无人直升机地面监控电子地图的设计与实现

何江艳 赵 琦

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

无人直升机地面监控电子地图的设计与实现

何江艳 赵 琦

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

为满足共轴式无人直升机飞行实时监测的要求，在Windows平台下，设计了地面监控系统中的电子地图导航模块，配合系统的显示模块、任务规划执行模块和通信模块，实现了飞行参数获取、航迹规划、飞行航迹实时显示等功能.介绍了电子导航地图的功能，分析Map Info组件的功能和特点，阐述在Visual C++环境下基于MapInfo组件开发共轴式无人直升机地面监控系统电子导航地图的方法.通过引入MapX控件和应用MFC(Microsoft Foundation Classes)，实现系统对共轴式无人直升机的监控和电子导航地图的经纬度范围的自适应调整，在电子导航地图应用上提出了一套简单全面的实践方案，同时给出了方案的实现步骤和部分关键代码.

无人机;导航;图形用户界面;软件设计

共轴式无人直升机除了具备一般无人直升机的优点外，还具有其独特的飞行性能和使用价值，主要优点包括起飞着陆场地不受限制，可垂直起降，空中悬停，超低空作业等.在军用方面可用于侦察、通信中继等，在民用方面可用于地质监测、人工降雨等，有着广泛的应用前景.无人机地面监控系统是无人机系统的重要组成部分，主要功能是监测和控制无人直升机的飞行过程、飞行航迹等，并对一些故障予以及时警报并采取相应的诊断处理措施［1］.其中无人机地面监控系统实现对无人机的监视、导航和控制，顺利完成规划的任务，需要一个适用于无人机地面监控系统的电子导航地图，它可以实现缩放漫游以及实时显示无人机的位置、飞行路径等相关信息，方便操作人员对其监控.

本文采用在Visual C++环境下运用Map Info(Mapping Information)Professional 7.0 开发无人机监控系统的电子导航地图，利用MapX和MFC(Microsoft Foundation Classes)实现对地图对象的相应操作，实现操作人员直观监控无人机的飞行信息，保证飞行安全，顺利完成飞行任务.

1 无人机地面监控系统组成及特点

1.1 无人机监控系统组成

监控系统框架［2］如图1所示.

图1 共轴式无人直升机监控系统框架

其中地面监控系统由电台、Futaba接收机、地面处理单元、PC机四部分组成.电台用来接收机载电台发出的数据;Futaba接收机用来接收Futaba遥控器的操纵指令;地面处理单元完成对所收到的数据的处理工作，并按照协议通过RS232串口将数据传给PC机;PC机将收到的姿态等数据在显示器上以各种形式显示，包括在电子导航地图上实时显示无人机的位置与航迹等.监控软件同时提供用户控制界面，实现对无人机的任务规划等操作.具体功能框图［3］如图2所示.

图2 地面监控系统功能模块框图

1.2 Map Info和 MapX的特点和功能

Map Info［4］是当前航空航天领域应用广泛的电子地图软件，本论文中应用MapInfo Professional 7.0制作所需的电子地图，标准电子地图制作过程如图3所示.

MapX支持.gst格式的地图文件，是MapInfo公司提供的具有强大地图分析功能的ActiveX控件产品.本论文中，应用MapX实现对电子地图的加载、放缩和添加图层等操作，同时采用直接修改电子地图相应的.gst格式文件中对应参数信息的形式，实现简洁有效的数据交互，加快整个地面站监控系统的开发速度.

图3 标准电子地图制作流程

2 电子导航地图的设计及实现

2.1 地图制作

共轴式无人直升机的测飞环境大多选在较为空旷，平坦的地方，花费数天的时间来进行图像配准、创建表和图层以及地理编码上是没有必要的.一张含有经纬度信息并且能够根据航路点和航线规划信息自动调整经纬度范围的空白地图就能很好地满足要求，特别是在无法预先确定共轴式无人直升机的飞行范围的情况下.本论文应用到的电子地图的制作过程如图4所示.

图4 无人机监控软件电子地图制作流程

在确定无人机飞行的经纬度范围后，写入Excel数据文件，导入到 MapInfo，生成相应的Map Info表文件，制作出.gst格式空白电子地图.

2.2 地图的加载

将含有飞行区域经纬度信息的Map Info表文件和空白电子地图复制到地面站监控软件的Map目录下，在系统研发中加载CMapX类后通过在相应头文件中声明一个基于CMapX类的对象，在源文件中对基于CMapX类的对象通过Create属性进行初始化，然后通过调用对象的方法和属性，实现对创建的地图对象的相应操作.

2.3 电子地图经纬度自适应调整

用户为了对共轴式无人直升机的飞行航迹有一个全面的了解，可以通过电子地图在航路点规划时自适应调整显示范围来实现最大化的将飞行航迹收入眼底，方便地最大化监测到无人机的飞行航迹.

MapX支持扩展名是.gst的地图文件，该文件包含若干用来指示MapX显示什么表以及如何显示的元数据键值.其中影响电子地图中航点分布的参数如下所示:

"GEOSETCENTER"="116.339 936，39.9798115"

"GEOSETCENTER_USER"="116.339，39.9798"

"GEOSETMBRLOWERLEFT"="116.32，39.97"

"GEOSETMBRUPPERRIGHT"="116.35，39.98"

"GEOSETOOMLEVEL"="1.24794"

参数含义分别为地图(用户)中心点、左下角、右上角经纬度和放缩比例.可以通过对.gst文件中这部分参数值修改实现地图经纬度范围自适应调整［5－6］.实现步骤如下所示:

1)在监控软件的航路点规划中输入设置的各个航路点经纬度值;

2)分析计算出规划航路点的最大、最小经纬度，中心点经纬度和放缩比例;

3)对应修改.gst文件，实现规划的航路点航线能充分利用地图显示区域.

2.4 绘制航点、航线和飞行轨迹

实现电子地图的载入和控件实例化后，在共轴式无人直升机试飞过程中应用MapX的增加、删除、修改图层的特点，实现对图像进行地理编码，能保证图层的内容稳定存在和所有图层的同比例缩放，最终在电子地图上实现航点、航线绘制以及实时显示无人机的飞行轨迹，实现步骤如下:

1)在初始电子地图上增加一个图层，属性设置为临时，应用其动态特性，为航点设置和航迹绘制做准备;

2)应用软件菜单选项，通过友好的人机交互界面，实现在电子地图上创建规划的航点，同时根据用户的使用习惯和方式标注规划好航路点信息;

3)预先设定共轴式无人直升机的5条预定航线，提供简易操作界面实现在电子地图中创建规划航线，同时标注航线信息;

4)在共轴式无人直升机飞行过程中用不同颜色绘制实时航迹，或预先绘制历史航迹，方便与规划航线比较.

航迹绘制同时，充分应用软件工具栏和状态栏等常用信息帮助工具，应用MapX提供屏幕坐标和地图坐标的转换函数ConvertCoord实现提供共轴式无人直升机正确、精准的飞行数据，显示经纬度、共轴式无人直升机与基点距离等信息.

除了在地图载入初始化时实现其经纬度的自适应调整，在共轴式无人直升机飞行过程中用户可以根据个人需要进行必要放缩、漫游等操作.具体实践是应用MapX控件提供的简单易操作的接口函数SetCurrentTool等实现放缩，接口函数Get-Bounds等实现使飞机位于屏幕中心位置.

2.5 电子地图的数据库应用

MapInfo Professional 7.0制作的电子地图，无论是标准形式的电子地图，还是空白电子地图，在实际应用中都可以提供给地面监控系统准确的经纬度、距离和航线吻合度等信息.

为了实现统计分析和回放飞行历史航迹，每次在航迹规划任务完成之后，把本次规划的所有航点坐标、航线及本次规划的发送时间记录下来，存储到导航数据库.在飞行过程中，需要修改共轴式无人直升机的飞行航线时，可以通过直接在电子地图上重新规划航点航线，使共轴式无人直升机按照新的定义来飞行.实现与数据库直接交互，数据库的应用也有利于提高数据的安全性和查询操作.

地面站监控系统中，根据共轴式无人直升机数据信息特点，系统定义了一个包含3个表的导航数据库分别记录飞行位置、航向、时间以及规划坐标、规划坐标处的参考海拔高度和发送的规划航点时间等信息.在实现历史航迹绘制时，把所有查询记录的经纬度提取出来，在载入的电子地图上按照顺序首尾相连绘制成折线就成为被回放的航迹，同时还可以得到在共轴式无人直升机飞行过程中的附加记录信息，能对飞机在指定时段内经过的航迹有一个清楚的认识.

3 结果测试分析

在无法确保共轴式无人直升机地面监控系统的稳定性和正确性之前，在地面站系统研发过程中，设计了能够产生符合系统需求的模拟遥测数据的地面站调试系统，对地面监控软件电子地图导航模块进行调试与测试.

设置地面站调试系统和共轴式无人直升机地面监控系统的串口属性，建立连接.通过监控软件菜单和按钮选项，载入空白地图后，根据测试需求设置航点和航线，航点、航线设置界面分别如图5、图6所示.

航点航线设置完成后，存储规划信息到相应数据库中.通过串口接收模拟数据，按照预先约定的协议解析后，应用CMapX类的相关属性，实现绘制操作，同时可以在电子地图上添加相关辅助信息，得到如图7所示显示界面.

测试结果表明，无人直升机监控系统能够实现对.gst格式电子地图载入，在载入的电子地图中准确、方便、清晰地规划航路点和航线.

能接收到调试系统遥测数据来绘制实时的航迹，同时显示航点信息，根据需求实现对电子地图的放缩和自动漫游.遥测数据能准确有效地存储到数据库用于飞行结束后的统计分析和历史航迹绘制.

4 结 束 语

本论文充分利用Map Info和MapX强大的空间信息功能，与MFC结合应用，免去冗繁代码编写，完成无人机航点和航线规划，直观、准确、便捷地监控无人机的实时航迹信息.特别是通过对电子地图的经纬度范围的自适应调整，实现空白电子地图的重复利用，免去不同飞行环境下电子地图的制作.用户可以简单地通过软件操作实现电子导航地图的应用，而不必花费大量时间在学习Map Info制作电子地图上，简化、完善了电子地图在无人机地面监控系统中的导航应用.

References)

［1］魏锐轩，李学仁.无人机系统及作战使用［M］.北京:国防工业出版社，2009 WeiRuixuan，Li Xueren.UAV system and military use［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2009(in Chinese)

［2］ Paolo Messina.Building a platform for UAV research［D］.Pisa:School of Computer Science Engineering，University of Pisa，2003

［3］ Mladjan Jovanovic，Dusan Starcevic.Software architecture for ground control station for unmanned aerial vehicle［C］//10th International Conference on Computer Modeling and Simulation.Cambridge:UKSIM，2008:284－288

［4］李胜乐，陆远忠，车时.Map Info地理信息系统二次开发实例［M］.北京:电子工业出版社，2004 Li Shengle，Lu Yuanzhong，Che Shi.Example of GIS’s the second time application［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2004(in Chinese)

［5］姚领田.精通 MFC程序设计［M］.北京:人民邮电出版社，2007 Yao Lingtian.Conversance programmer with MFC［M］.Beijing:Post＆ Telecom Press，2007(in Chinese)

［6］ 龙腾科技.Visual C++6.0循序渐进教程［M］.北京:北京希望电子出版社，2005 Dragon Technology.Study Visual C++6.0 step by step［M］.Beijing:Beijing Hope Electronic Press，2005(in Chinese)

(编 辑:娄 嘉)

Design and realization of the electronic map for UAV GCS

He Jiangyan Zhao Qi

(School of Electronics and Information Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

To meet the real-time monitoring and control requirements to unmanned aerial vehicle(UAV)，a navigation electronic map module of ground control system(GCS)was designed under windows platform.This module working with displaying module，mission planning and operating module，and communication module，performed as obtaining the real-time flight information，planning the flight path，showing the real-time flight trace and so on.The function of a navigation electronic map and characteristics of the Map Info components were introduced and analyzed.The method and process of developing the navigation electronic map for UAV GCSbased on Map Info components in Visual C++environment were expounded.A suit of simple and effective method based on MapX control and microsoft foundation classes(MFC)was proposed to achieve the monitoring and control to UAV and the automatic adjustment to range of the navigation electronic map's longitude and latitude.The main process and part of key code were provided.

unmanned aerial vehicle(UAV);navigation;graphical user interfaces;software design

V 279.3

A

1001-5965(2011)05-0615-04

2010-03-09

航空科学基金资助项目(2008ZD51059)

何江艳(1985 － )，女，湖北天门人，硕士生，hjy@ee.buaa.edu.cn.