許夢(mèng)華

（沈陽旋飛航空技術(shù)有限公司，遼寧沈陽，110035）

關(guān)鍵字： 無人機(jī)；模擬飛行控制系統(tǒng)；Qt5.9.1；軟件結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)幾十年的快速發(fā)展，新型舵面控制技術(shù)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。地面模擬飛行控制系統(tǒng)作為無人機(jī)新型舵面技術(shù)驗(yàn)證和評(píng)估重要手段，其性能指標(biāo)、可靠性和安全性就顯得尤為重要。本文所介紹的平臺(tái)軟件是基于Qt5.9.1設(shè)計(jì)，結(jié)合地面模擬飛行平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)，以XXX型固定翼無人機(jī)的新型舵面技術(shù)為對(duì)象，操縱員在風(fēng)洞虛擬飛行試驗(yàn)和風(fēng)洞自由飛行試驗(yàn)兩種場景中，采用地面模擬飛行控制系統(tǒng)中的指揮臺(tái)、俯仰操縱臺(tái)、偏航/滾轉(zhuǎn)操縱臺(tái)和推力操縱臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式監(jiān)視、控制，最終完成無人機(jī)大氣自由飛初步驗(yàn)證階段的技術(shù)保障。

1 地面模擬飛行控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

地面模擬飛行控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為指揮臺(tái)，俯仰操縱臺(tái)，偏航/滾轉(zhuǎn)操縱臺(tái)，推力操縱臺(tái)，各操縱臺(tái)自動(dòng)綁定到固定的網(wǎng)絡(luò)地址組合成局域網(wǎng)絡(luò)。

圖1 地面模擬飛行控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

指揮臺(tái)擁有對(duì)整套地面模擬飛行控制系統(tǒng)功能配置、模式配置、飛行器參數(shù)調(diào)節(jié)等功能，是其他操縱臺(tái)與飛行器通訊連接的接口，由指揮臺(tái)可以完成其他操縱臺(tái)操縱指令的上傳、飛控狀態(tài)向其他操縱臺(tái)的分發(fā)等工作；俯仰操縱臺(tái)主要完成飛行過程中俯仰操作，可以完成所有姿態(tài)相關(guān)的控制功能；偏航/滾轉(zhuǎn)操縱臺(tái)：主要完成飛行過程中偏航/滾轉(zhuǎn)操作，用于進(jìn)行飛機(jī)橫向人機(jī)交互控制；推力操縱臺(tái)：主要完成飛行過程中油門操作，用于進(jìn)行推力人機(jī)交互控制。地面模擬飛行控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，可擴(kuò)展性強(qiáng)、獨(dú)立簡潔。

2 地面模擬飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)XXX型固定翼無人機(jī)的新型舵面技術(shù)驗(yàn)證與評(píng)估的實(shí)際需求，軟件基于Qt5.9.1進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行在工控機(jī)上，運(yùn)行環(huán)境為Win10系統(tǒng)。Qt是一款跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具備優(yōu)良的跨平臺(tái)性能、良好的面相對(duì)象性、易用性和運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，該軟件界面通過UI完成，底層通過C++完成邏輯通信【1】，操縱臺(tái)軟件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 操縱臺(tái)軟件架構(gòu)

2.2 軟件功能

根據(jù)操縱臺(tái)軟件架構(gòu)圖，軟件的設(shè)計(jì)分成以網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集與顯示2大模塊進(jìn)行開發(fā)。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是基于網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)指揮臺(tái)軟件和各操縱臺(tái)軟件的通訊，軟件使用Qt中的QUdpSocket類，指揮臺(tái)作為服務(wù)器端，各操縱臺(tái)作為客戶端，它門能夠根據(jù)操縱臺(tái)自身角色顯示對(duì)應(yīng)的界面?？蛻舳伺c服務(wù)端通過網(wǎng)絡(luò)連接，具有良好的獨(dú)立性，不用拘束于顯示器的顯示內(nèi)容，靈活實(shí)現(xiàn)，線路簡潔，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）通信協(xié)議

指揮臺(tái)與各操縱臺(tái)的通訊采用網(wǎng)絡(luò)組播方式發(fā)送。發(fā)送內(nèi)容使用JSON字符串格式標(biāo)記。指揮臺(tái)通過數(shù)據(jù)鏈路（無線通訊），將接收到的飛行器信息封裝成相應(yīng)的類型，并將封裝好的JSON字符串通過有線發(fā)送到組播網(wǎng)絡(luò)中，消息自動(dòng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的其他監(jiān)聽操縱臺(tái)，不需關(guān)心此時(shí)是處于風(fēng)洞虛擬飛還是風(fēng)洞自由飛。

現(xiàn)約定其通信協(xié)議如下表。

表1 通信協(xié)議

表2 TYPE 定義類型

飛行器系統(tǒng)狀態(tài)（SYSSTATUS）3 位置（POS）經(jīng)度（LAT） Double,degree緯度（LNG） Double,degree高度（ALT） Float,m空速（AS） Float,m/s地速（GS） Float,m/s相對(duì)高度（REL_ALT） Float,m 4席位間心跳包（HEARTBEAT）操縱臺(tái)會(huì)以1Hz的頻率向組播網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送自己的心跳包，同樣會(huì)接收到其他操縱臺(tái)的心跳包，其他操縱臺(tái)可以判斷此種情況下時(shí)候正常工作。序列（SEQ） Int,累加發(fā)送，999后自動(dòng)清零數(shù)據(jù)鏈路狀況（LINKSTATUS）,（指揮臺(tái)發(fā)送有效）鏈路連接狀況5溫度（TEMPSTATUS） Float,攝氏度電壓(VOLTAGESTATUS）Float,v

表3 指令設(shè)計(jì)

（2）QUdpSocket類類介紹

UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是一個(gè)輕量級(jí)的、不可靠的、面向數(shù)據(jù)報(bào)的、無連接的協(xié)議。QUdpSocket是QAbstractSocket的一個(gè)子類，允許你發(fā)送和接收UDP數(shù)據(jù)報(bào)。使用該類最常見的方法是使用bind()綁定到一個(gè)地址和端口，然后調(diào)用writeDatagram()和readDatagram()/receiveDatagram()來傳輸數(shù)據(jù)。每當(dāng)有數(shù)據(jù)報(bào)寫入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，套接字就會(huì)發(fā)出bytesWritten()信號(hào)。每當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)時(shí)，就會(huì)發(fā)出readyRead()信號(hào)。在這種情況下，hasPendingDatagrams()返回true。調(diào)用pendingDatagramSize()獲取第一個(gè)待處理數(shù)據(jù)報(bào)的大小，調(diào)用 readDatagram() 或 receiveDatagram() 讀取它【2】。

該機(jī)制由協(xié)議、本地地址、本地端口、遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口5個(gè)信息構(gòu)成，其傳輸速度更快，無需建立連接，實(shí)現(xiàn)從Socket建立到傳輸數(shù)據(jù)完成后管理連接的功能【3】。

①協(xié)議指定了Socket所使用的通信協(xié)議，一般用TCP或UDP；②本地地址即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分配給本地主機(jī)的地址；③本地端口用以和本地運(yùn)行的其它程序所區(qū)分；④遠(yuǎn)程地址即依照網(wǎng)絡(luò)分配給遠(yuǎn)程主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址；⑤遠(yuǎn)程端口號(hào)用以和遠(yuǎn)程主機(jī)運(yùn)行的其它程序所區(qū)分。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊

數(shù)據(jù)采集與顯示模塊實(shí)現(xiàn)各操縱臺(tái)實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，采用數(shù)字、曲線等形式實(shí)時(shí)顯示在軟件界面上，并通過醒目的顏色塊提示以消息的形式提示異常情況，便于操縱者及時(shí)調(diào)整處理。

運(yùn)用QUdpSocket類，網(wǎng)口接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，并且發(fā)出一個(gè)信號(hào)，因此需要定義一個(gè)槽，將其與這個(gè)信號(hào)相連接，這樣每次網(wǎng)口有新數(shù)據(jù)到來，我們就可以在槽中通過成員函數(shù)readDatagram()將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部讀出來，接著根據(jù)通信協(xié)議，對(duì)指揮臺(tái)發(fā)給各操縱臺(tái)的一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將有效數(shù)據(jù)顯示到軟件的界面上。

（1）數(shù)據(jù)流程

指揮臺(tái)啟動(dòng)，檢查硬件設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)，顯示任務(wù)類型選擇（風(fēng)洞虛擬飛，風(fēng)洞自由飛），檢查相應(yīng)的操縱臺(tái)是否連接。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路通信完成，則轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)操縱臺(tái)，同時(shí)監(jiān)聽各操縱臺(tái)上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行封裝并通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到飛行器。各操縱臺(tái)啟動(dòng)過程相似，軟件啟動(dòng)后檢查面板以及操縱桿的可行性，網(wǎng)絡(luò)通信，與指揮臺(tái)的連接狀態(tài)。一切正常之后，可等待指揮臺(tái)發(fā)送狀態(tài)信息以及向指揮臺(tái)發(fā)送操縱指令。

（2）界面說明

①操縱臺(tái)啟動(dòng)界面

啟動(dòng)界面為在指揮臺(tái)未能指定操縱臺(tái)狀態(tài)或者工作狀態(tài)時(shí)的默認(rèn)界面，為所有操縱臺(tái)共有。當(dāng)操縱臺(tái)隨計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)開啟后，給操縱者提供一定的信息數(shù)據(jù)，界面布局如圖4所示。

圖4 界面布局

②基礎(chǔ)界面

a.軟件名稱

b.軟件版本

c.網(wǎng)絡(luò)狀況

d.硬件狀況

e.上一次的使用時(shí)間

f.上一次使用的模式

g.上一次使用的機(jī)型

③俯仰操縱臺(tái)界面

a.姿態(tài)儀表

b.當(dāng)前場景類型，飛機(jī)型號(hào)

c.迎角、側(cè)滑角

d.地速，表速

④偏航/滾轉(zhuǎn)操縱臺(tái)界面

a.姿態(tài)儀表

b.當(dāng)前場景類型，飛機(jī)型號(hào)

c.舵面狀態(tài)

⑤推力操縱臺(tái)界面

a.姿態(tài)儀表

b.當(dāng)前場景類型，飛機(jī)型號(hào)

c.油門儀表

⑥消息層

a.正在退出系統(tǒng)

b.正在關(guān)機(jī)

c.正在進(jìn)入系統(tǒng)

d.正在切換至xx場景

e.正在切換至xx飛機(jī)型號(hào)

3 結(jié)束語

本文對(duì)地面模擬飛行控制軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)行了系統(tǒng)的描述，詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和軟件界面布局，通過在風(fēng)洞虛擬飛行試驗(yàn)和風(fēng)洞自由飛行試驗(yàn)兩種場景中的全性能測試，實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)工作狀況和狀態(tài)參數(shù)，操縱指揮臺(tái)、俯仰操縱臺(tái)、偏航/滾轉(zhuǎn)操縱臺(tái)、推力操縱臺(tái)，以及故障報(bào)警處置功能，為新型舵面技術(shù)提供了有效的評(píng)估和驗(yàn)證方式。