現

宋樂

（航空工業直升機設計研究所無人機事業部，江西景德鎮，333001）

0 背景和意義

從上世紀80 年代開始，我國無人直升機已經歷經30多年的發展。近年來，在無線電偵測、地質地貌測繪、航空影拍、電力施工、森林防火、應急救災、通信中繼、反恐偵查等領域有廣泛的應用[1]。隨著越來越多在民用場景下應用，無人直升機在使用過程中產生的數據對無人機系統設計、仿真驗證、地勤維修以及試驗試飛等工作都具有較高的工業價值[2]。因此研發出一款針對無人直升機的數據分析軟件對無人機直升機的使用和發展具有極大的幫助。

本文首先提出一種無人直升機通用數據存儲結構。并此基礎上設計無人直升機數據分析軟件的功能和界面。最后通過實際使用場景檢驗該軟件的應用價值。

1 數據存儲結構

無人直升機在使用過程中每時每刻會產生大量數據。根據數據來源不同大體可分為飛行遙控數據、飛行遙測數據、鏈路狀態數據、鏈路控制數據和地面設備數據等。這些數據通過網絡或串口以字節流的形式傳遞。

為了更加全面有效的分析數據。需要將數據本身和數據的各種屬性存儲在本地。表1 列出數據的通用存儲結構。其中接收時間使用長整形保存，也可以使用BCD 時間量。幀數據指多種不同類型的數據幀二進制字節流。

表1 數據通用存儲結構

2 軟件功能設計

無人直升機數據分析軟件具有協議管理模塊、幀仿真模塊和數據分析模塊。可以模擬無人直升機各種真實數據實現各種功能的虛擬仿真。也可以對真實的無人直升機數據進行圖形化展現，并提供各種分析工具獲取分析結論。

■2.1 協議管理模塊

無人直升機使用中產生了各種幀數據均由協議格式決定。管理協議數據是軟件的核心功能之一。協議管理模塊提供協議的管理、編輯和保存功能。圖1 顯示該軟件協議編輯和管理的界面。具體功能如下所示。

圖1 協議管理模塊界面

(1)協議管理。

對協議進行樹形分類管理。同時在協議類下創建協議信息，包括協議名稱和描述等。

(2)協議編輯。

創建協議信號表結構。表中每行可表示一個協議信號。通過填寫信號名、字節數、有無符號、分辨率和偏移量等信息創建一個信號。根據不同信號特點可以分辨創建模擬量信號、離散量信號、校驗信號等。

(3)協議保存。

編輯完所有信號后可以將協議數據進行保存。該軟件采用SQLite 輕量級關系型數據庫保存數據。也可以選擇其他關系型數據庫或本地配置文件保存。

■2.2 幀仿真模塊

無人直升機數據分析軟件可以方便的創建各種幀數據仿真用例以測試無人機各種功能是否正常。幀仿真模塊用于創建各種滿足協議的幀數據。并通過指定通信接口發送。圖2 顯示該軟件幀仿真功能界面。具體功能如下所示。

圖2 幀仿真模塊界面

(1)幀用例管理。

根據測試需求創建幀用例信息，并對用例進行樹形分類管理。幀用例信息包括用例名和描述等。

(2)幀數據編輯。

在幀用例中可以創建若干幀數據。每個幀數據都必須指定對應的協議。編輯幀數據值(十六進制字符串)可以自動解析出協議中信號的具體值(數值、狀態值或文本值)。同理編輯協議中的信號具體值會自動解析成幀數據值。

(3)通信接口設置。

可以根據需要為幀用例設置發送接口。UDP 網絡接口需要設置IP 地址和端口號。串口接口需要設置波特率、數據位等信息。還可以設置發送的周期時間。

(4)數據仿真發送

提供循環發送和單步發送兩種方式。循環發送可以根據幀用例的發送周期時間自動將每幀數據按次序循環發送。

■2.3 數據分析模塊

數據分析模塊是軟件的核心功能。它可以將真實的幀二進制字節流解析成指定協議的信號值。同時在時間軸維度上繪制出信號值曲線。該模塊可以將多個信號曲線繪制在同一個時間軸上，并提供多種功能進行數據分析。圖3 顯示不同信號數據的分析曲線界面。具體功能如下所示。

圖3 數據分析模塊界面

(1)可以顯示曲線上的數據離散點。點擊后可詳細顯示幀十六進制源碼值、信號真實值、協議類型和數據發生時間等。

(2)可以框選曲線的一部分放大顯示。方便分析某小段時間內的數據變化。

(3)可以拖動一根垂直線標注出同一時刻不同信號值的對比結果。方便精確分析信號值之間的關聯關系。

(4)可以拉動一根水平線圈定一段時間范圍，以顯示在該時間內的各項統計數據結果。

(5)可以統計出指定信號的數據發生時長、最大值、最小值、平均值、相鄰點最大幅度和最大時段等。

(6)可以分析數據點之間的時間間隔、以確定通信質量。

(7)可以分析出現數據跳變的時間和幅度。

(8)可以通過程序對不同信號分析出微小時間段內異常數據曲線。

(9)可以平鋪顯示多個信號數據的曲線段。方便在較大時間范圍內觀察數據變化。

(10)可以將多次飛行后分析的結果進行再次比較，以確定在不同環境不同任務下無人機的飛行性能。

3 應用實例

軟件在無人機飛行任務后對各種數據進行分析后，可用于排查潛在的故障隱患。比如在某型無人機某次試飛后。試飛人員通過飛行數據分析后發現發動機缸溫在很小時間段內出現多次不正常數據波動。進而地勤人員檢查無人機后發現發動機冷卻液管路出現微小滲漏。此次數據分析避免了可能發生的重大險情。

軟件可以對無人機設計研發提供幫助。比如某型無人機在高原進行多次飛行后，將飛控數據進行分析比對發現空氣盒溫度比平時使用有較大提高。為保證無人機的高原性能和動力系統的安全。設計人員對無人機加裝了中冷系統。之后使用軟件進行數據分析后正式中冷系統改善了無人機的環境溫度。

除對機載設備數據分析外。軟件還可以對地面控制系統數據進行分析。通過多次分析無人機在各飛行姿態下的鏈路通信數據?？梢苑治龀霾煌瑹o人機外形下天線安裝的最優方案。也可以對無人機飛行過程中的航線設計進行優化，以防止出現較大范圍內通信中斷的現象。

長期實踐表明無人直升機數據分析軟件在無人機設計、試飛和使用階段都具有重要的應用價值。對無人直升機的發展有一定的幫助。

4 結束語

本文詳細介紹了無人直升機數據分析軟件的模塊設計、界面設計和功能實現。并通過多個應用實例說明該軟件的科研價值、工程價值和應用價值。