无人机地面站软件平台开发探究 本文关键词：地面站，无人机，探究，开发，平台
无人机地面站软件平台开发探究 本文简介：摘要 无人机凭借自身的特点以及相比较于载人飞机无可比拟的优势，不仅在军用领域得到广泛运用，而且也在各个民用领域大放异彩。本文对于作为无人机系统指挥控制中心和信息处理中心的无人机地面站软件平台的开发做了详尽的设计及研究。 本文从无人机地面站软件平台的发展研究现状及发展趋势着手，研究了无人机
无人机地面站软件平台开发探究 本文内容：
摘要
无人机凭借自身的特点以及相比较于载人飞机无可比拟的优势，不仅在军用领域得到广泛运用，而且也在各个民用领域大放异彩。本文对于作为无人机系统指挥控制中心和信息处理中心的无人机地面站软件平台的开发做了详尽的设计及研究。
本文从无人机地面站软件平台的发展研究现状及发展趋势着手，研究了无人机地面站的总体功能框架及实现途径。根据模块化的程序设计思想，分别设计实现了串口通信模块、数据处理模块、虚拟仪表和飞行姿态三维显示模块、电子地图模块以及航迹规划模块的功能。整个地面控制站软件平台的大部分功能是基于LabVIEW 开发环境实现的，借助 VISA 驱动编程实现串口通信软件功能，接收由通信链路传来的无人机飞行数据，并能向无人机发送控制指令；利用 LabVIEW 开发特点、丰富的扩展函数库，设计实现了对飞行数据信息的存储与读取、对飞行姿态的实时模拟显示等模块功能；并借助丰富的显示操作控件设计了简洁高效的软件界面，实现了文本与仪表两种不同的数据显示以便于操作人员对无人机飞行状态的掌控；通过对 MapX 地图插件进行二次开发，实现了电子地图的相关操作及无人机经纬度位置信息的实时定位显示；最后针对无人机实际飞行任务中存在复杂的条件制约及已知威胁区域的问题，在传统 A-Star 航迹搜索算法的基础上增加关于最大航向角、最小航迹段长度以及最大航程的条件约束，并对算法本身和代价函数的计算方法进行了改进。通过 MATLAB 编程，实现了对算法的改进与仿真，并借助设计的坐标转换程序实现航迹规划算法的实际应用。
本软件平台基于 Windows 便携式计算机进行开发测试，考虑到高昂的无人机在线测试成本，采取在计算机之间进行 RS232 串行通信来模拟无人机与地面站之间的通信与控制。通过设计的模拟飞行数据信息，测试了软件各个模块功能的正常运行，验证了软件平台的性能满足应用需求。
关键字： 无人机，地面站软件，LabVIEW，MapX，航迹搜索。
Abstract
Depend on its own characteristics and incomparable advantages when compared with mannedaircrafts,UAVsarewidelyusedinmilitaryfields,butarealsostandoutinvarious civilian fields. This paper made a detailed research and design for the development of the UAV ground station software platform, which is the command control center and the information processing center of UAV system.
Based on the research present situation and the development trends of UAV ground station software platform, this paper studied the overall functional framework of UAV Ground Station and the way to realize it. According to the modular programming ideas,the functions of serial communication module, data processing module, virtual instrument and flying attitude 3D display module, electronic map module and flight path planning module are designed and implemented respectively. Most of the functions of the entire ground control station software platform are based on the LabVIEW development environment. With the help of VISA driver programming, UAV ground station is able to receive flight data from the communication link and send control instruction data to the UAV, which are the functions of serial communication software;By using the development features and abundant extended function library of LabVIEW,the module functions of flight data information storage and reading, real-time flight attitude displaying were designed and implemented; Furthermore, by utilizing itsmassive display and operation widgets, a concise and efficient software interface is designed. Two different data displays of text and virtual aviation instrument are realized,which is convenient for operators to acquire flight status of the UAV; Through the secondary development of the MapX plugin, the related operations of the electronic map and the real-time location display of the latitude and longitude position information of the drone are realized; At last, under the situation of existing threat areas and complex conditional constraints in the actual flight mission of UAV, a variety of condition constraints about the maximum heading angle, the minimum track segment length and the maximum voyage are added to the traditional A-Star track searching algorithm. The algorithm and the calculation method of cost function are improved at the same time.
The algorithm of A-Star track searching is improved and simulated through MATLAB programming, and the practical application of the algorithm is realized by the design of coordinate transforming program.
The software platform is based on Windows portable computer for developing and testing. Considering the high cost of online test of UAV ground station, the method of software testing is applying RS232 serial communication between computers to simulate the communication and control between the UAV and the ground station. Through the design of simulated flight data information, the function of the software modules was tested, and the performance of software platform was verified to meet the application requirements.
Keywords: UAV, ground station software, LabVIEW, MapX, track search。
第一章 绪论
1.1 无人机介绍。 最先进的科学技术，往往最早地用于军事上 。近几十年，军用无人机的发展速度十分迅速，无人机的发展正在改变着现代战争的作战模式，引来军事上的一场深刻的革命。相比较有人驾驶飞机而言，无人机拥有诸多优势：研发成本低，性价比高；使用维护简单方便；隐蔽性好，安全系数高，可执行危险任务；起飞着落易于控制；续航时间长，机动性好等。凭借自身的特点和无可比拟的优势，无人机技术在军用领域被大量运用[1]。近年来，随着科学技术的不断发展，研发成本的进一步降低，无人机在民用方面的运用也越来越受到重视。各个领域根据自己的行业需求结合无人机的独特优势，将无人机的家族拓展地十分庞大，其在民用领域的应用包括电力巡线、灾情巡查、消防灭火、交通监控、农业喷洒、气象探测、航拍测绘、公安抓捕等[2]。目前，几乎任何有工业能力国家都开展了对无人机领域的探索与应用。
无人机（UAV, Unmanned Aerial Vehicle）是无人驾驶飞机的简称,是一种在机上不载有人员直接操作，通过遥控或者自动控制飞行，具有动力的、能够负载各种载荷并能执行一定任务的、可重复使用的飞行器[3]。无人机与有人飞行器除了有机上没有人员直接操控的区别外，还有无人机不需要负载对飞行人员的环境控制系统及生命保障设备，如对氧气、气压、温度等条件的控制设备，并且，无人机的维护成本也较有人机而言有极大的降低。而无人机与导弹虽然都有通过遥控或自主控制的共同点，但是二者的不同点在于无人机可以重复执行飞行任务，而导弹不能重复使用[4]。
目前，无人机虽然不像有人飞机一样有一个统一的分类，但是仍可以按照无人机的构型、用途、性能等条件进行大致分类。无人机针对不同的领域需求衍生出各式用途的飞行平台，在军用领域，无人机按照其用途主要可以分为无人靶机、无人侦察机、无线电干扰无人机、无人攻击机等；在民用领域，无人机按照其用途主要可以分为交通监控无人机、农药喷洒无人机、消防无人机、航拍无人机、管道巡线无人机、灾情勘测无人机等等[5]。按飞行性能进行分类，分为远程无人机、中程无人机、近程无人机（小型无人机）等类型[6]。按飞行器类型进行分类，主要分为无人固定翼飞机、无人直升机、无人多旋翼飞行平台、微型仿生飞行器等类别[7]。
无人机技术是一项融合了光电科学、无线电学、材料科学、飞行动力学、微电子学、智能控制、航空制造技术等各项顶尖科学工程领域成果于一身的先进技术。随着科学技术水平的不断发展，无人机必将有着向微小型化、智能化、网络化、高性能化、远程化发展的趋势，必将得到更加广泛的应用，被赋予更加复杂、多样化的使命[8]。
1.2 无人机系统。 上节所简述的无人机的概念主要是指无人机空中飞行平台，而从实际技术方面进行考虑，仅仅依靠空中飞行平台就能够实现飞行任务是远远不够的，无人机空中平台仍需要一些能够支撑其应用的相关子系统、硬件设备、软件功能、技术人员等。无人机系统（UAS ，Unmanned Aircraft System）是指无人机空中平台、机载设备、通信数据链、地面控制站、起飞（发射）回收装置、地面保障人员及设备等的统称[9]。无人机系统主要包含以下几个部分：
（1）无人飞行器平台是执行飞行任务的主体部分。主要包括机体、能源装置、动力装置、飞行控制与导航系统[10]。飞行器机体部分主要由机身、机翼、旋翼、尾翼等组成；动力装置一般有喷气式发动机、燃油活塞式发动机、无刷电动机、螺旋桨等；飞行控制与导航系统包括伺服机构、伺服舵机、连杆、摇臂、定位装置、飞控系统及其他驱动机构，是执行飞行器姿态控制和规划航路控制的硬软件的结合[11]。
（2）信息传输系统通常也被称为数据链路，能够实现机载信息和地面信息的数据处理。机载信息传输设备包括机载天线、无线电信号接收器和无线电信号发射器[10]，从而能够接收由控制站发送的控制指令，并且向地面发送飞行信息及任务载荷信息；地面信息传输设备包括天线、信号发射器及接收器等。
（3）地面控制站是实现控制无人机飞行及执行任务的核心。其主要包括数据处理系统、飞行状态监视平台、电子地图定位、通信控制及航迹规划等功能模块。
（4）任务载荷是根据不同任务需求，为无人机而设计挂载的各式机载设备。如光学侦察设备、电子干扰器、机载导弹等。
（5）地面保障人员及设备。地面保障设备主要包括无人机的起飞回收装置、能源供应设备及运输监测设备等；保障人员包括地面站监测人员、操作人员、通信保障人员、后勤维护人员等。
小型无人机系统精简了其结构组成，借助便携式无线通讯设备和便携式地面软硬件平台，在保障系统完整性的同时，降低了无人机系统的应用门槛，拓展了无人机技术的应用场景。小型无人机系统结构如图 1-1 所示：
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1.3 无人机地面站系统
1.4 国内外研究现状
1.4.1 国外典型无人机地面站介绍
1.4.2 国内典型无人机地面站介绍
1.4.3 国内外无人机地面站软件对比分析
1.4.4 地面站软件平台的未来发展趋势
1.5 课题研究目标及工作内容
1.5.1 课题研究的目标
1.5.2 课题研究的工作内容
第二章 地面站软件平台的总体设计 2.1 地面站软件平台的设计要求
2.2 地面站软件平台的总体结构
2.3 地面站软件平台的工作流程
2.4 地面站软件平台的界面设计
2.5 开发工具简介
2.5.1 LabVIEW 简介
2.5.2 MATLAB 简介
2.6 本章小结
第三章 通信控制与数据处理 3.1 功能要求分析
3.2 无线数传电台
3.3 串口通信软件的设计
3.4 通信协议
3.4.1 下行数据结构
3.4.2 上行数据结构
3.5 数据解析程序设计
3.6 数据存储及数据回放模块设计
3.7 虚拟仪表显示模块设计
3.8 飞行姿态三维展示程序设计
3.9 本章小结
第四章 电子地图的开发 4.1 电子地图功能模块要求分析
4.2 电子地图模块设计方案分析
4.3 MapX 简介
4.3.1 MapX 的空间结构
4.3.2 地图图层
4.3.3 Map 对象
4.4 地图基本功能的实现
4.4.1 放大、缩小、移动、居中功能的实现
4.4.2 鼠标滚轮放大缩小功能的实现
4.4.3 定位功能的实现
4.4.4 鼠标选点获取经纬度功能的实现
4.4.5 航线绘制的实现
4.5 本章小结
第五章 无人机航迹规划的研究及应用 5.1A-Star 算法介绍
5.2 网格地图中的启发式函数
5.3 威胁建模与分析
5.4A-Star 算法改进
5.4.1 约束条件
5.4.2 代价函数的改进
5.4.3 对算法的改进
5.5 算法流程及实现
5.6 仿真结果及实验对比分析
5.7 仿真航点坐标到地理坐标的转换
5.8 本章小结
第六章 无人机地面站软件测试 6.1 串口通信模块的测试
6.2 仪表及飞行姿态三维模拟显示测试
6.3 电子地图功能模块测试
6.4 经纬度航点坐标转换测试
6.5 本章小结
第七章 总结
本次设计基于 LabVIEW 软件开发了一个小型无人机地面站软件平台，实现了预期的功能及实现效果，主要成果如下：
（1）从无人机地面站的功能需求及设计需求出发，研究了地面站软件的总体功能框架。以模块化的设计方法，将模块功能细分化、具体化，研究了其实现方法；从简洁、易用、功能明确方面考虑，对软件界面进行了设计。
（2）根据通信需要设计了串口通信软件，定义了数据通信格式，编写了数据接收、分断、解析、存储等程序，实现了串口之间的通信、参数控制以及飞行数据的接收、发送、处理、存储；根据飞行数据显示需求，设计了飞行姿态三维模拟展示程序，实现飞行姿态数据的图形化展示。
（3）借助 MapX 可编程控件实现了电子地图的放大缩小等基本操作，利用解析出的经纬度坐标实现无人机位置的实时定位及航迹显示。
（4）对 A-Star 航迹规划算法进行优化改进，从实际应用出发，结合限制条件对搜寻过程进行约束，并进行了仿真对比，证实了改进算法的优越性。设计了仿真点坐标到实际飞行任务区域地理经纬度坐标的转换程序，实现了航迹规划算法的实际应用，能够按照任务规划控制飞行轨迹。
（5）对地面站软件平台的各个功能进行了测试验证，各个模块能够稳定运行地实现其功能，符合预期设计目标。
参考文献.
无人机地面站软件平台开发探究 来源：网络整理
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