无人机管控软件设计

李自然 王伟 王琦

【摘要】    近几年，随着无人机在军事和民用中地位的提高，对无人机地面管控系统的研究也逐步成为一个热点。针对无人机管控系统的应用，本文设计了一款基于WPF框架的PC端应用软件。该地面站能够实时显示无人机轨迹、飞行状态，可以加载本地作业任务或者是新建任务发送给无人机，同时可以对无人机的飞行数据进行实时分析，本文主要介绍了软件的功能和UI。

【关键词】    无人机地面管控系统    WPF    C#    数据分析

引言

无人机系统在日益发展，无人机地面管控系统也逐渐成为一个比较热门的领域。目前国内外主流的无人机管控系统主要功能有：轨迹显示、加载电子地图、状态信息显示、航迹规划、飞行数据记录以及操作指令等[1]。现有的无人机地面管控系统主要依靠的通信方式为串口通信，Socket通信使用较少，一般都需要在电脑端连接一个串口通信的外置设备，限制了用户的操作体验，同时，大部分地面站有日志文件，但是要等到无人机飞行结束后，才能对飞行数据进行分析，这样对飞机参数的设置带来不小的麻烦。作为无人机系统的的“神经中枢”，对地面管控系统的稳定性和实用性的要求也逐步提高。一款简单实用的无人机地面管控系统，使无人机能够执行更为复杂的作业任务，降低操作人员的工作量，对无人机系统是一个很大的优化。因而，对无人机地面管控系统的研究有着重大意义，无人机地面管控系统也发挥着越来越重要的作用[2-3]。

一、应用开发平台与工具

本系统设计采用的是WPF（Windows Presentation Foundation）框架，与MVC和MVP的最大区别就是WPF真正做到了前端UI开发和后端逻辑代码开发的分离，让专门的UI设计师开发前端界面，程序员则主要负责对后端逻辑代码的编写。开发平台是Visual Studio 2019，开发平台的使用建立在.NET基础之上[4-5]，本设计的UI部分采用的是XAML语言，它通俗易懂，不需要很专业的编程基础，能够设计出优美的动画，UI设计师可以直接参与项目的研发。后台逻辑部分使用的是C#编程语言，它是由C和C++发展而来的一门编程语言，它与java非常相似，同时与java有着几乎相同的运行过程，但是C#与组件对象模型是直接生成的，在此基础上又增加了其他功能，同时他是.NET开发的首选编程语言[5-7]。

二、 软件功能及界面设计

本系统设计的功能框图如下图1所示，主要分为电子地图模块、轨迹规划模块、传感器校准模块、参数设置模块、固件升级模块、视频模块、数据处理模块、虚拟仪表模块。电子地图模块主要包括电子地图的加载，我们可以加载谷歌、必应等各种卫星地图，同时我们在有网络的情况下也可以对地图进行缓存，这样在下次加载的时候就无需再次下载，而且在无网络的作业区域，我们可以提前下载好作业区域的卫星地图，这样就可以正常进行作业。轨迹规划模块主要包括无人机轨迹的实时显示，还可以对无人机保存的飞行数据日志文件进行轨迹回放，查看无人机飞行的各种状态，同时可以把已经建好的作业任务保存到本地数据库，这样下次可以直接导入，避免重复规划任务。传感器校准模块主要包括地磁校准、陀螺仪校准、加速度计校准，在组装飞控系统之前，对飞控系统各个模块的校准，可以保证飞控在无人机作业的同时保持稳定高效的运作，有效的防止了无人机炸机。参数设置模块主要包括作业参数设置、机型设置、灯光设置，在无人机作业之前我们可以针对无人机上次的飞行状态，来重新设置一些参数，让无人机飞行的更加平稳。固件升级模块主要是用来对程序的版本进行升级，把升级好的固件导入到模块中，就能够自动更新，减少了研发人员的工作量。视频模块主要包括视频的实时回传和拍照，通过实时的视频回传，我们可以清楚的看到无人机前方的障碍物，避免无人机撞到障碍物发生炸机，同时拍照功能所拍的照片能够保存到本地，以备后期查看和使用。数据处理模块主要包括无人机实时数据的显示和相关数据的存储，通过UI界面的展示，我们可以查看无人机的高度、速度、电压等一系列状态，同时，如果发生电压过低，距离过远，地面管控系统会发生警报，来提醒操作人员做一些相应的处理;数据处理模块还包括对飞行数据的查看，我们可以通过此模块，查看无人机的各种姿态角、遥控器控制量、油门控制量、任务航点数量、以及各个模块的版本号;这个模块还可以导入相机图传和RTK的数据文件，可以查看图传的联网状态，上传照片的数量，RTK主从天线的卫星数量，同时可以自主诊断相关问题，图传不正常的情况下是图传网络的问题还是程序版本的问题，RTK进不去的情况下是主天线的问题、从天线的问题还是环境本身信号不好对其造成的影响，在数据分析的二维图表中点击相应时刻的数据，由图的无人机标记位置也会对应到其同样的时刻，也就是说可以再同一时刻查看无人机的各种相关数据。虚拟仪表模块主要是通过串口接收无人机相关姿态的数据，送到前端仪表来展示无人机的3D飞行姿态，使用户体验更佳。

三、结语

随着无人机技术的逐渐发展，无人机地面监控系统的功能也日趋丰富[8]，本设计不仅能够对无人机实时监控，还可以完成作业任务的下发，同时可以对无人机的数据实时分析，并能够给出相应的诊断结果，有着广阔的市场前景与应用空间。

参  考  文  献

[1] 钟柱梁，李庭威，陈嵘杰，刘立程，王峰.军用无人机现状及发展趋势[J].电脑知识与技术，2018，14（08）：250-251

[2]王鑫. WPF技术在无人机地面控制站中的应用 [M]. 北京理工大学， 2015

[3]王媛娇，孙恺，等. 基于WPF技术的行情分析软件设计与实现[M]. 电子设计工程， 2014（18）：20-22

[4]袁玉敏. 农业植保无人机高精度定位系统研究与设计-基于 GPS 和 GPRS[J]. 农机化研究， 2016（12）：227-231.

[5]李小磊. 无人机任务规划软件设计与实现[D]：[硕士学位论文]. 电子科技大学， 2014.

[6]Jiehong Wu， Liangkai Zou， Liang Zhao， Ahmed Al-Dubai， Lewis Mackenzie， Geyong Min. A multi-UAV clustering strategy for reducing insecure communication range[J]. Computer Networks， 2019， 158： 132-142.

[7]李世川. 搭建ASP.NET開发平台[J]. 网络运维与管理， 2015（1）：122-123.

[8]屈武江. 串口数据采集系统在VS2008中的设计与实现[J]. 沈阳师范大学学报（自然科学版）， 2013， 31（3）：409-412.