无人机地面控制站系统的应用研究

接着在视图的源文件中加入 ＯｎＴｏｏｌＴｒａｃｅ（）函数
的实现， 就可以实现飞行航迹的显示功能。对于航迹
规划、航迹再现和数据处理部分的函数添加方法雷
同于航迹显示部分。
３ 系统的联调测试
在地面飞控站的软件中， 由 ４ 个无模式对话框 分别对四副帧的遥测数据进行了实时采集分析， 其 中重要的姿态数据由航空仪表来辅助显示， 并设置 了安全警报系统， 完成了实时获取、分析、显示遥测 数据及辅助安全监控的功能。遥控指令均由点击式 按钮来进行操作， 一些重要指令按钮， 为了防止误操 作， 设置了保护措施， 如自毁按钮， 当点击一下就会 弹出一个确认对话框。在实际系统联调测试中， 地面 飞控站的各部分功能得到了很好地实现， 同时也具 有较强的实时性。
为了使无人机能够实现全自主飞行， 需要提前 进行任务航线规划即航迹规划。在电子地图上随着 鼠标的移动， 鼠标所在位置可以同时显示出地图上 该点的经纬度信息， 此时点击鼠标即将该点自动追 加为航线中新的航程点， 这样的操作明显地方便了
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无人机地面控制站系统的应用研究
操作人员，大大缩短了航迹规划所需的时间。当航迹 规划完后， 同样通过以太网通讯将航迹规划数据打 包发送到地面控制站， 然后由地面控制站通过无线 电链路将数据传送给自动驾驶仪。 ２．１．３ 航迹再现模式
在视图的源文件中加入该消息映射：
ＢＥＧＩＮ＿ＭＥＳＳＡＧＥ＿ＭＡＰ （ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴｅｓｔＤｌｇ，
ＣＤｉａｌｏｇ）
／／｛｛ＡＦＸ＿ＭＳＧ＿ＭＡＰ（ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴｅｓｔＤｌｇ）
ＯＮ＿ＣＯＭＭＡＮＤ
（ＩＤ＿ＴＯＯＬ＿ＴＲＡＣＥ，
ＯｎＴｏｏｌＴｒａｃｅ）
／／｝｝ＡＦＸ＿ＭＳＧ＿ＭＡＰ
ＥＮＤ＿ＭＥＳＳＡＧＥ＿ＭＡＰ（）
＆ＭａｐＸ，＆ＭａｐＹ， ｍｉＭａｐＴｏＳｃｒｅｅｎ）；
添加航迹显示函数， 在视图的头文件中加入响
应函数的声明：
／／ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｍｅｓｓａｇｅ ｍａｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ
／／｛｛ＡＦＸ＿ＭＳＧ（ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴｅｓｔＤｌｇ）
ａｆｘ＿ｍｓｇ ｖｏｉｄ ＯｎＴｏｏｌＴｒａｃｅ（）；
／／｝｝ＡＦＸ＿ＭＳＧ
２００６ 年 ６ 月 第 ４２ 卷 第 ３ 期
航空精密制造技术 ＡＶＩＡＴＩＯＮ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｊｕｎ． ２００６ Ｖｏｌ． ４２ Ｎｏ． ３
无人机地面控制站系统的应用研究
吴益明 １， 卢京潮 ２， 魏莉莉 ２， 潘文平 ２
（ １．上海航天技术研究所， 上海 ２００２３３ ２．西北工业大学自动化学院， 陕西 西安 ７１００７２）
１ 地面飞控站的研究与实现
１．１ 任务设计 地面飞控站的主要任务是实时采集分析遥测数
据、定时发送遥控指令以及向地面导航站实时发送 飞机位置数据。具体设计如下：
由于地面飞控站与自动驾驶仪之间的无线电通 信接口协议是 ＲＳ４２２， 所以设计用串口来实现它们 之间的通信。每个串口既能发送数据又能接收数据， 是一个全双工的通信工作方式， 正好能实现遥测数 据接收和遥控指令发送两部分功能。然后， 对于地面 飞控站和地面导航站之间的通信， 为了有很高的可 靠性和很强的实时性， 选用面向连接的流方式即 ＴＣＰ／ＩＰ 协议的网络通信方式。 １．２ 功能实现
在无人机的实际飞行过程中获得并保存数据之 后， 通过航迹再现模式可以得到与航迹显示模式完 全相同的视觉效果， 离线地再现无人机某一次飞行 的全过程， 方便了对无人机的飞行状况及任务执行 状况的分析。航迹再现模式中提供了回放速度控制 的功能，可以常速或双倍速来进行航迹的再现。 ２．１．４ 数据处理模式
／／ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｍｅｓｓａｇｅ ｍａｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ／／｛｛ＡＦＸ＿ＭＳＧ（ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴｅｓｔＤｌｇ） ａｆｘ＿ｍｓｇ ＬＯＮＧ ＯｎＣｏｍｍ （ＷＰＡＲＡＭ ｃｈ， ＬＰＡＲＡＭ ｐｏｒｔ）； ／／｝｝ＡＦＸ＿ＭＳＧ 在主对话框的源文件中加入该消息的映射： ＢＥＧＩＮ＿ＭＥＳＳＡＧＥ＿ＭＡＰ （ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴｅｓｔＤｌｇ，
ＷＵ Ｙｉ－ ｍｉｎｇ， ＬＵ Ｊｉｎｇ－ ｃｈａｏ， ＷＥＩ Ｌｉ－ ｌｉ， ｅｔ ａｌ
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２）
［Ａｂｓｔｒ ａｃｔ］ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｆｉｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ｄａｔａｂａｓｅ Ｉ／Ｏ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｐ ｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ａｎｔｉ ｔｉｍｅ － ｑｕｅｒｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅａｎｉｎｇｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｕｒｉｎｇ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． ［Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ］ ｇｒｏｕｎｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｔａｔｉｏｎ； ｆｉｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ； ｄａｔａ ａｃｃｅｓｓ ｏｂｊｅｃｔ； ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｐ
无人机系统中的地面控制站系统是在无人机应 用 发 展 过 程 中 逐 步 提 出 的［１］， 现 代 无 人 机 已 经 从 原 来 单一战斗任务中脱身而出，装载了各种用途的设备。 为了能够更好地遥控操作无人机， 人们采用了各种 形式的地面控制站系统， 以便对无人机的飞行状态 和任务设备等进行实时监控。一般而言， 地面控制站 系统是一个具有遥测数据的实时采集、遥控指令的 实时发送和飞行航迹的实时显示等功能的监控系 统。该系统是无人机系统中的重要环节， 它的好坏直 接影响着整个系统的性能。
迹。地图／屏幕坐标转换函数的原型如下：
／／ 将屏幕坐标转换为地图坐标
ｍ＿Ｍａｐ．ＣｏｎｖｅｒｔＣｏｏｒｄ （＆ＳｃｒｅｅｎＸ，＆ＳｃｒｅｅｎＹ，
＆ＭａｐＸ，＆ＭａｐＹ， ｍｉＳｃｒｅｅｎＴｏＭａｐ）；
／／ 将地图坐标转换为屏幕坐标
ｍ＿Ｍａｐ．ＣｏｎｖｅｒｔＣｏｏｒｄ （＆ＳｃｒｅｅｎＸ，＆ＳｃｒｅｅｎＹ，
首先， 编制一个以太网通信程序 （ 同地面飞控 站） ， 再在程序中加进设置服务器 ＩＰ 地址的源码。
其次， 实现电子地图的地图功能。 在 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋中调用 ＭａｐＸ 类， 即导入 ＭａｐＸ．ｈ 和 ＭａｐＸ．ｃｐｐ 两个文件。不要采取从 Ｐｒｏｊｅｃｔ 菜单中 选择 Ａｄｄ Ｔｏ Ｐｒｏｊｅｃｔ－ ＞Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ 命令 加载 ＭａｐＸ 控件的方式， 因为这样创建的源文件没 能包括所有的 ＭａｐＸ 对象。然后在视图中载入电子 地图， 它是一个扩展名为 ＊．ｇｓｔ 的文件， 可以通过 ＭａｐＩｎｆｏ 地图软件来生成。最后运用 ＭａｐＸ 的对象的 属性和方法， 可以很方便地实现地图的放大、缩小和 漫游等基本功能。 最后， 实现 ４ 种工作模式的功能。 航迹显示部分： 调用地图／屏幕坐标转换函数， 将接收过来的 ＧＰＳ 经纬度 （ 即地图上经纬度坐标） 转换为窗口中对应的坐标值 （ 即屏幕上设备坐标） ， 而后根据屏幕上的设备坐标绘制出对应的飞行航
［中图分类号］Ｖ２７９
［文献标识码］Ｂ
［文章编号］１００３－ ５４５１（ ２００６） ０３－ ００４８－ ０３
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＡＶ Ｇｒ ｏｕｎｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｆ ＵＡＶ Ｇｒ ｏｕｎｄ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
本文研究了一套功能完善的地面控制站系统。 它由地面飞控站和地面导航站两个部分组成， 用两 台 ＰＣ 机来分别实现， 系统示意图见图 １。其中承载 地面飞控站功能的 ＰＣ 机是系统服务端， 遥测数据
的实时采集分析、遥控指令的定时发送等都在其上 实现； 承载地面导航站功能的 ＰＣ 机是系统客户端， 实现在电子地图上显示航迹和数据保存记录等功 能。以上两部分的功能程序都是在 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ ６．０ 环境下进行开发， 所以都是基于 Ｗｉｎｄｏｗｓ 的程序设 计， 具有友好的界面， 简便的操作等特点。
图 １ 地面控制站系统示意图 开发中主要难点是对电子地图的操作， 由于电 子地图是由许多层构成， 每一个层对应着许多地理
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《航空精密制造技术》２００６ 年第 ４２ 卷第 ３ 期
信息， 所以首先必须明确层的概念和关系， 以及坐标 之间的转换， 否则很难实现航迹系统的功能。以下详 细介绍各部分功能的研究与实现。
［摘 要］ 研究了一套功能完善的无人机地面控制站系统， 由地面飞控站和地面导航站两部分组成。地面飞
控站通过无线电链路直接与无人机自动驾驶仪进行通信；地面导航站是地面控制站的一个航迹系统， 运用以
太网实现它与地面飞控站之间的通信。
［关键词］ 无人机； 地面飞控站； 地面导航站； 串口； 以太网； 电子地图
ＣＤｉａｌｏｇ）
／／｛｛ＡＦＸ＿ＭＳＧ＿ＭＡＰ（ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴｅｓｔＤｌｇ）
ＯＮ＿ＭＥＳＳＡＧＥ
（ＷＭ＿ＣＯＭＭ＿ＲＸＣＨＡＲ，
ＯｎＣｏｍｍ）
／／｝｝ＡＦＸ＿ＭＳＧ＿ＭＡＰ
ＥＮＤ＿ＭＥＳＳＡＧＥ＿ＭＡＰ（）
源自文库
接着在主对话框的源文件中再加入函数
ＯｎＣｏｍｍ（ＷＰＡＲＡＭ ｃｈ， ＬＰＡＲＡＭ ｐｏｒｔ）的 实 现 ， 就 可
通信要求， 选用了面向连接的流方式， 网络通信速率
可达到 １０Ｍ 以上。
２ 地面导航站的研究与实现
２．１ 任务设计 根据实际项目的任务要求， 设计了 ４ 种工作模
式： 航迹显示、航迹规划、航迹再现和数据处理。 ２．１．１ 航迹显示模式
当无人机进行实际飞行时， 尤其在调试飞行阶 段， 知道飞机的实际航线是否与规划设定的航线重 合或者偏离设定航线的距离到底有多大这些信息是 非常重要的， 所以航迹显示模式是一个很重要的环 节。通过以太网通讯， 航迹系统从地面控制站实时获 取由自动驾驶仪下传来的 ＧＰＳ 定位遥测信息， 解析 得到无人机的经纬度等信息， 在电子地图上实时显 示，使得操作者可以直观地得到无人机的位置信息。 航迹显示过程中还应保存相应的数据， 以便在航迹 再现模式中使用。 ２．１．２ 航迹规划模式
实现串口通信功能： 为了根据实际要求可以方 便程序的改进， 选用了多线程串口编程工具 ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ 类［３］， 和 ＭＳＣｏｍｍ 控件相比， 这个类打包 时， 不需要加入其他的文件， 而且函数都是开放透明 的。ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ 类是一个基于多线程的类， 其工作流 程具体如下： 首先设置好串口参数， 然后开启串口监 测工作线程， 串口监测工作线程监测到串口接收到 的数据、流控制事件或其他串口事件后， 就以消息方 式通知主程序， 激发消息处理函数来进行数据处理， 这是对接收数据而言； 对于发送数据， 可直接向串口 发送。在 ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ 类中有多个串口事件可以响应， 只需处理 ＷＭ＿ＣＯＭＭ＿ＲＸＣＨＡＲ 消息。该消息处理 函数需要人工添加， 所以在主对话框的头文件中加 入该响应函数的声明：
以对接收到的数据进行处理了， 可以不同形式显示。
其中， ＷＰＡＲＡＭ、ＬＰＡＲＡＭ 类型是多态数据类型， 在
ＷＩＮ３２ 中为 ３２ 位， 支持多种数据类型， 能根据需要
自动适应， 这样程序有很强的适应性。
实现网络通信功能： 网络通信方式一般有面向
连接的流方式即 ＴＣＰ／ＩＰ 协议和无连接的数据报文
方式即 ＵＤＰ 协议。为了满足强实时性和高可靠性的
无人机系统中允许搭载各种不同的任务载荷， 有些设备是通过一个单独的无线信道直接进行数据 传输的，并且地面有专用设备予以接收，无需航迹系 统进行处理，例如摄像机、照相机等。但是，也有一些 设备是通过无人机的无线电链路传输数据的， 例如 核探测仪器等。不仅如此，这些设备还要求地面控制 站 能 够 记 录 、保 存 相 关 数 据， 并 能 够 在 电 子 地 图 上 显 示出相应的信息。因此，航迹系统提供了第 ４ 种工作 模式即数据处理模式， 专门用于对传感器数据进行 分析处理。 ２．２ 功能实现