无人机地面站控制系统设计分析

段玉龙

天津航天中为数据系统科技有限公司天津滨海高新区 天津 300450

作为无人机地面站的关键构成部分之一，控制系统需要完成对飞机飞行状态的实时监控，以及有效载荷管控、科学规划任务及准确显示飞行航迹与测控参数等多项功能。实现无人机地面站控制系统的优化设计，对于充分发挥无人机的优势效用具有十分重要的影响作用。本研究可为人们深入把握无人机地面站控制系统，实现该系统的优化设计提供必要理论参考与相关实践指导帮助。

1 研究背景

由于以在交通管控、城市与环保监控等各领域中，完全依赖人工操作模式，不仅难以有效提升其工作效率，同时还极易受到各种因素的干扰影响并产生人为失误、人工误差等情况。因此在我国科学技术水平的不断发展下，开始逐渐将无人机引入其中，辅助人工作业或是直接代替部分人工操作。而为了能够有效加强对无人机系统运行的控制管理，我国当前正在加紧研发无人机地面站控制系统。现有的控制系统其移动方式基本以车载为主，控制系统组成部分主要包括飞行与任务载荷控制、合成孔径雷达控制等，虽然其能够在一定程度上完成无人机地面站控制工作[1]。但受到系统功能接口局限性的影响，可供任务规划及有效载荷管理的系统功能与接口仍然较为有限。因此本文将尝试依托现有的无人机地面站控制系统，在充分保留其各项优势特点的基础上，对其存在的不足之处进行相应优化改进，从而设计出功能更加完善，适应范围更广泛的无人机地面站控制系统。

2 无人机地面站控制系统的基本组成

本文在优化设计无人机地面站控制系统时，运用模块化设计理念，除使用各项智能化、现代化的人机交互设备与无人机中的各项所需仪表之外，本系统主要由导航显示与飞行仿真模块、航迹管理和任务规划模块、显示无人机仪表状态模块等共同组合而成。包括车内面板与软件面板以及地面站人机交互设备等，均作为地面站数据来源，获取相关数据后将根据具体规则，对遥控数据帧进行有效填充，而后借助串口通信的方式将其发送至数传电台[2]。与此同时，无人机地面站控制系统也可将数传电台作为遥测数据源，在获得相应数据并对其进行降噪、滤波等处理后，再反馈至相应的显示模块即可。根据无人机飞行原理及其控制要求，可知在无人机地面站控制系统中，遥控指令主要由开关与比例指令以及上行导航数据等共同构成。在此当中，完全由地面站软件产生的数据有且仅有导航数据，其余两个指令均由软件与外部硬件设备共同产生。其中开关指令的数据来源于车内外控制器与控制面板、软件面板，而比例指令数据则主要来源于车内外控制器与控制面板，软件面板并不作为其数据来源。

3 无人机地面站控制系统的设计分析

3.1 系统设计

根据上文可知，基于模块化设计理念下，本文所设计的无人机地面站控制系统中，其结构组成主要包括人机交互设备与无人机中仪表、导航显示与飞行仿真模块、航迹管理和任务规划模块、显示无人机仪表状态模块等等。在导航显示模块中，主要负责显示电子地图与地形地貌，同时实时显示无人机预定与实时航迹以及各项空管信息等，其显示与控制形式设计采用二维与垂直导航相结合的方式。在航迹管理与任务规划模块中，则主要负责专门控制无人机预定和实时航迹，同时将相应的飞行任务指令准确传递给无人机。

系统中的无人机仪表及其状态显示模块，主要负责对各项重要参数如动力与导航系统参数、飞行参数等进行实时接收显示。本控制系统在该模块设计中，同时运用两个显示器，分别负责用于对无人机状态及仪表信息进行实时、准确显示。所设计的飞行仿真模块，其功能在于自动调用无人机地面站控制系统中的仿真模拟软件，真实模拟无人机飞行的轨迹与姿态[3]。本文在设计过程中，通过将无人机运动学与动力学等方程引入其中，在与无人机初始运动信息进行充分结合下，真实模拟出无人机飞行的具体轨迹与姿态。在控制无人机飞行姿态时，通过设计使用RTI-DDS软件，可为用户提供类型多样的海量API函数，而该系统函数可有效实现分布式系统的数据高效交互。事实上，在分布式系统当中，DDS专门负责控制分层管理，使得分布可重用得以有效实现。各模块在顺利完成数据注册后，RTI-DDS软件将统一负责完成数据的安全可靠收发。相较于传统的分布式系统，本文所设计的无人机地面站控制系统在飞行仿真模块中，编程接口更加简化，有助于地面站灵活、准确地对无人机飞行姿态进行实时控制并及时将相关信息数据传输至地面站。

另外，本文所设计的无人机地面站控制系统中，还设有专门用于向地面站实时传输各项监控画面的无线监控及视景仿真模块，而该模块应用功能的实现，主要依靠安装在无人机上的高清摄像头以及无线监控技术。摄像头在无人机执行各项空中监控任务时，借助视频无线传输设备实现相互连接，在实时采集有关现场情况的音像画面与数据后，将在无线监控技术作用下，由无线电波向地面站监控中心发送相应的数据信号。而该模块中的视景仿真模块，则设计使用计算机设备，通过直接在其屏幕中显示出二维或三维物体，而后根据实际需要对相应视图、模型等进行变换。在控制系统中，该模块正常执行任务时，需要及时传输和显示无人机上高清摄像头拍摄的所有与现场情况相关的视频信息，而在平时的训练模式中，则通过运用其中的三维仿真软件，为无人机飞行提供三维立体的可视化场景，真实立体地显示出地形地貌。最后，该无人机地面站控制系统中以计算机为主的人际交互设备，主要扶着对操纵无人机的各项数据进行实时传输、显示和及时备份。

3.2 软件设计

在本文设计的无人机地面站控制系统中，通过充分结合实施与执行各项无人机任务的用户实际需求，在严格按照相关管理规定要去下，对无人机地面站控制系统软件结构及其设计参数进行统一明确。本文通过参考相关研究资料，选择在设计无人机地面站控制系统软件架构时，采用分布式交互结构，系统中各功能子系统之间进行数据交互传输，则主要利用RTI中间件DDS负责完成[4]。具体来说，在该控制系统中，数据管理模块与数据备份模块、任务操作及显示模块，均通过使用DDS总线与包括导航显示、任务规划、源代码处理等在内的功能模块进行相互连接，由此实现数据间的实时共享与高效传输。其中数据管理在借助DDS总线和其他功能模块及数据源相互连接的同时，还通过通信链路接口和飞行仿真模块进行相互连接。通过外部硬件设备与触摸屏输入的有关无人机飞行任务实施的各项信息数据，也统一归集至数据管理中心。所有数据在DDS总线的连接下，将会同步上传至数据备份中心进行妥善备份，并及时在控制系统的任务操作与显示模块中进行准确显示。

其中外设接口与触摸屏输入管理中的数据信息组成基本相同，均为无人机的飞行与任务指令以及仪表控制指令。通信链路接口中的信息数据则还包括载荷信息与仪表状态等，上述数据信息均经由DDS总线和各功能模块如电子导航模块、任务规划模块等进行相互连接，实现数据间的高效交互传输。其中飞机状态与无人机仪表显示模块、导航模块、合成视景显示模块等在接收到飞行参数、仪表状态与任务指令等信息数据后，将会利用DDS总线向外设接口、触摸屏输入管理与通信链路接口及时反馈程序状态。另外，约束与任务信息及空管信息被直接传输至任务规划模块中。

4 结语

相比于以往传统的控制系统，本文所设计的无人机地面站控制系统功能模块众多，不仅具备灵活、准确控制无人机使用的功能，同时还兼具模拟仿真训练功能，加之其操作简便，因此具有较高的应用价值。在将分布式控制技术、仿真建模技术及相关功能软件应用其中下，使得无人机地面站控制系统具有更广泛的适用范围与良好的可移植性。在对无人机地面站控制系统进行优化设计时，相关工作人员还需充分结合具体情况及系统控制要求，在严格遵循相关标准规定下，灵活运用各种先进的设计理念与设计方式，以此不断完善该控制系统。