基于北斗定位的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法

宋 煜，黃 祥，張 欣，王海楠

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102）

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展與融入，人們已經(jīng)可以利用無人機(jī)精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)任務(wù)，獲取大量的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)[1]。無人機(jī)操作者在控制無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)，也要關(guān)注無人機(jī)自身及其周邊環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。由此可見無人機(jī)監(jiān)管模塊的重要性，國內(nèi)外學(xué)者均對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。

吳曌月[3]提出了基于GPS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法，在GPS 導(dǎo)航的基礎(chǔ)上對(duì)無人機(jī)的飛行位置進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)完成高精度數(shù)據(jù)上傳。該方法具有較高的數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)性，但是容易造成數(shù)據(jù)泄露，安全性較低。李英成[4]等提出了基于北斗一代系統(tǒng)的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)管方法，通過北斗一代系統(tǒng)中的雙星定位，獲取無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)授權(quán)無人機(jī)監(jiān)管模塊上傳與通信功能，具有較高的數(shù)據(jù)采集效率。但是該方法不能滿足信號(hào)與國際導(dǎo)航系統(tǒng)的格式兼容，從而導(dǎo)致無人機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)管方法沒有廣泛推廣。

綜上所述，該文利用北斗定位研究了一種新的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法。

1 無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)采集

對(duì)無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)的采集通常在較為復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行，確定可視化數(shù)據(jù)采集滿足不同環(huán)境下的精準(zhǔn)定位要求。該文選用北斗定位導(dǎo)航芯片[5]作為數(shù)據(jù)采集的核心元件，該芯片具有抗干擾性能高、能夠適應(yīng)北斗通信系統(tǒng)以及能夠精準(zhǔn)高速處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。該芯片在對(duì)外部的可視化數(shù)據(jù)采集的過程中設(shè)定數(shù)據(jù)的輸入通道是64 位HTM 芯片，通道中的傳輸數(shù)據(jù)頻率控制在BDSB1/GPDL1 范圍內(nèi)，由于無人機(jī)所處環(huán)境實(shí)時(shí)更新，所以采集數(shù)據(jù)的更新頻率必須大于1.5 Hz，對(duì)可視化數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度也控制在-163 dBm 以內(nèi)[5]。

無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)在芯片中會(huì)在STM32 串口處進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的接收與格式初始化，再從該引腳PA2 和PA3 處進(jìn)入到引腳T2IN 中，完成可視化數(shù)據(jù)傳輸通信的申請(qǐng)，通過申請(qǐng)的數(shù)據(jù)再進(jìn)入到TXD1中，被傳輸模塊中的處理器讀取。無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)從采集到傳輸流程之間所在的電路連接圖如圖1所示。

圖1 無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)從采集到傳輸流程之間所在的電路連接圖

根據(jù)圖1 可知，無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)從采集到傳輸流程之間所在的電路內(nèi)部擁有三個(gè)電容，一個(gè)芯片[6]。當(dāng)無人機(jī)由于某種原因與操作終端之間失去聯(lián)系或無人機(jī)出現(xiàn)事故，其中的無線射頻模塊開始動(dòng)作。無線射頻模塊中的核心元件為芯片，該芯片與操作端口中的射頻電路實(shí)時(shí)保持關(guān)聯(lián)[7]。在無人機(jī)失去聯(lián)系信號(hào)的第一時(shí)間，該模塊迅速對(duì)周圍的信息進(jìn)行采集，并將采集到的可視化信息發(fā)送到操作終端中，模塊采集的可視化數(shù)據(jù)中不僅僅包含無人機(jī)的事故信息，同時(shí)也包含報(bào)警請(qǐng)求信號(hào)，以便幫助操控人員對(duì)無人機(jī)實(shí)施搜救。

2 無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)傳輸

基于北斗定位的無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)傳輸采用的是無線通信傳輸模式，可以幫助無人機(jī)在飛行狀態(tài)下具有較好的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和暢通性。

無人機(jī)對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)時(shí)要確定可視化數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)格式與初始格式，對(duì)兩種格式的前導(dǎo)碼進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還要校驗(yàn)可視化數(shù)據(jù)長度是否符合數(shù)據(jù)傳輸終端地址的規(guī)范類型，完成檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)包被劃分成為前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)包長、傳輸?shù)刂贰⒂行?shù)據(jù)、CRC 校驗(yàn)數(shù)據(jù)六部分[8-9]。

其中前導(dǎo)碼是可視化數(shù)據(jù)的交叉序列表現(xiàn)形式，無人機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸之前設(shè)置一個(gè)前導(dǎo)碼可以將所有的可視化數(shù)據(jù)同步，同步字的作用是將無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)中的字節(jié)同步處理，處理后的字節(jié)可以被應(yīng)用在32 位的傳輸通道中，數(shù)據(jù)包長度是表現(xiàn)數(shù)據(jù)包長度的一種形式[10-11]。

PC 機(jī)與無人機(jī)操作終端之間的運(yùn)作流程如圖2所示。

圖2 PC機(jī)與無人機(jī)操作終端之間的運(yùn)作流程

根據(jù)圖2 可知，通過參數(shù)設(shè)置和發(fā)送命令完成初始化，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)成功，判斷數(shù)據(jù)通信是否成功。有效數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代表無人機(jī)可視化采集數(shù)據(jù)和通信相關(guān)數(shù)據(jù)[12-13]。當(dāng)無人機(jī)由于某種原因與操作終端之間失去聯(lián)系，或出現(xiàn)事故，則無人機(jī)的PC 通信機(jī)開始運(yùn)作，PC 通信機(jī)中的RS-232C 與操作終端中的信息框發(fā)起呼叫，并不間斷地向操作終端發(fā)送無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置，還要保證無人機(jī)的呼叫通信接口時(shí)鐘與操作終端時(shí)鐘同頻。

3 無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

利用傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)示意圖

根據(jù)圖3 可知，該文研究的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法通過3個(gè)傳感器對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信功能建立在套接字技術(shù)上，服務(wù)器中的套接字在Socket函數(shù)上與本地IP 和端口相關(guān)聯(lián)，保證IP 端口與通信端口在同頻信道上[14]。服務(wù)器上還有l(wèi)isten 函數(shù)，進(jìn)入該函數(shù)的通信數(shù)據(jù)需要等待無人機(jī)操控端口的確認(rèn)，若得到操控端口的認(rèn)可，則使用accept 函數(shù)對(duì)無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)的內(nèi)容進(jìn)行提取，并將提取出來的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)對(duì)比；若沒有得到操控端口的認(rèn)可，則需要返回到通信通道中，在套接字ns上規(guī)劃讀/寫格式[15]。Socket函數(shù)表達(dá)式如下所示：

其中，af代表無人機(jī)可視化待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一個(gè)地址，type 代表套接口類型，protocol 代表數(shù)據(jù)套接口的通信協(xié)議。

listen 函數(shù)的表達(dá)式如下所示：

其中，sockfd 代表套接口處的未連接可視化數(shù)據(jù)，backlog 代表可視化數(shù)據(jù)的等待監(jiān)測(cè)長度[16]。accept 函數(shù)表達(dá)式如下所示：

其中，socket 代表套接口在完成數(shù)據(jù)連接后的監(jiān)測(cè)連接端，addr 代表可以供信道緩沖的可視化數(shù)據(jù)地址，addeten 代表addr 地址的有效長度。

最終的函數(shù)結(jié)果表現(xiàn)在監(jiān)控客戶端中，在客戶端中以三維圖形的方式體現(xiàn)，增強(qiáng)了北斗定位系統(tǒng)的可視化性能，無人機(jī)的管理人員通過數(shù)據(jù)管理模塊或通信模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)無人機(jī)由于某種原因與操作終端之間失去聯(lián)系，或出現(xiàn)事故，無人機(jī)的操控端仍可以應(yīng)用此套流程完成對(duì)無人機(jī)事故的相關(guān)數(shù)據(jù)完成監(jiān)測(cè)，幫助后續(xù)的搜救任務(wù)順利完成。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的基于北斗定位的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法的有效性，設(shè)定驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前，建立傳輸?shù)刂罚瑐鬏數(shù)刂肥菙?shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)卸載傳輸時(shí)需要對(duì)外表現(xiàn)的代碼，通過無人機(jī)內(nèi)部的ADDR 寄存器可以調(diào)整地址，ADDR 寄存器可以調(diào)整的地址類型如表1 所示。

表1 ADDR寄存器可以調(diào)整的地址類型

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下：操作系統(tǒng)為Windows 10，共有60 位，內(nèi)存為48 GB，處理器為i5。設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4 所示。

圖4 設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖4 中，m 表示無人機(jī)空位信號(hào)，d 表示串行通信接口。根據(jù)圖4 可知，該文研究的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)利用發(fā)送電路和接收電路實(shí)現(xiàn)信息的處理，內(nèi)部設(shè)置了消息模塊，通過光纖以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

在小型固定翼無人機(jī)平臺(tái)上，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集設(shè)定相機(jī)的曝光時(shí)間低于1/500 s，采集的數(shù)據(jù)為2 663 幅，飛機(jī)的飛行高度為800 m，飛行區(qū)域如圖5 所示。

圖5 飛行區(qū)域示意圖

根據(jù)圖5 可知，飛行區(qū)域跨越經(jīng)過一段時(shí)間。利用該文的監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)的基于GPS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法、基于北斗一代系統(tǒng)的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)管方法進(jìn)行精度對(duì)比，比較并行路段的精度和合點(diǎn)、分點(diǎn)精度。并行路段精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 并行路段精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖6 可知，在并行路段，無人機(jī)以曲線方式飛行，傳統(tǒng)的基于GPS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法、基于北斗一代系統(tǒng)的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)管方法與實(shí)際位置存在較大的偏差，該文方法與實(shí)際位置基本一致。造成這種現(xiàn)象的原因是該文基于新一代的北斗定位研究無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法，在北斗定位系統(tǒng)通信技術(shù)和定位技術(shù)逐漸成熟的情況下，對(duì)無人機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行環(huán)境等信息實(shí)時(shí)觀測(cè)，再將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳至終端，供操作人員分析使用，解決了傳統(tǒng)方法中的無法保障信息安全問題和監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。合點(diǎn)、分點(diǎn)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

根據(jù)圖7 可知，實(shí)際的無人機(jī)采用直線方式進(jìn)行飛行，該文方法與實(shí)際位置相近，而傳統(tǒng)的基于GPS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)可視化監(jiān)測(cè)方法、基于北斗一代系統(tǒng)的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)管方法向著反方向行駛。造成這種現(xiàn)象的原因是該文研究的基于北斗定位的無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)監(jiān)控中心是無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)流程的核心。監(jiān)控中心可以通過北斗定位系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)所采集和處理的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)控的是基于北斗定位系統(tǒng)的遠(yuǎn)程服務(wù)器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理的是基于北斗定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。其中遠(yuǎn)程服務(wù)器可以使無人機(jī)與控制終端之間建立起數(shù)據(jù)紐帶，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信，數(shù)據(jù)庫可以對(duì)無人機(jī)采集與處理的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)長久存留，并在大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的基礎(chǔ)上建立起三維的無人機(jī)飛行歷史記錄。

數(shù)據(jù)庫除了具有提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的功能外，還具有檢索、數(shù)據(jù)處理和保護(hù)數(shù)據(jù)的功能，為了能夠滿足無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的持續(xù)性，數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的過程中不斷擴(kuò)展自身的儲(chǔ)存空間，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長，數(shù)據(jù)庫的容量也就越大，但是數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)極限儲(chǔ)存量為三個(gè)月的無人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

該文研究了基于北斗定位系統(tǒng)的無人機(jī)可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法，利用北斗定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位功能和數(shù)據(jù)采集功能，再加上無人機(jī)自身的數(shù)據(jù)通信、處理、管理和儲(chǔ)存功能，解決了傳統(tǒng)方法中的信息采集質(zhì)量差、安全性不高等問題。該文研究的監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)時(shí)間較長，未來需要進(jìn)一步深入分析。