维普资讯 http://www.cqvip.com 小型无人机地面监控系统软件设计与实现 于歌，刘刚，房建成 （北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京１０００８３） Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ＭＩＣＲＯ—ＵＡＶ ＹＵ Ｇｅ，ＬＩＵ Ｇａｎｇ，ＦＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｃｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ（）ｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） 摘要：针对小型无人机飞行监测和控制的任务 需求，设计了一种地面监控系统软件。系统实现了 导航参数实时获取、飞行控制参数在线调整、航迹规 划与回显、数据存储及分析等功能，并为超视距飞行 提供了有利保障。经大量完全自主飞行实验结果表 明，所设计的监控系统软件不仅能够满足小型无人 机下行信道传输数据量大的监测要求，而且可以确 保上行信道控制参数高精度、高可靠性的要求。 关键词：小型无人机；地面监控；飞控系统 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２２５７（２００７）０７—００２４—０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ— ｍｅｎｔ ｏｆ ＭＩＣＲＯ～ＵＡＶ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ａｓ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｐｒｏ— ｇｒａｍｍｉｎｇ ｆｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ，ｓｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｄａｔａ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｓｕｒｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｌｉｇｈｔ．Ｗｉｔｈ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｕｌｄ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｑｕａｎｔｉ— ｔｉｅｓ ｏｆ ｄａｔａ ｉｎ ｄｏｗｎ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｕｐ ｃｈａｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＩＣＲ０一ＵＡＶ；ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ；ｆｌｙｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ０ 引言 随着航空技术与微机电技术的飞速发展，小型 无人机系统以其重量轻、体积小、成本低及易于操作 收稿日期：２００７—０１—０９ ・ ２４ ・ 等特点，得到了广泛应用。本文在参考文献［１—２］ 的础上设计一种基于ＶＢ开发环境的地面站系统， 该系统能减轻控制系统的运算负担，还可以将部分 原本导航计算机上需要进行的计算任务，根据需要 移植到地面来完成，并配合实验室开发的自驾仪系 统实现定点、定高和定航线飞行。 １ 系统概述 针对本实验室自行研制的几类小型无人机Ｌ３ 而 设计的地面监控系统，按功能可以分成数据通讯模 块、监控模块和扩展功能模块。小型无人机地面监 控系统模拟地面控制站功能，通过数据通讯模块与 无人机进行信息交互，实现了地面人员对小型无人 机的控制；在飞行监控模块中用虚拟的飞行仪表为 地面人员提供实时直观的无人机飞行状态信息，在 地图上实时规划出航迹并利用人机交互界面发送各 种飞行控制指令使之完成定高、定姿和定航线飞行； 在实时飞行监测和控制结束后，系统还可以由扩展 功能模块完成飞行航迹的回放显示和导航数据的存 储和分析。由此３大功能模块形成天地互联，其地 面监控系统的工作示意如图１所示。 数据 数据 数据 通信 通信 通信 簇最Ｈ蕴是Ｈ嘉鑫Ｈ蓄意获取ｌ｝处理Ｉ ｌ形成１ Ｉ信息 数据通『讯模块Ｊ Ｊ飞行监ｌ｝控模块『 Ｊ能模块 Ｉ扩展功 图１地面监控系统工作示意 ２ 系统功能及设计实现 小型无人机以实现自主飞行，姿态稳定，定航线 《机械与电子））２００７（７） 维普资讯 http://www.cqvip.com 飞行为主要目标，因此飞行状态初始化，飞行参数计 算，导航解算，组合滤波交由机载计算机中ＭＧＮＣ （微小型导航制导与控制）系统来完成，而数据记录、 数据块：数据信息，７６个字节。一组ｌ９个 ｆｌｏａｔ型数据。 校验字：对数据信息字头、命令字和数据块采取 相应的校验检查，确保没备接收的数据不会由于外 界干扰而出错，本系统采用ＣＲＣ循环码进行差错校 验，随后进行详细说明。 飞行参数调整及控制指令发送都由地面监控系统完 成。该系统前台界面采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ可视化编程 语言进行开发［４］，后台采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的Ａｃ— ｃｅｓｓ数据库进行设计，航空仪表组件选用世纪飞扬 公司的航空仪表组件Ｖ２．１版。 上行控制信道的通信协议数据帧采用如图３所 示格式： 导航数据通过数传电台无线传输至地面监控系 统，以事件驱动方式触发串行通信服务组件 ＭＳＣｏｍｍ，由地面监控系统数据通信协议计算主机 获取数据并进行分析辩识，继而触发飞行监控模块 及扩展功能模块完成飞行任务。 ２．１数据通讯模块 ２．１．１通讯协议 地面监控计算机与小型无人机之间以无线数据 传输方式传送命令信息和数据信息，由于无线收发 模块的特性，通信可能在发射端与接收端之间受到 外界的干扰而使数据发生错误，这就需要通信协议 来保证接收端能正确接收数据，并确定所接收数据 是否为实际数据［５］。 在本套无线数据通讯模块中的下行数据信道的 通信协议数据帧采用如图２所示格式： Ｉ引导字头ｌ 拳萋ｊ命４＂７－ Ｊ数据块Ｉ数据块Ｉ数据块Ｉ……Ｉ校验字Ｉ 图２下行数据信道的皿信协议 通信协议：波特率９ ６００ ｂｉｔ／ｓ，１个停止位，８ 个数据位。 引导字头：保证应用通信程序能够识别噪声和 有效数据，在建立无线通信过程中起到稳定接收机 和发送机通信的作用。噪声是以随机字节出现的， 噪声源能够产生每一种可能字节信息的组合，噪声 的这种特性使得找一种字节组合来作为有效数据包 的开始相当困难，经测试发现０ｘＦＦ后跟０ｘ００在噪 声中不容易发生，因此作为数据包的通信同步码，接 收协议只能接收以０ｘＦＦ后跟０ｘ００开始的数据包。 数据信息字头：由于无线通信模块可以工作在 多个终端，所以在同一工作地点可能应用多次查询 连接，添加不同的数据信息字头以区分不同的信息 包，用一个字节来表示。 命令字：用来区别不同的数据包类型，本系统采 用一个字节来表示。 《机械与电子））２００７（７） 图３上行控制信道的通信协议 上行通信协议数据帧没有采用校验字进行差错 校验，这是由于上行控制信道通信协议数据帧中的 数据块长度远远小于下行数据信道通信协议数据帧 中的数据块长度，因此在实际应用中采用了一帧多 发的方式可以很好地提高系统的实时性。 ２．１．２ 差错校验 在无线通讯中信息的差错控制是很重要的一 环，为保证数据传输的可靠性，提高系统的抗干扰能 力，本系统采用了循环冗余校验方法。循环冗余校 验码（ｅＲｅ）是一种通过多项式除法检测差错的、高 效而可靠的方法，基本思想是：将校验和加在信息帧 Ｍ（ｚ）的末尾，使这个带校验和的帧的多项式能被 Ｇ（Ｘ）除尽。当接收方收到带校验和的帧时，用 Ｇ（ ）去除它，如果有余数，则传输出错。计算校验 和的算法如下： ａ．设Ｇ（ｚ）为ｒ阶，在信息帧的末尾加ｒ个０，使 帧为 ＋ｒ位，相应的信息多项式是ＸｒＭ（ｘ）。 ｂ．按模２除法用对应于Ｇ（ｚ）的码组去除对应 于ＸｒＭ（ｘ）的码组。 ｃ．按模２减法从对应于ＸｒＭ（ｘ）的码组中减去 余数。结果就是要传送带校验和的帧Ｔ（ｚ）。 系统选用国际标准ＣＲＣ一１６码，生成多项式为 ｚ¨＋ｚ¨＋ｚ。＋１，可以捕捉到９９．９９８ 的长度为１８ 位或多于１８位的突发差错，达到很好的差错检测效 果。 ２．２飞行监控模块 飞行监控模块是地面监控系统的核心，它要能 够实时准确记录全程飞行导航控制数据。在飞行过 程中，以数据动态显示为主，并能够提供包括文本标 签、图形和地图多种形式在内的显示。直观清晰多 样化的显示使得操作指挥人员能够了解各种飞行模 维普资讯 http://www.cqvip.com 态下参数的大致变化区间，并能对出现的异常情况 有充分的思想准备。记录下来的数据要进行事后处 理，回放 ］。整个系统根据其功能分为２个子系 统，分别是实时飞行显示和飞行任务监控。 ２．２．１ 实时飞行显示 通过对下行数据信道中数据帧的解析，可得到 经导航解算的导航和飞行状态信息：经度、纬度、高 度、气压高度、东向速度、北向速度、天向速度、滚转 角、俯仰角、偏航角、滚转角速率、俯仰角速率、航向 角速率、东向加速度、北向加速度、天向加速度、升降 舵偏角、方向舵偏角和副翼舵偏角。所有信息都将 保存在数据库中导航信息表和飞控信息表中，方便 离线后对数据进行处理。滚转角、俯仰角和偏航角 信息需驱动虚拟仪表陀螺地平仪和航向指示仪直观 动态地显示出来；东向速度、北向速度和气压高度数 据由速度仪和高度计显示。为了响应参数的实时变 化，须保证每幅画面的变化在一帧的间隔时间内完 成。 地面监控系统需要实时跟踪显示飞行器的航迹 信息，掌握飞行器的运动情况，制定必要的控制策略。 对飞行器目标航迹显示而言，需将目标的运动数据实 时转化为显示屏幕上的ｘ，ｙ坐标像素点，用绘图函 数在放大或缩小的地图上画出相应的航迹点。 ２．２．２飞行任务监控 控制功能是通过舵控制、回路控制和飞行控制 来实现。舵控制是对无人机方向舵、副翼舵和升降 舵舵中位进行调频，使其自动驾驶状态和手动驾驶 状态中位一致；回路控制中完成对３通道的ＰＩＤ参 数调整；飞行控制包括设定目标航点的经度、纬度、 高度和参数补偿等信息，按上行控制信道的通信协 议数据帧格式将设定好的参数封装上传，控制飞行。 ２．３扩展功能模块 ２．３．１航迹规划 在航迹规划模式下，在地图上用鼠标任意选取 Ｎ个目标航点，它们将自动连成航线，然后将这些 点的经度纬度值无线传输至飞行中的机载ＭＧＮＣ 飞控程序中，控制飞机将从最近的一个目标航点开 始沿规划的航线飞行。 ２．３．２导航方法对比 在数据处理界面可以对姿态角等导航信息进行 标定前与标定后、组合滤波前与组合滤波后的比较。 比较后可知标定建摸方法、组合导航方法和滤波算 ・ ２６ ・ 法对提高导航信息的精度起到了巨大的作用。 ２．３．３控制信息回传 机载ＭＧＮＣ系统收到地面监控系统发出的飞 控信息后，实时地将所有控制信息回传至地面，以供 地面人员对已发送的控制信息进行校对。 ２．３．４ 回显航迹 在整个飞行过程中，所有下传的导航信息均被 保存。回显航迹模式下，通过对帧结构的解码、拆分 及转换，能够完全翔实地再现飞行过程中的实际情 况。回放软件不再接收通信端口的数据，也不再读 取系统时间作为时间标记，而是直接从数据库导航 信息表中读取各相关信息，时间显示也是飞行试验 的当时时间。 ３ 结束语 小型无人机飞行受外界环境的影响比较大，特 别是执行远距离任务时，无法通过视觉观察到无人 机，只能通过地面站来获取无人机的飞行参数，在此 基础上执行相关的指令。本文运用ＶＢ开发环境开 发的地面站系统，具有以下特点：操作简单、可靠性 高，能够满足飞行任务要求，在户外箩 时，可用高 性能笔记本电脑作为地面监控计算乇。，系统功能完 备，具有导航参数实时获取，飞行控制参数在线调 整、航迹规划与回显、数据存储及分析等功能。 参考文献： ［１］ Ｗａｉｔｅｒ，Ｂｒｙａｎ Ｅ，Ｋｎｕｔｚｏｎ，Ｊ ａｒｅｄ Ｓ，Ｓａｎｎｉｅｒ．Ｖｉｒｔｕａｌ ｕＡＶ Ｇｒｏｕｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＳｔａｔｉｏｎＥ Ｍ］．ＡＩＡＡ，２００４． ｒ２］ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ Ｂａｓｅｄ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｒＺ］．ＮＡＳＡ，２００５． Ｅ３］房建成．高性能微小型导航、制导与控制器件及系统集 成技术研究报告［Ｒ］．２００６． ［４］ 仵 浩．Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ串１７１通信工程开发实例导航 ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００３． ［５］黄欣，等．微型飞行器实时数据采集传输系统Ｉ－Ｊ］．机 电一体化，２００３，（１）：４０～４２． ［６］曹云峰，等．微型飞行器飞行监测系统设计［Ｊ］．航空电 子技术，２００３，３４（２）：２９—３３，４Ｏ． ［７］高建尧，等．某型无人机导航飞控系统设计与仿真［Ｊ］． 计算机测量与控制，２００４，１４（６）：７５９～７６１． 作者简介：于歌 （１９８２一），女，河北秦皇岛人，硕士研究 生，研究方向为导航、制导与控制及嵌入式系统。 《机械与电子｝２００７（７）