劉 惠，王泓淼，胡 楠，顏 華

(1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301)

無人機(jī)通用指控平臺設(shè)計與實現(xiàn)

劉 惠1，王泓淼2，胡 楠1，顏 華2

(1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301)

現(xiàn)有不同型號無人機(jī)的數(shù)據(jù)協(xié)議格式差別較大，無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)與無人機(jī)緊密耦合，針對不同機(jī)種要開發(fā)不同的指控系統(tǒng)，系統(tǒng)的通用性較差，開發(fā)、培訓(xùn)成本高，且無法滿足未來多無人機(jī)協(xié)同作業(yè)的任務(wù)需求；因此，設(shè)計開發(fā)一套具有較高通用性的無人機(jī)指控系統(tǒng)，通過對異構(gòu)的無人機(jī)測控數(shù)據(jù)進(jìn)行通用化處理，形成具有較強可擴(kuò)展性的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議，用以消除不同無人機(jī)與指控系統(tǒng)之間的差異性，同時最大限度的保證指控平臺的可擴(kuò)展能力。

無人機(jī)；通用化；指揮控制；數(shù)據(jù)協(xié)議

0 引言

隨著無人機(jī)應(yīng)用的逐漸深入，無人機(jī)種類和數(shù)量都在不斷增多，隨之暴漏出來的問題也日益凸顯。一方面，國內(nèi)外各型無人機(jī)系統(tǒng)接口形式多樣，數(shù)據(jù)協(xié)議格式差別較大，現(xiàn)有技術(shù)都是按照無人機(jī)原始數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行透明傳輸，對后期的數(shù)據(jù)解析與應(yīng)用帶來許多不便；另一方面，現(xiàn)有無人機(jī)平臺僅能通過各廠商自有系統(tǒng)進(jìn)行分散監(jiān)控，無人機(jī)平臺與指控系統(tǒng)的緊密耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)的通用性、可擴(kuò)展性較差，針對新機(jī)種要開發(fā)新的指控系統(tǒng)，開發(fā)、維護(hù)、培訓(xùn)的成本較高，無法滿足無人機(jī)業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的需求。

北約在2003 年制定了“北約無人機(jī)控制站互操作標(biāo)準(zhǔn)化接口”(STANAG 4586 標(biāo)準(zhǔn))[1-3]，以提高無人機(jī)系統(tǒng)在北約盟軍聯(lián)合作戰(zhàn)中的互操作能力。目前，國外在實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)通用化方面主要是以北約制定的STANAG 4586協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是北約部隊使用的一種無人機(jī)通用地面站系統(tǒng)的規(guī)格說明，以使北約各成員國可以應(yīng)用各自無人機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合支持軍事作戰(zhàn)行動，該種通用化是建立在應(yīng)用同種數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的前提下，但是，迄今為止絕大多數(shù)無人機(jī)產(chǎn)品仍采用各自的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，系統(tǒng)之間未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，直接導(dǎo)致各家無人機(jī)數(shù)據(jù)協(xié)議差別較大，操作平臺過多，維護(hù)成本過高等問題。在國內(nèi)地面站方面，已經(jīng)實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、飛行控制、鏈路監(jiān)控、飛行控制、載荷控制、航跡/參數(shù)綜合顯示、數(shù)據(jù)存儲處理與分發(fā)等功能[4]，但各項功能應(yīng)用起來相對分散，缺乏統(tǒng)一的體系，且主要是針對某一機(jī)型或某類設(shè)備單獨研制，兼容性較差。

為解決上述問題，本文提出了一種基于XML的異構(gòu)無人機(jī)通用數(shù)據(jù)解譯技術(shù)的無人機(jī)通用指控系統(tǒng)，實現(xiàn)對多型無人機(jī)的通用化、一體化測控；在軟件架構(gòu)設(shè)計上采用通用的架構(gòu)設(shè)計方法，各模塊以插件化方式進(jìn)行集成[5-6]，內(nèi)部提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，可根據(jù)無人機(jī)參數(shù)的不同進(jìn)行靈活的變化，無需更改程序即可兼容新型無人機(jī)，解決了系統(tǒng)擴(kuò)展性的問題。

1 平臺設(shè)計實現(xiàn)

1.1 平臺設(shè)計分析

無人機(jī)指控平臺的基本功能是實現(xiàn)對無人機(jī)、載荷等任務(wù)設(shè)備的實時監(jiān)視與控制，通用化的無人機(jī)指控平臺要求基于同一軟件平臺實現(xiàn)對多型無人機(jī)系統(tǒng)的兼容測控，并具有較高的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來新型無人機(jī)的接入需求。

通過對國內(nèi)外主流的大型無人直升機(jī)、中小型固定翼無人機(jī)、便攜式固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)等多種機(jī)型進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)不同廠家無人機(jī)的測控協(xié)議大不相同，例如，一般機(jī)型都是以二進(jìn)制分幀格式進(jìn)行表示，但也有個別機(jī)型如MD4-1000等是以ASCII編碼方式分幀表示，而且，不同機(jī)型測控數(shù)據(jù)幀的幀頭、幀長度、參數(shù)屬性等具體信息都不盡相同，這些都給無人機(jī)系統(tǒng)的通用測控帶來了很大困難，也是造成無人機(jī)指控系統(tǒng)間通用性較差的主要原因。

為了實現(xiàn)通用化，本文在原指控平臺基本功能上增加接口協(xié)議控制功能，該功能基于XML的異構(gòu)無人機(jī)通用數(shù)據(jù)解譯技術(shù)，實現(xiàn)對多型無人機(jī)測控協(xié)議的統(tǒng)一解譯，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議，各監(jiān)控軟件只需對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，不再依賴于各型無人機(jī)特定的協(xié)議，較好的提升了平臺的通用化水平。

1.2 硬件設(shè)計

圖1 平臺硬件組成

無人機(jī)指控系統(tǒng)分為機(jī)載端和地面指控端兩大部分，其中無人機(jī)通用指控平臺軟件部署于圖中的地面指控站上，地面站配備千兆交換機(jī)實現(xiàn)平臺內(nèi)部信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

無人機(jī)搭載任務(wù)載荷對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航拍，通過數(shù)據(jù)鏈路實時回傳遙測數(shù)據(jù)至地面指控站，由通訊與接口協(xié)議控制計算機(jī)對飛機(jī)、載荷遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一解析、分發(fā)和存儲，解析后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸至各監(jiān)控軟件進(jìn)行狀態(tài)實時顯示。通訊與協(xié)議控制計算機(jī)同時接收飛機(jī)、載荷、鏈路的控制指令，按設(shè)備規(guī)定格式封裝后通過數(shù)據(jù)鏈路上傳至機(jī)載端，完成對機(jī)載設(shè)備的控制。

1.3 軟件組成

圖2 平臺軟件組成

如圖2所示，無人機(jī)通用指控平臺包括通訊與接口協(xié)議控制、鏈路監(jiān)控、飛行監(jiān)控和載荷監(jiān)控四部分。

通訊與接口協(xié)議控制軟件基于異構(gòu)無人機(jī)通用數(shù)據(jù)解譯技術(shù)(技術(shù)實現(xiàn)說明參見第2章)，是平臺通用化處理的核心部分，負(fù)責(zé)通訊接口和通訊協(xié)議的管理與控制，直接與外部設(shè)備進(jìn)行交互，對內(nèi)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，屏蔽不同無人機(jī)平臺的差異性。

通訊與接口協(xié)議控制軟件包括設(shè)備接口管理模塊、通訊協(xié)議管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊四部分，其中，設(shè)備接口管理模塊負(fù)責(zé)對外部設(shè)備的接口形式進(jìn)行統(tǒng)一接入處理，支持網(wǎng)口、串口等多種數(shù)據(jù)接口形式；通訊協(xié)議管理模塊負(fù)責(zé)對多型無人機(jī)協(xié)議進(jìn)行配置與管理，應(yīng)用異構(gòu)無人機(jī)通用數(shù)據(jù)解譯技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議推送至各監(jiān)控軟件進(jìn)行可視化展示；網(wǎng)絡(luò)管理模塊負(fù)責(zé)平臺內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置、網(wǎng)絡(luò)傳輸方式設(shè)置等，支持TCP、UDP組播等多種網(wǎng)絡(luò)通信方式；數(shù)據(jù)管理模塊對內(nèi)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理接口，負(fù)責(zé)存儲和管理系統(tǒng)中原始遙測數(shù)據(jù)、遙控數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及各種日志數(shù)據(jù)等，保證數(shù)據(jù)的安全性、可靠性及完整性。

鏈路監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)對地空鏈路及通信設(shè)備進(jìn)行指令控制和狀態(tài)監(jiān)控，負(fù)責(zé)通信天線控制和狀態(tài)監(jiān)視。鏈路監(jiān)控軟件的首要任務(wù)是實現(xiàn)對地空鏈路的雙向控制，以及數(shù)據(jù)通訊端口的控制，該軟件能實時監(jiān)控鏈路回報狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)并提示鏈路異常狀態(tài)。

飛行監(jiān)控軟件[7]負(fù)責(zé)無人機(jī)飛行控制和飛行狀態(tài)監(jiān)視，包含飛行航跡規(guī)劃、起飛、航線導(dǎo)入與驗證、姿態(tài)位置監(jiān)控及降落的控制等。

載荷監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)對機(jī)載載荷的控制與狀態(tài)監(jiān)視，完成機(jī)載載荷的開關(guān)控制、方位姿態(tài)控制、載荷類型切換控制、參數(shù)設(shè)置等，同時接收載荷航拍數(shù)據(jù)并實現(xiàn)視頻解碼、顯示和回放。進(jìn)入系統(tǒng)之前，需要對載荷類型進(jìn)行選擇配置，機(jī)載載荷根據(jù)類型的不同，分配獨立的載荷身份識別PID標(biāo)識，切換PID完成對不同載荷的控制，當(dāng)載荷監(jiān)控軟件完成PID切換時，視頻顯示部分優(yōu)先顯示該PID對應(yīng)載荷的下傳數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)軟件對不同載荷數(shù)據(jù)的顯示、記錄和回放。

飛行監(jiān)控和載荷監(jiān)控軟件采用WPF界面設(shè)計框架，支持自定義界面組件，針對不同機(jī)型和載荷設(shè)備可實現(xiàn)界面定制化加載。

2 通用化關(guān)鍵技術(shù)

針對不同型號無人機(jī)數(shù)據(jù)協(xié)議的通用化解譯需求，通過對多型數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行分析，本文提出了異構(gòu)無人機(jī)通用數(shù)據(jù)解譯技術(shù)。該技術(shù)中設(shè)計了一種可滿足多型無人機(jī)測控協(xié)議的無人機(jī)遙控、遙測配置文件(XML格式)，包含與無人機(jī)測控有關(guān)的所有參數(shù)字段(比如：經(jīng)度、緯度、姿態(tài)角以及飛機(jī)狀態(tài)等信息)，各機(jī)型對應(yīng)一套配置文件，通過配置文件引導(dǎo)程序完成對各屬性值的解析，解決了數(shù)據(jù)譯碼的通用性[8]問題。兼容新機(jī)型時，分析該類無人機(jī)的測控協(xié)議，并按照配置協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)格式創(chuàng)建針對該機(jī)型的遙控、遙測配置文件，以達(dá)到與系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議兼容的目的，進(jìn)而實現(xiàn)對多型無人機(jī)的通用化測控，該技術(shù)的工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理示意圖

以遙測數(shù)據(jù)為例，接收飛機(jī)遙測后，首先對遙測數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，軟件根據(jù)設(shè)置的飛機(jī)類別檢索并加載對應(yīng)型號的遙測協(xié)議配置文件，根據(jù)配置項相關(guān)信息，在遙測數(shù)據(jù)中解析出飛機(jī)的偏航角、方位角等飛行狀態(tài)信息和位置信息等。配置文件內(nèi)容示例如下：

……

該配置文件描述了ZW310型無人機(jī)飛控遙測數(shù)據(jù)協(xié)議，文件中包括遙測數(shù)據(jù)幀頭、幀長、各屬性值的名稱、起止位置、類型、精度等信息，由該配置文件可知，遙測數(shù)據(jù)包的開頭標(biāo)志為B562，其中，GPS子幀幀頭為020048，幀頭后的數(shù)據(jù)長度為103個字節(jié)，其中，“緯度”屬性開始于第16個字節(jié)，長度為4個字節(jié)，這時程序可以將 GPS 數(shù)據(jù)中的“緯度”數(shù)據(jù)信息解算出來，乘以相應(yīng)的精度值(scale)換算成實際的緯度值，最后以JSON的形式封裝成系統(tǒng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議格式，推送至各監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示，保證了后端軟件的一致性，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議格式如下所示：

{

“PlaneData” :

{

“PlaneID”: “Plane00001”,

“Longitude”: “180.0”,

“Latitude”: “90.0”,

“GPSHeight”: “99999.0”,

“Pitch”: “90.00”,

“Roll”: “90.00”,

“Yaw”: “90.00”,

“GPSstarcount”:”8”,

……

}

}

發(fā)送遙控數(shù)據(jù)時，軟件會根據(jù)該類飛機(jī)唯一的類別編碼檢索配置文件里對應(yīng)的該類飛機(jī)的遙控協(xié)議配置內(nèi)容文件，根據(jù)配置項相關(guān)信息，對遙控指令進(jìn)行組幀，以飛機(jī)可識別的格式發(fā)送給飛機(jī)平臺。

3 平臺應(yīng)用實踐

平臺通訊與接口協(xié)議控制軟件是通用化實現(xiàn)的核心，軟件參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。

圖4 參數(shù)配置界面

通過對串口參數(shù)或者網(wǎng)口參數(shù)進(jìn)行配置可實現(xiàn)與地面收發(fā)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，選擇“飛機(jī)類型”后，軟件自動加載與機(jī)型匹配的配置文件，解譯后封裝成JSON格式后轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控軟件進(jìn)行可視化展示。

平臺以單兵一號固定翼無人機(jī)、Z5型無人直升機(jī)、MD4-1000多旋翼無人機(jī)等多型無人機(jī)飛控為測試平臺，對本文設(shè)計的無人機(jī)通用指控平臺的通用性進(jìn)行實際驗證，實驗結(jié)果表明本平臺對各型無人機(jī)具有較好的兼容性。目前，平臺已經(jīng)實現(xiàn)對單兵一號、MD4-1000、智能鳥KC2000、CY-01H、海鷹310等八款無人機(jī)飛控的通用化兼容，并已部署在多省海域監(jiān)控指揮車中進(jìn)行應(yīng)用，實際部署效果如圖5所示。

圖5 部署效果圖

4 結(jié)束語

無人機(jī)通用指控平臺可以最大限度的保證控制平臺的適應(yīng)能力，消除無人機(jī)平臺與不同應(yīng)用之間的差異性問題，同時具備協(xié)議管理、鏈路監(jiān)控、載荷監(jiān)控、飛行監(jiān)控、航跡顯示、視頻圖像處理、數(shù)據(jù)管理等無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)通用性功能，并可根據(jù)實際需求進(jìn)行裁剪。

平臺建成后，通過行業(yè)分析加入領(lǐng)域模型和可變性分析，便可快速、低成本的搭建新的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)建包括林業(yè)、海洋、石油、電力在內(nèi)的多行業(yè)無人機(jī)指控系統(tǒng)也是本文以后的研究和應(yīng)用方向。

[1] 王滿玉,邢富領(lǐng),吳 潛.北約無人機(jī)控制站互操作標(biāo)準(zhǔn)化接口STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)解析[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2011.

[2] 曲東才,陳偉良,陳琪等.無人機(jī)控制站交互性操作的標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)[J].飛機(jī)設(shè)計,2006(2):36-40.

[3] 曲東才,唐琳娜,吳曉男等.STANAG4586標(biāo)準(zhǔn)化接口——從理想到現(xiàn)實[J].飛航導(dǎo)彈,2005(9):6-13.

[4] 吳 潛.無人機(jī)測控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.電視技術(shù)[J].2009,49(9):90-94.

[5] 馬聰穎,高瑞周,朱玉祜.無人機(jī)地面控制站通用化軟件架構(gòu)[J].航空計算技術(shù),2013,43(3):112-118.

[6] 陳方明,陳 奇.基于插件思想的可重用軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J] .計算機(jī)工程與設(shè)計,2005,26(1):172-173.

[7] 劉 洋,馬麗娜，劉 磊.無人機(jī)地面站飛行監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制.2014,22(1):294-296.

[8] 趙 躍,祖家奎.無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)通用化譯碼軟件設(shè)計及實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī),2011,24(11):35-37.

Design and Implementation of Generalized UAV Command and Control Platform

Liu Hui1, Wang Hongmiao2, Hu Nan1, Yan Hua2

(1.National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China；2.Tianjin Zhongwei Aerospace Data System Technology Co.,Ltd., Tianjin 300301,China)

Existing a greater difference between the different type of data protocol format of unmanned aerial vehicle(UAV),and the ground command and control system closely coupled with UAV,according to different development models to different charges system,system of poor generality leads to development and high cost of training, and can’t meet the future demand for more UAV collaborative task.Therefore,it is necessary to research and development a high generality of unmanned aerial vehicle (UAV)charges system,through generalizing of heterogeneous UAV measurement data processing,forming strong extensibility of UAV standard data protocol,in order to eliminate the differences between different charges system,at the same time,the maximum guarantee control platform of extensible ability.

UAV;generalize;command and control;data protocol

2017-01-10；

2017-02-27。

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201405028)。

劉 惠(1966-),女,天津人，研究員，學(xué)士，主要從事計算機(jī)應(yīng)用、無人機(jī)系統(tǒng)方向的研究。

王泓淼(1986-),女,碩士,助理工程師,主要從事無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0170-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.042

TP3

A