基于开源飞控的察打一体无人机地面站设计

唐振国 林恩民 袁正明 林在舟 慈宬嶂

摘  要：在无人机系统当中，地面站系统涉及到了人机工程学、数据传输等问题，是直接与无人机操纵手交互的分系统之一。便捷高效的地面站综合数据显示系统可以提升无人机的操作体验和工作效率。该系统硬件选用本着高可靠性、资源占用小、成本较低、低延迟的原则，保证了该系统空中端在高强度恶劣环境下的正常使用。

关键词：地面站  察打一体  开源飞控

中图分类号：V279                                  文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0001-02

目前察打一体无人机的操作模式主要有两类。第一类主要是全自动寻的，对标定的坐标进行自动打击;第二类则是使用类似有人攻击机的操纵方式对目标近距打击。两种方式各有利弊，自动打击对伪装、时敏性目标的打击效果不理想，而手动操作对操纵手要求很高。所以设计了一款基于开源飞控的无人机地面站解决这一矛盾。无人机地面站（GCS：Ground Control System），是无人机系统的一个重要组成部分，无人机按结构划分主要有固定翼和旋翼式两大类型，因此针对不同型号和不同用途的无人机，有不同的地面站与其相匹配[1]。该文所陈述的面向固定翼无人机的地面站系统综合自动侦察打击与操纵员识别决策任务，减轻了操纵员负担，达到精准、高效、快速的外科手术式对地打击效果。

1  所需硬件

1.1 其他系统设计

该项目设计制作的察打一體系统载机为一款电动型常规布局固定翼飞机，飞机主翼翼展1.8m，空机重量1.75kg。机翼与机身的连接采用了可快插锁定销式插拔结构，机身与尾翼采用折叠锁定设计，满足了小型地面站与载机存放、设备存放三位一体的集成式察打一体无人机系统的要求。

载机设备舱采用模块化设计。这大大减少了测试与调参的工作量，在长途携带时单独保存在减震隔层中，可以更妥善地保护精密电子仪器，也减少了对机体保护的不必要重量。可以根据任务需求加挂不同任务载荷，配合机载摄像头与高清图传可实时传回飞行画面，侦察地面目标，发现目标后投放挂载的武器进行打击。

1.2 地面站结构设计

为了满足未来军事机械化信息化背景下的班组携行作战要求，我们将无人机载机、遥控系统、数据显示、电子设备等所有该无人机需要的设备和工具都集成到了一个长宽高少于1.6m的长方体硬质箱体中。上盖与箱体底部集成了控制设备和显示设备。避免了设备随意堆放、线路混乱的问题。

1.3 设备选择

选择任意一台安装有开源飞控地面站软件MissionPlanner的15.6英寸以下的移动电脑作为主控，主要对开源地面站的人机界面进行人机工程学优化。图像系统使用一块9寸集成式双接收显示屏，并在电脑端使用视频采集卡采集主摄像头视频信号，并由开源飞控叠加显示所需飞行参数。

1.4 人机工学

整套系统的人机工学分为两部分：一部分是载机的人机工学设计，另一部分是地面端的人机工学设计。天空端载机设备舱采用了模块化设计，将开源飞控及配套设备完全集成到一个可插拔的设备棒中，配合开源飞控中定制保存的不同参数，将可以满足具备察打一体能力兼容遥控设备的不同载机机型和多架同种机型的无缝切换，大大简化后勤和测控压力。机翼与机身的连接使用活动插销+电气插口的设计，便于安装地面端利用MissionPlanner的开源定制化界面，优化飞行器控制界面。这改善了原生界面在航点划设上的不便和遇到紧急情况下容易误操作的问题，并大大减少了重新规划航线、选取任务、执行任务所需要的操作时间。

2  软件

在地面站软件中已经集成了系统级的各项信息显示，并且十分方便查找。使用视频采集卡采集图传图像，并通过采集卡内建的格式转换将视频流通过USB数据端口导入地面站，实现实时图像与飞行数据的叠加。

地面站原生的操作界面将航线的设置与飞机的实时监控割裂开来。而在察打一体的操纵过程中，所模拟的战场环境瞬息万变，应尽量减少无用重复的操作。

2.1 软件环境配置

选择运行Ubuntu虚拟机操作系统设备，在Visual Studio环境下调试MissionPlanner软件，并在Ubuntu环境里调试改版地面站应用程序。在FlightPlanner.cs[设计]下编辑UI界面，并进行预览。在FlightPlanner.cs下进行源代码的查看与调整。

2.2 实现功能

紧张的察打一体任务中，操纵员要一边监视飞机各项状态参数，一边确认目标和写入航点文件，而这些操作并不能在同一级的单个界面中完成，对于暴露在野外的地面野战班组而言，环境压力和操纵压力较大。所以考虑修改地面站原始界面，从航点写入和紧急情况的处置两个方面入手。现将部分涉及代码摘录如下。

2.2.1 预定航线的划设

通过设置特定按钮并重新指向航点文件，载入航点文件的方式一键完成任务。

using （OpenFileDialog fd = new OpenFileDialog

fd.Filter = "All Supported Types|*.txt;*.waypoints;*.shp;*.plan";

DialogResult result = fd.ShowDialog（）;

string file = fd.FileName;

2.2.2 手动投放

通过设置独立按键映射特定舵机动作完成载荷的预定和紧急投放。

resources.ApplyResources（this.servoOptions1， "servoOptions1"）;

this.servoOptions1.Name = "servoOptions1";

this.servoOptions1.thisservo = 5;

this.servoOptions1.Load += new System.EventHandler（this.servoOptions1_Load）;

2.2.3 高低速切換

速度切换按钮用于加载预定速度值。

private void modifyandSetSpeed_Load（object sender， EventArgs e）

3  外场试验

选择了多种环境对地面站进行测试，使用修改后版本的开源飞控地面站大大降低了误操作和进入各级界面的延迟。相对于原版地面站在切换航线时需要进入3～5个界面，点击3个按钮;在紧急抛弃载荷时需要切换两次界面。经过人机优化过的修改版地面站只需一键操作，单次操作时间缩短了10～15s，且降低了误操作的可能性。多次试飞中，修改版地面站工作稳定。对模拟地面目标进行了侦察与识别，并对一个目标执行了打击任务。该任务最快用时可达1'30''。而使用原版地面站的整个任务流程均在3min以上。这个实验结果可以表明修改版地面站在操作效率上的有效提升。

4  结语

利用合理的人机工程学与程序设计，从硬件与软件两方面针对察打一体无人机系统的地面站进行设计与优化。在硬件上，压缩设备与载机的体积，地面站与察打一体载机装入同一个长宽高相加少于1.6m的箱体中，并且将控制系统模块化，优化了察打一体载机的安装流程。软件上，修改和调试开源地面站源码，实现了关键任务和操作的一键式操控，一定程度上降低了操纵员在分秒必争的战场环境下的操作压力。经过实测，这些改进非常实用，提升了察打一体无人机系统的操控体验和操控效率，为察打一体无人机的自动飞行和侦察能力积累了一定的经验。未来地面站的功能将更为强大：不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群;地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的功能模块实现功能扩展。

参考文献

[1] 赵婷婷.无人机地面站与航迹规划的研究[D].天津大学，2012.

[2] 周焱.无人机地面站发展综述[J].航空电子技术，2010，41（1）：1-6.