丁夢(mèng)雨 ，蘆利斌 ，金國(guó)棟

（第二炮兵工程大學(xué)907教研室，陜西 西安 710025）

近年來(lái)，小型無(wú)人機(jī)（Mini-UAV）技術(shù)達(dá)到了迅猛發(fā)展，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、成本低、便于隱蔽等特點(diǎn)，使得小型無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。小型無(wú)人機(jī)的地面控制系統(tǒng)，即地面站GCS（Ground Control Station），是小型無(wú)人機(jī)的重要組成部分。它是小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超小型無(wú)人機(jī)的監(jiān)視、導(dǎo)航和控制，從而完成既定的任務(wù)。

小型無(wú)人機(jī)地面導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)航系統(tǒng)）作為整個(gè)地面站系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，承擔(dān)的主要任務(wù)是精確確定無(wú)人機(jī)在空間中的位置，能夠進(jìn)行航跡的實(shí)時(shí)顯示及航拍圖像的回放，并且使無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)既定航線的跟蹤。針對(duì)某型小型無(wú)人機(jī)自身任務(wù)的特殊需求，對(duì)導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。

1 導(dǎo)航系統(tǒng)組成

小型無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)一般由3個(gè)部分組成：微處理器、GPS以及空氣數(shù)據(jù)傳感器。微處理器是數(shù)據(jù)處理和飛行控制的核心部分；GPS部分可以選擇性地過(guò)濾接收到的GPS信息，再將接收到的各類信息通過(guò)串口傳輸給微處理器，使其能夠進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)算；空氣數(shù)據(jù)傳感器則選擇采用半導(dǎo)材料的大氣壓力傳感器來(lái)為無(wú)人機(jī)駕駛提供外界數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖Fig.1 Navigation system principle diagram

2 添加圖層

矢量地圖比位圖地圖的資源內(nèi)容更加豐富，其原因是矢量地圖有多圖層。圖層的讀入和顯示是所有地圖操作的基礎(chǔ)，在程序中通過(guò)地圖文件路徑與文件名將地圖數(shù)（位圖文件）讀入內(nèi)存，并利用Windows中繪圖工具將位圖繪于指定區(qū)域（即地圖顯示區(qū)）[2]。部分核心代碼如下：

3 確定地圖工具的功能以及經(jīng)緯度信息

無(wú)人機(jī)地面站的地圖工具的基本功能是指地圖的指示箭頭、放大和縮小、漫游和選擇。無(wú)人機(jī)在發(fā)回給地面站的遙測(cè)信息中包含GPS定位信息，經(jīng)過(guò)處理后可在二維地圖里顯示出無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置。在地圖操作時(shí)，若能顯示用戶操作的實(shí)際地理坐標(biāo)，能夠給用戶提供指導(dǎo)信息，以便確定新添加的航路點(diǎn)位置。GPS采用的是世界大地坐標(biāo)系（WGS－84），坐標(biāo)原點(diǎn)是地球質(zhì)心，z軸指向 BIH1984.0定義的協(xié)議地極CTP（Coventional Terestrial Pole），其 x軸指向 BIH1984.0 的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道的交點(diǎn)，y軸與x軸、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖 2 所示[3－10]。

圖2 WGS－84坐標(biāo)系Fig.2 WGSs－84s fastens by mark

地圖功能和經(jīng)緯度信息的實(shí)質(zhì)是在GPS坐標(biāo)系和顯示器屏幕坐標(biāo)系中建立相應(yīng)的關(guān)系。屏幕坐標(biāo)系是以顯示像素作為繪圖單位，通過(guò)計(jì)算地圖上兩個(gè)配準(zhǔn)點(diǎn)之間的經(jīng)、緯度差和屏幕坐標(biāo)、方向上兩點(diǎn)之間的像素差，定出實(shí)際距離與顯示設(shè)備坐標(biāo)的比例關(guān)系，就可以計(jì)算出每一個(gè)像素相當(dāng)多少經(jīng)度或緯度，根據(jù)他們的相對(duì)距離的差值就可以根據(jù)配準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算出某一點(diǎn)的位置坐標(biāo)[4]。在實(shí)際的地圖繪制過(guò)程中，由于受屏幕顯示器區(qū)域的限制，地圖只有部分會(huì)被顯示，若想觀察未顯示的部分則需要移動(dòng)顯示區(qū)域，此時(shí)，屏幕坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)是不相同的。如果是從屏幕坐標(biāo)獲得地圖坐標(biāo)或還需要進(jìn)行一次坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。其原理比較簡(jiǎn)單，只需要使地圖坐標(biāo)等于屏幕坐標(biāo)與移動(dòng)坐標(biāo)之和。

部分核心代碼如下：

經(jīng)過(guò)地圖配準(zhǔn)后，通常采用Windows中圖形設(shè)備接口GDI（Graphics Device Interface）通過(guò)尋找屏幕坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)線的繪制實(shí)現(xiàn)飛行航跡顯示、航點(diǎn)預(yù)定和航跡規(guī)劃。

4 航路規(guī)劃

地面站導(dǎo)航系統(tǒng)的航跡規(guī)劃、回放功能可以直觀的反映出無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，下面對(duì)航跡規(guī)劃功能進(jìn)行說(shuō)明：用戶單擊“航點(diǎn)規(guī)劃”后，即控制客戶圖層繪制的標(biāo)志量，再點(diǎn)擊刷新圖層，準(zhǔn)備接收用戶鼠標(biāo)點(diǎn)擊的航點(diǎn)坐標(biāo)，隨后在MapX的鼠標(biāo)彈起消息處理函數(shù)時(shí)進(jìn)行以下操作：鼠標(biāo)左鍵彈起一次，表示確定一個(gè)航點(diǎn)，依此類推。在記錄規(guī)劃航點(diǎn)數(shù)目變量的同時(shí)，將新的航點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)到經(jīng)緯度數(shù)組相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，同時(shí)移動(dòng)鼠標(biāo)，指針?biāo)肝恢玫慕?jīng)緯度將實(shí)時(shí)地顯示在狀態(tài)欄里，以便用戶進(jìn)行查看。但是需要注意，在每次確定新航點(diǎn)后，都必須立即刷新客戶圖層，并將當(dāng)前所有航點(diǎn)按編號(hào)次序連接成一個(gè)閉合的多邊形，以便讓用戶參考的航跡是符合航跡規(guī)劃的。若完成本次規(guī)劃，單擊“規(guī)劃完畢”菜單，航點(diǎn)將立即被編碼、發(fā)送；若放棄本次規(guī)劃，單擊“取消規(guī)劃”菜單；若對(duì)已規(guī)劃的某個(gè)航點(diǎn)位置進(jìn)行修改，單擊“修改航點(diǎn)”。

航跡規(guī)劃是基于繪制客戶圖層以開(kāi)關(guān)變量控制不同任務(wù)的重要導(dǎo)航子系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

5 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和戶外飛行試驗(yàn)，表明該小型地面站的導(dǎo)航系統(tǒng)能夠正常工作，下面給出實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.3 Navigation system circulates a test result

由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制和測(cè)試項(xiàng)目的選擇，并不是所有的數(shù)據(jù)都能顯示出來(lái)，所以圖3中一些數(shù)據(jù)欄并沒(méi)有顯示數(shù)據(jù)，如高度標(biāo)尺等沒(méi)有顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章主要討論了導(dǎo)航系統(tǒng)組成、圖層的添加、確定了地圖工具的功能以及經(jīng)緯度信息以及航路的規(guī)劃。通過(guò)地圖配準(zhǔn)建立了GPS定位信息與屏幕顯示坐標(biāo)之間相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，然后根據(jù)尋找屏幕坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)線的繪制實(shí)現(xiàn)飛行航跡顯示、航點(diǎn)預(yù)定和航跡規(guī)劃，并給出相關(guān)內(nèi)容的部分核心代碼。

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