CN104809770A - 无人机地面站电子飞行仪表系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机地面站电子飞行仪表系统，包括数据采集存储模块、数据处理模块，综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块，其特征在于，数据由嵌入式处计算机进行处理，通过智能化的信息融合实现虚拟仪表综合显示、语音安全飞行提醒和历史数据查询。综合显示通过并列放置的两块液晶显示屏实现，两个显示器互为备份，当某个故障，另一个综合显示所有信息。控制采用触摸屏和键盘式控制器，两种方式冗余备份。具有语音安全飞行提醒功能。操作系统采用嵌入式Linux实时操作系统。本发明的优点体现在：采用虚拟仪表技术设计，硬件备份可靠性强，应用程序开源跨平台。

Description

无人机地面站电子飞行仪表系统

技术领域

本发明涉及航空电子领域，特别是涉及一种无人机地面站电子飞行仪表系统。

背景技术

在无人机系统执行测绘、航拍等任务中，为保证飞行员方便、安全的操控无人机，就需要实时掌握无人机运动状态的各种飞行参数、发动机工作状态信息和机载传感器工作状态信息并在危及安全飞行时给予提示。随着计算机软硬件技术、电子技术等的快速发展，接线布线复杂、占用空间大的传统飞行仪表渐渐被淘汰，虚拟仪表正以传统机械仪表无法比拟的速度迅猛发展。

虚拟仪表是将计算机图形图像技术与数据通信处理技术相结合，在计算机上生成的数字式仪表，用来代替真实的仪表。它将计算机资源、模块化功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件的有机结合起来，虚拟仪表技术综合应用了计算机技术和仪器仪表技术，其基本思想是用计算机面向对象技术模拟生成各种仪表面板，完成数据采集、分析、显示和存储等功能，最终达到取代传统真实仪表仪器的目的，虚拟仪表因具有显示直观、成本低廉、更新升级方便等特点，在仪表领域得到了极其广泛的应用。

目前无人机地面站飞行仪表系统功能比较简单，满足不了飞行员方便、安全飞行的需求；现有的电子飞行虚拟仪表虽然功能和界面比较丰富，但又存在着可靠性差、开发成本高、可移植性差等缺点。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种高可靠性，可移植性强，性价比高，能对飞行参数、发动机工作状态和机载传感器工作状态数据进行智能化信息融合，能实时综合显示无人机飞行参数、发动机工作状态、机载传感器故障信息，出现危及安全飞行的情况向飞行员图标、语音提醒的新型无人机地面站电子飞行仪表系统。

本发明包括数据采集存储模块、数据处理模块，综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块。数据采集存储模块完成数据采集存储，将数据以串口发送到数据处理模块，数据处理模块完成信息融合处理，将数据传输到综合显示模块和语音安全飞行提醒模块。控制模块完成对系统的控制。综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块完成人机交互功能。

数据采集存储模块：在无人机系统中通过无线数传电台将飞行参数数据、发动机工作状态数据和机载传感器工作状态数据传送到地面站，数据采集存储模块通过串口与无线数传电台接收端通讯，采集数字化数据并存储。

数据处理模块：将数据采集存储模块通过串口传输来的数据由嵌入式处计算机进行处理，通过虚拟仪表显示、语音安全飞行提醒和历史数据查询应用程序智能化的信息融合以便于综合显示、安全飞行提醒。

综合显示模块：将数据处理模块处理完成的数据，通过液晶显示器接口和I/O接口显示在并列放置的两块液晶显示屏上，两块液晶显示屏分别为主显示器和多功能显示器。主显示器显示高度、速度、飞行指引、模式选择等飞机的纵向飞行信息和航向、地面轨迹角、测距仪参数等水平飞行信息。多功能显示器显示发动机工作状态信息、机载传感器故障信息和安全飞行提醒信息。

控制模块：采用触摸屏和键盘式控制器形式完成软件启动、显示方式切换、数据初始化和历史数据查询，通过触摸屏接口和键盘接口与数据处理模块通讯。

语音安全驾驶提醒模块：数据处理模块处理数据时，如判断参数异常或可能出现高度过低、速度过快、燃油不足等危及安全飞行的情况，则由语音芯片组成的语音安全飞行提醒模块语音进行安全飞行提醒。

本发明飞行参数采集存储模块存储器采用FIFO存储器，满足无人机地面站大容量数据高速采集、高速处理、高速传输的需要，串口通信采用多线程技术保证信息采集的实时性。

本发明数据处理模块硬件采用高速嵌入式计算机，包括高主频处理器、大容量内存接口、3D图形硬件加速器、I/O接口、触摸屏接口、LCD控制器、键盘接口等，满足大容量数据高速处理、存储和真彩图形化综合显示的需要。

本发明综合显示模块，采用TFT液晶显示屏，两个显示器互为备份，当某个故障，另一个综合显示所有信息，提高飞行仪表可靠性。两个显示器分别为主显示器和多功能显示器，将信息分类综合显示便于飞行员查看和监控，多功能显示器要自带LCD控制器。

本发明控制模块采用触摸屏和键盘式控制器方式便于飞行员操作和控制，两种方式冗余备份提高了系统的可靠性。

本发明语音安全飞行提醒模块采用语音提醒，便于飞行员掌握异常信息和处理可能出现危及安全飞行的异常情况。

本发明软件操作系统采用嵌入式Linux实时操作系统，在嵌入式Linux操作系统上运行硬件驱动程序、支持应用软件运行的类库、虚拟仪表显示和语音安全飞行提醒等应用程序。

本发明应用程序在Linux开源操作系统下编写，开发工具采用开源可跨平台图形化设计软件，降低开发成本，便于移植。采用双缓存、多线程技术和反走样算法提高大容量数据实时逼真显示的需要。

本发明的优点体现在：具有高速大容量飞行参数采集存储能力，数据采集实时性高；数据处理采用高速微处理器嵌入式计算机硬件，处理能力强、接口丰富，内嵌3D图形硬件加速器画面显示逼真度高、实时性好；对数据智能化信息融合，能判断参数异常和安全飞行提醒；显示器采用两块TFT液晶显示屏画面逼真，可读性好，冗余备份设计，可靠性高；安全飞行提示信息以图标和语音两种方式表现，可靠性高；人机交互方式便捷，触摸屏和键盘式控制器互相备份，可靠性高；软件开发环境和软件运行环境均采用开源软件，降低了开发成本，提高了性价比；应用程序可跨平台使用，提高了移植性，应用的普遍性。软件开发采用双缓存、多线程技术和反走样算法显示真实感强、实时性好。

附图说明

图1 是本发明实施例的无人机地面站飞行仪表系统系统结构框图；

图2 是本发明实施例的的硬件结构框图；

图3 是本发明实施例的软件系统结构框图；

图4 是本发明实施例的应用软件的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明实施例作具体描述实施方式，但本实施例并不用于限制本发明。

本发明实施例提供的无人机地面站飞行仪表系统系统结构，如图1所示，包含包括数据采集存储模块、数据处理模块，综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块。数据采集存储模块完成信息采集，将信息以串口发送到数据处理模块，数据处理模块完成信息融合处理，通过液晶显示器接口、I/O接口、触摸屏接口、键盘接口和音频接口将信息传输到综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块，综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块完成人机交互功能。

本发明实施例提供的无人机地面站飞行仪表系统硬件结构，如图2所示，包含嵌入式计算机、FIFO存储器、TFT液晶显示屏、触摸屏、键盘式控制器，语音芯片、外接内存和电源。

嵌入式计算机采用ARM1176JZF-S核的S3C6410芯片，其主频最高可达到667MHz,内部具有强大的多媒体处理单元，带有3D图形硬件加速器，支持2D图形图像的平滑缩放等操作，通过串口与FIFO存储器通讯。FIFO存储器选用AverLogie公司的AIAV8M440，与数传电台通过串口通讯。TFT液晶显示屏采用2块8英寸工业级TFT液晶显示屏，S3C6410芯片内部集成了LCD控制器，通过其并行接口可连接至用于主显示器的TFT液晶显示屏，通过I/O接口连接用于多功能显示器的另一块TFT液晶显示屏。通过S3C6410芯片模拟输入通道连接2块4线8英寸电阻触摸屏。通过S3C6410芯片IIS接口连接语音芯片，通过K/L接口连接4*4矩阵键盘控制器。外接256 MB SDRAM 和1GB NANDFLASH。

本发明实施例提供的无人机地面站飞行仪表系统软件结构，如图3所示，主要由嵌入式Linux实时操作系统、硬件驱动程序、支持应用软件运行的类库Qt/Embedded和应用程序组成。在嵌入式Linux操作系统上运行硬件驱动程序，4*4键盘控制器硬件驱动程序需开发。应用程序包括虚拟仪表显示软件、安全飞行提醒软件和历史数据查询软件。

本发明实施例4*4矩阵键盘控制器驱动程序：设备定义在 dev-keypad.c 文件中，驱动定义在 samsung-keypad.c 文件中，设备和驱动名字必须一致，两者才能绑定。调用samsung_keypad_set_platdata(&smdk6410_keypad_data)  对设备参数进行了初始化，矩阵键盘行数rows = 4，矩阵键盘列数cols =4。

本发明实施例多功能显示器驱动程序：通过直接读写GPIO驱动多功能显示器LCD控制器，通过初始化函数s3c6410_inti完成同LCD控制器相连的GPIO口控制寄存器和LCD控制器初始化，通过写数据函数s3c6410_WRData和写命令函数s3c6410_WRCommand完成对LCD控制器的写数据和写命令，通过显示函数s3c6410_LCDdisplay完成显示，通过调用接口函数s3c64xx_ioctl(structfile*file，int cmd，long int data)。系统调用接口函数s3c64xx_ioctl(structfile*file，int cmd，long int data)，该函数定义s3c6410_inti接口iotcl(fd，1，xx)和s3c6410_LCDdisplay接口iotcl(fd，2，xx)，应用程序使用接口iotcl(fd，1，xx)可初始化液晶屏，使用接口iotcl(fd，2，xx)实现数据的LCD显示。

本发明实施例应用程序在Linux操作系统Fedora 9下编写，交叉编译工具链为arm –Linux –gcc –4.5.1，软件开发工具为QtCreator(使用QtE4.7.0库)，开发语言为Vc++ 6.0。

应用程序结构如图4所示，包括应用程序控制软件、虚拟仪表显示软件、安全飞行提醒软件和历史数据查询软件。应用程序控制软件用于控制应用软件启动、显示方式切换等。虚拟仪表显示软件包括飞行参数显示程序、发动机工作状态显示程序、机载传感器故障信息显示程序。

虚拟仪表显示软件通过串口从AIAV8M440采集数据，获得无人机飞行参数、发动机工作状态信息和机载传感器工作状态信息。QtCreator中没有特定的串口控制类，本发明实施例使用Qt的第三方类qextserialport类。通过继承QThread类，重新实现该类的run( )函数实现串口通讯多线程工作，提高通讯效率。

对串口参数进行设置，设置波特率、数据位、奇偶校验位、停止位以及打开串口读写功能。在该线程的run()函数中实现从串口中读取数据。

myCom->setBaudRate(BAUD9600)；myCom->setDataBits(DATA_8)；myCom->setParity(PAR_NONE)；myCom->setStopBits(STOP_1)；myCom->open(QIODevice::ReadWrite)。

本实施例虚拟仪表图形的绘制利用Qt提供的QPainter类，绘图设备为QPixmap，将绘制好的图形拷贝到屏幕上显示，亦即双缓冲技术，消除重复绘制造成的窗口闪烁。

通过继承QThread类，重新实现该类的run( )函数实现多线程。

采用QtAPI内置的反走样算法。

飞行参数显示程序采用双缓存、多线程技术和反走样算法以图形化方式将无人机飞行参数显示在主显示器，显示信息包括高度、速度、飞行指引、模式选择等飞机的纵向飞行信息和航向、地面轨迹角、测距仪参数等水平飞行信息。

发动机工作状态显示程序采用双缓存、多线程技术和反走样算法以图形化方式在多功能显示器显示发动机工作状态信息。

机载传感器故障信息显示程序通过对机载传感器工作状态信息识别、判断，在多功能显示器以图标形式显示机载传感器故障信息。

安全飞行提醒软件通过对采集到的数据智能融合，判断是否危及安全飞行，以图标形式在多功能显示器显示，同时将安全飞行提醒送语音芯片。

历史数据查询软件查询飞参、发动机和机载传感器工作状态信息，机载传感器故障信息、安全提醒信息，起到历史追溯功能，相当于一个“黑匣子”，便于事故后分析取证。

以上所述为本发明的一个实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明创造的原则之内所作的等同替换和改进等，均应包含在本发明创造保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机地面站电子飞行仪表系统，包括数据采集存储模块、数据处理模块，综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块，其特征在于，数据采集存储模块完成数据采集存储功能，将数据以串口发送到数据处理模块；数据处理模块完成信息融合处理功能，将数据通过液晶显示器接口和I/O接口传输到综合显示模块，综合显示模块完成综合显示功能；通过音频接口传到语音安全飞行提醒模块，语音安全飞行提醒模块完成语音提醒功能；控制模块通过触摸屏接口和键盘接口对系统完成控制功能；综合显示模块、控制模块和语音安全飞行提醒模块完成人机交互功能。

2.根据权利要求1所述的无人机地面站电子飞行仪表系统，其特征在于，将数据采集存储模块通过串口传输来的数据由嵌入式处计算机进行处理，通过虚拟仪表技术综合显示。

3.根据权利要求1所述的无人机地面站电子飞行仪表系统，其特征在于，综合显示模块将数据处理模块处理完成的数据，通过液晶显示器接口和I/O接口显示在并列放置的两块液晶显示屏上，两个显示器互为备份，当某个故障，另一个综合显示所有信息。

4.根据权利要求1所述的无人机地面站电子飞行仪表系统，其特征在于，控制模块采用触摸屏和键盘式控制器方式便于飞行员操作和控制，两种方式冗余备份。

5.根据权利要求1所述的无人机地面站电子飞行仪表系统，其特征在于，数据处理模块处理数据时，如判断参数异常或可能出现高度过低、速度过快、燃油不足等危及安全飞行的情况，则由语音芯片组成的语音安全飞行提醒模块语音进行安全飞行提醒。

6.根据权利要求1所述的无人机地面站电子飞行仪表系统，其特征在于，数据处理模块硬件采用高速嵌入式计算机，包括高主频处理器、大容量内存接口、3D图形硬件加速器、I/O接口、触摸屏接口、LCD控制器、键盘接口等。

7.根据权利要求1所述的无人机地面站电子飞行仪表系统，其特征在于，软件操作系统采用嵌入式Linux实时操作系统，在嵌入式Linux操作系统上运行硬件驱动程序、支持应用软件运行的类库、虚拟仪表显示和语音安全飞行提醒等应用程序；应用程序在Linux开源操作系统下编写，开发工具采用开源可跨平台图形化设计软件，降低开发成本，便于移植。