GCS与无人机自动驾驶仪

第四讲：GCS与无人机自动驾驶仪★这一讲的内容，基本以YS09自驾的基本内容来展开。

1.GCS的引进光看视频监视器，依然不能直观地了解飞机的实时位置信息。

这时候可以引入简单的地面站软件系统，利用便携式电脑而不是小电视来显示遥测数据。

有了GCS，就能扩展许多新功能，比如：功能一：更直观地显示飞机的实时位置。

即载入电子地图，显示飞机的实时飞行轨迹；功能二：指哪飞哪。

即，在地图上选定一个点，让飞机飞往该点并绕之盘旋。

实际上是盘旋功能的扩展。

此外，还有定点盘旋、到达航点后盘旋、云台锁定目标盘旋等扩展方式。

功能三：显示更多有用数据。

便携式电脑上能以仪表、数据选项卡（位置可复用）等形式来加强数据显示功能。

功能四：航线功能有了GCS后，自驾系统可以进一步扩展出一个航线功能。

在地图上选定几个航点，根据映射关系知道这几个航点的经纬度数据，然后给每个点预设一个飞行高度，就能生成一条目标航线。

把航线数据上传到自驾上，就能让飞机以更精确的方式来执行航拍任务了。

2．航模与无人机有什么关系？(1)RC发射机手动控制与GCS自动控制简单来理解，无人机尺寸比航模大，载重比航模多，通信距离比航模远，自动化程度比航模高。

其中最重要的区别，就是无人机的高度自动化的工作方式。

在航模中，RC发射机是最主要的命令发信源，手动模式是最基本的飞行控制模式，在无人机中，带GCS（Ground Control Station，即地面站软件）的便携式电脑，是最主要的命令发信源，而自动模式才是最基本的飞行控制模式。

所谓自动模式，就是，用户在电脑上发出命令，然后通过数据链路（GCS->串口->地面数传电台->机载数传电台->飞行控制器）传到飞机上，由飞机上的飞行控制器分析处理后，再去驱动各执行设备（如舵机）的工作。

可以认为，GCS自动控制是RC发射机手动控制的扩展和延伸。

还可以做其他的类比：GCS的遥测数据监视，是OSD的扩展和延伸；GCS的通信协议，是PWM规则的扩展和延伸；GCS的参数设置，是舵机通道感度旋钮的扩展和延伸；等。

(2)有三种通过GCS发出控制命令的方法：①直接点击某个按钮或菜单，如“开伞”功能，GCS就自动按照专用的通信协议产生一条数字命令；②先以键盘输入、鼠标动作、RC发射机动作等形式向GCS录入一个或一组数据，然后由GCS按照专用的通信协议打包成一条数字命令；③先进入某种状态，然后使用鼠标或键盘持续操作，如拖动某个滚动条或在电子地图上点击不同的点，鼠标或键盘的每次操作，都会使GCS按照专用的通信协议产生一条对应的数据命令。

（3）通信协议百度百科解释：“通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。

协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

”上图是FY21AP通信协议中的一个指令，用于向自动驾驶仪上传定高飞行的高度参数。

假设在GCS中设置的高度为100米，换成十六进制就是Ox64(100=16*6+1*4)，于是高位data2=0x00,低位data3=0x64 。

指令字长是5位，于是data0=0x05,指令功能识别号为0xb1,于是data1=0xb1。

然后是校验码，把data0-data3加起来等于5+177+0+100=282，除以256后余数为26，即0x1a，于是data4=0x1a。

于是要上传的完整指令就是：“0xa5-0xa5-0x05-0xb1-0x00-0x64-0x1a-0xaa”。

自驾收到指令后按照通信协议进行解读，首先连读到两个“0xa5”，知道是一条指令的开始标识，接着读到一个“0x05”，知道这条指令有效字长为5，接着读到“0xb1”的功能识别号，知道这是一条设置高度的指令，然后是“0x00-0x64”，知道高度为100米，然后已经来到有效数据的最后一位，就把前面的四个数字累积并求余，得到一个数字，拿这个数字来和“0x1a”进行对比，如果两者相等，则校验成功，如果不相等，则视为无效数据直接丢弃。

（4）无人机、自驾与航拍自驾与无人机的典型应用就是航拍。

即按预设航线自主飞行，按预定方式采集有用的图像资料。

也就是说，YS09自驾在无人机上的主要功能就是，使飞机平稳的压线飞行，可以实时增删航点、修改航点信息，可以实时调整飞行参数，可以实时飞往任意点(包括预设航点和临时兴趣点)，并调整飞行高度，在此基础上，控制云台转动，驱使照相机和摄像头进行拍摄。

做个简单类比，说明云台的作用。

摄像头好比人的眼睛，可以用来看风景，云台就好比人的头部，可以转动到不同角度来看周围的风景。

一般而言，拍照时很少使用云台，或只使用正射云台（镜头一直垂直向下，当飞机偏离水平位置时，自驾会发出增稳信号使镜头回到垂直向下的状态）。

拍视频时，基本上都要用到云台，一般是目标锁定云台（它的高级用法是“凝视”，即飞机绕目标点盘旋，而镜头始终对准地面目标。

）3.从功能升级的角度简述自主飞行与航拍的关系1）无人机航拍的基本内容自主飞行与图像采集。

本文主要讲解固定翼无人机的测绘级航拍（以YS09自驾为例）。

2）自主飞行的内容需要进行姿态测量与位置测量，还有最终全都转化为舵机控制的姿态控制与位置控制。

3）图像采集的内容分成两类：自动照相与录像。

分三种情况：离线回收或实时回传，或两者兼有）。

4）YS09自驾需要对以下设备进行操作：①简单分为五组：电池、自驾、RC链路设备（RC发射机与RC接收机）、数据链路设备（数传电台、USB-串口转换器和便携式电脑），以及舵机。

②地面控制设备：RC发射机、地面数传电台、USB-串口转换器、便携式电脑、12V地面电台电池。

③机载飞行设备RC接收机、机载数传电台、12V自驾电池（同时还直接给机载电台供电）、6V舵机电池（或由其他途径获取6V电源）、自驾、GPS、气压计导管、马达、机体、飞行舵机（AIL/ELE/RUD）、电调（电动飞机专用，油动飞机还是使用舵机）、降落伞舵机等。

④机载图像采集设备云台舵机（最多三轴）、照相机（利用快门线信号）、摄像头（若能调焦）。

5）与YS09无关的其他设备①地面图像设备：图传接收机，视频监视器，以及DVR。

①机载图像设备：图传发射机，OSD。

6）无人机自驾的等级分类可简单分为FPV级、普通航拍级与测绘级。

因为无人机自驾里的大部分功能都集成在GCS中，因此，可以根据GCS功能的完备性来区分无人机自驾的等级。

甚至可以认为，不带GCS的自驾，根本就不是无人机自驾。

7）FPV级自驾（当前市场参考价为1500-5000人民币）过去，FPV自驾能控制增稳和自动回航，但很少提供GCS功能。

随着技术门槛不断降低，也有不少FPV自驾开始提供GCS操作，不过一般只有数据监视而不支持实际控制，或允许输入少数航点进行简单航线飞行（但压线效果很差，即多航点功能与压线飞行完全是两码事）。

如果一款FPV自驾能支持GCS航点输入与简单航线飞行，那么它就可以归类为FPV级无人机自驾。

FPV级自驾一般只进行简单的互补级传感器数据融合而没有经过复杂的GPS辅助数据融合，不支持空速控制，所以姿态测量精度不高，相关的飞行控制效果也有明显的限制。

FPV级自驾一般只适用于玩家领域，用于简单娱乐与初级商业航拍。

8）普通航拍级自驾（当前市场参考价为5000-20000人民币）必须带有GCS（不带GCS就无法提供完备的航线飞行功能）。

普通航拍级自驾支持简单的航线飞行功能，压线效果比FPV级自驾的好一些（基本能压线飞行，但切入航线效果不好，而且经常容易偏离目标航线，盘旋时的飞行轨迹也不是特别圆）。

此类自驾传感器数据融合效果比FPV级要好，因此飞行控制效果要高一个等级。

但很多自驾依然不带空速控制。

也就是，姿态控制和位置控制效果依然不够精确稳定。

在图像采集方面，还可以分为三个等级：初级（提供手动拍照和手动云台控制接口，但自动控制功能很少），中级（能自动拍照，但不支持云台增稳等自动功能）和高级（能自动拍照，支持云台增稳）。

此类自驾一般用于初级商业航拍（农田、林木、公路等的常规巡视），其航拍照片能拼接粗略的全景图，但不能用于测绘用途（没有精确的POS信息，甚至不提供POS信息），其航拍视频能达到粗略的侦察效果，但不够完备（固定翼飞机只能盘旋而不能悬停，只能通过兴趣点盘旋和云台辅助观测来提高侦察效果的完备性）。

9）普通航拍级自驾与测绘级自驾的区别①普通航拍级自驾不能提供云台目标锁定功能（工作原理看似简单，但真正的编程实现非常困难），一般也不提供太多的高级航线功能（如航点很少，无样式功能，不能便利地更改飞行方式等），同时不提供高级的安全保障功能（如语音报警等）。

②测绘级自驾的特点姿态精度（无论测量或控制）2度以内，即正常巡航飞行时，机体晃动不超过2度。

含丰富的GCS（Ground Control Station,即地面站软件）功能，其中的样式航线飞行功能（用户人工输入四个航点，系统会自动生成多条带辅助转弯航点的等距平行航线来覆盖拍照区域）用于测绘级拍照，此外，云台目标锁定（飞机绕目标点盘旋，摄像头始终对准地面目标点）用于战术级侦察。

此类自驾还能提供丰富的升级扩展功能（如支持DGPS、雷达等）。

10）测绘级自驾（市场参考价20000-150000RMB）参见本文对YS09的具体描述。

YS09是测绘级自驾，比FPV自驾高两个档次，比普通航拍级自驾高一个档次。

4．GCS的遥测数据监视数据信道连通后，自驾将会通过下行数据链路，把遥测数据传回地面，逐条保存在轨迹文件中，同时在GCS中实时显示出来。

1）通过“GCS->菜单栏->查看”隐藏（或显示）局部功能界面2）查看GCS仪表栏（GCS->菜单栏->视图->飞行控制）将会出现四个仪表：GPS地速(km/h)，气压高度(m),姿态仪表（“左1”表示左机翼低于水平线1度，“俯1”表示机头高于水平线1度，其他依次类推），以及转速仪表（对电动飞机无意义，只对油动飞机有效）。

3）飞行数据栏上的各种数据①“电压数据”选项卡（图略）②“其他数据”选项卡主要包括：GPS数据组、加速度计数据组、电池数据组以及自驾数据组。

第一组：GPS数据。

包括当前飞机的GPS位置信息：经纬度、海拔高度、对地速度，时间信息，以及卫星定位情况标识。

其中卫星定位情况标识“PDOP值”，数值越小，定位情况越好。

第二组：加速度计数据。

包括：后向加速度、下向加速度、右向加速度、静态角度以及震动超限记数。

其中震动极限计数用于衡量当前的机体震动情况。

正常是绿色显示，数值为零。

不为零时红色显示，表明震动过大，系统处于非正常工作状态，需要紧急处理。