CN106406345A - 基于Qt的室内多无人机编队控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机地面站软件开发技术领域，为借助无人机分布式网络实现各无人机与地面指挥中心的实时数据交互，并在此基础上完成任务分配、轨迹优化和集群控制等飞行决策。本发明采用的技术方案是，基于Qt的室内多无人机编队控制系统，包括多架无人机、地面站、室内定位系统、ZigBee网络设备，ZigBee网络设备包括一个协调器模块与多个路由模块；协调器模块与地面站有线连接；无人机向地面站反馈自身的位置信息和姿态信息，其中位置信息由室内定位系统提供，姿态信息由机载传感器获取。本发明主要应用于无人机编队控制。

Description

基于Qt的室内多无人机编队控制系统

技术领域

本发明涉及无人机地面站软件开发技术领域，尤其涉及一种基于Qt的室内多无人机编队控制系统。

背景技术

无人机是新军事变革的代表性装备，充分体现了未来战争信息化、网络化、无人化的特点，是最符合未来战争需求和世界装备发展潮流的航空武器装备。随着无人机技术和性能的不断发展及其军事任务需求的不断提高，很多情况下，单架无人机已无法满足任务要求，若能由多架无人机协同工作，他们不但能完成单架无人机不能完成的任务，而且还使系统的作战效能大大提高。美国无人机路线图明确把无人机协同编队列入未来重点发展方向之一，以满足高科技信息化战争中联合作战的需求。因此，开展多无人机编队研究具有重要意义，受到了国内外专业人员的广泛关注。

无人机地面控制站简称地面站，是整个无人机系统的重要组成部分，是地面操控人员与无人机交互的通道。它囊括任务规划、实时监测、数字地图、数据链在内的集控制、通信、数据处理于一体的综合能力，是整个无人机系统的控制指挥中心，自然而然也就成为了各国研究机构、院校开发的重点项目。针对多无人机编队控制系统而言，地面站的作用则更为突出，它不仅要实现各无人机飞行数据的显示，还要实现对编队任务的分配，编队轨迹的规划等等，比单机地面站更为复杂，要求更高。

目前大多数的科研机构还只是在单机的平台下对地面站进行开发，还没有开展对多机编队控制地面站的研究，因此研发一套基于多无人机编队控制地面站显得尤为重要，是将来无人机发展不可或缺的一部分。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一款能够实时对多无人机编队进行操控管理的地面控制站，借助无人机分布式网络实现各无人机与地面指挥中心的实时数据交互，并在此基础上完成任务分配、轨迹优化和集群控制等飞行决策。本发明采用的技术方案是，基于Qt的室内多无人机编队控制系统，包括多架无人机、地面站、室内定位系统、ZigBee网络设备，ZigBee网络设备包括一个协调器模块与多个路由模块；协调器模块与地面站有线连接；无人机向地面站反馈自身的位置信息和姿态信息，其中位置信息由室内定位系统提供，姿态信息由机载传感器获取；每架无人机上均设置有一个路由模块，路由模块与无人机上的控制器有线连接，控制器通过内置协议组建相应的数据帧经ZigBee网络实现无人机群与地面站的实时数据交互；地面站端主要完成俩方面工作，一方面要对各无人机回传的飞行数据进行解包，并以人性化的界面进行显示；同时地面站还要运行编队控制算法，实时计算出每架无人机的目标位置并对数据进行打包，以无线的方式发给对应无人机。

整个地面站由登录端模块、显示端模块和发送端模块构成；

登录端模块插入有QSpinBox部件，通过下拉菜单实现无人机个数的选取；之后在头文件中引入QProcess类，借助QPushButton部件实现对显示端和发送端的调用；

显示端模块要完成无人机回传数据的实时读取和可视化显示，首先对接收自无人机的数据进行解包，提取无人机的姿态位置信息，借助QLable部件进行数字显示，同时显示端界面还插入OpenGL类，用于将无人机姿态信息以3D的形式显示出来；无人机回传的图像信息则采用QWebView部件进行显示；显示端模块里还添加QFile类，用于实现对飞行数据的本地保存。

发送端模块插入QpushButton、QDoubleSpinbox部件，通过按键的方式执行对应的编队控制程序、打包程序和数据发送程序，进而准确的将每架无人机的期望位置发送给目标无人机，发送端模块还添加QKeyEvent事件，首先对键值进行设置，然后编写对应的槽函数，这样操纵员通过鼠标、键盘便可对无人机编队航线进行规划，发送端模块还嵌入内置地图信息的HTML文件，借助Qwebview部件便可在发送端进行显示。

本发明的特点及有益效果是：

本发明对于多无人机编队飞行的实际验证具有十分重要的意义。本发明操作简单，功能完善，可直接控制多无人机编队飞行，实现无人机回传数据的可视化显示，同时以方便快捷的操作实现对多无人机编队的轨迹规划和队形变换，最大程度避免了实验过程中操纵者的人为失误，人机交互便捷，可靠性强，具有很高的实用价值，是编队控制系统不可或缺的一部分。

本发明主要具有以下功能及特点：

(1)本地面站不同于传统地面站只能一对一的导航控制，它借助ZigBee通信网络可以实时的对多无人机进行操控管理，便于编队控制，为无人机编队飞行实验提供了很好的操控平台。

(2)本地面站的开发、运行环境均为开源，降低了开发成本，且可以进行二次开发。应用程序可跨平台使用，提高了移植性和应用的普遍性。

(3)针对多无人机编队控制，本地面站采取多界面的设计方式，由登录端、显示端和发送端构成，登录端可进行无人机个数的选取，显示端可实现无人机飞行信息的图形化显示，发送端则可完成无人机编队控制指令、轨迹指令的实时发送。

(4)本地面站显示端融入OpenGL模块，不同于传统地面站虚拟仪表的方式，它可以将无人机回传的姿态信息以3D的形式显示出来，逼真度高，易于观测；同时添加图像回传模块，采用Qt自带的Qwebview部件，实现无人机拍摄图像在地面站的实时显示。

(5)目前基于室内定位系统地面站可实时显示无人机的位置，保证无人机的在线控制，同时还可以实时的在三维坐标系下对编队队形进行切换，方便快捷。发送端还嵌入操纵杆模块，避免了飞行过程中过多的参数设置，操纵员可以直接借助鼠标、键盘，以最简单的方式实现对多无人机的编队控制，最大程度提高了地面站的可操控性。同时本地面站还内置地图信息，对今后室外编队飞行奠定了基础。

附图说明：

附图1多无人机编队通信网络结构图。

附图2地面站运行效果图。

附图3登录端效果图。

附图4登录端开发流程图。

附图5显示端效果图。

附图6显示端开发流程图。

附图7发送端效果图。

附图8发送端开发流程图。

具体实施方式

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，开发了一款能够实时对多无人机编队进行操控管理的地面控制站，借助无人机分布式网络实现各无人机与地面指挥中心的实时数据交互，并在此基础上完成任务分配、轨迹优化和集群控制等飞行决策。

传统地面站多以虚拟仪表的方式对无人机回传的数据进行显示，单调乏味，为了更好的显示各无人机的飞行数据，本发明基于Qt(一款跨平台的C++图形用户界面编译器)平台，融合OpenGL(开放图形库)，在实际飞行过程中以3D的形式进行渲染，显示效果立体逼真；同时预留特定窗口实时显示各无人机采集回来的图像信息，地面操控人员通过观察决策进而完成战场侦察、战场监视等飞行任务；地面站还内置文件管理服务，可对飞行数据进行本地存储，方便后期对飞行数据进行分析研究。整个显示界面简洁美观、清晰明了，便于地面操纵员实时的掌握无人机群所处的飞行状态。

本发明可为编队协同优化算法、编队协调控制算法进行实际验证，从而促进理论研究的进一步开展，目前地面站已成功嵌入人工势场法、图论法等编队理论算法，在室内也已实现定点、直线、圆等常用队形演示；同时地面站在飞行过程中可实时在三维坐标系下对无人机编队进行队形切换，简单易行，灵活可靠，在最大程度上降低了地面站的操作复杂度。

地面站基于Linux环境进行开发，利用Qt编写图形界面。各无人机主要向地面站反馈自身的位置信息和姿态信息，其中位置信息先由室内定位系统以无线方式传给无人机，无人机再以无线方式传给地面站，姿态信息则直接由无人机的机载传感器进行获取。编队通信网络以ZigBee(紫蜂协议)的方式进行搭建，ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术，每个ZigBee网络由一个协调器模块与多个路由模块构成，协调器模块与地面站有线相连，路由模块同样与各无人机控制器有线相连，通过内置协议组建相应的数据帧便可实现无人机群与地面站的实时数据交互。无人机还搭载摄像头模块，借助机载处理器以视频流的方式进行无线传输。地面站端主要完成俩方面工作，一方面要对各无人机回传的飞行数据进行解包，并以人性化的界面进行显示；同时地面站还要运行编队控制算法，实时计算出每架无人机的目标位置并对数据进行打包，以无线的方式发给对应无人机。针对多无人机编队控制系统，地面站需要同时显示多架无人机的飞行信息，并对多架无人机进行飞行控制，这与常规地面站完全不同，单一界面难以满足这一要求，于是本地面站采取多界面的设计方式，整个地面站由登录端、显示端和发送端构成。

登录端界面首先插入QSpinBox部件(用于设置整数输入的部件)，通过下拉菜单实现无人机个数的选取；之后在头文件中引入QProcess类(用于实现进程调度的部件)，借助QPushButton部件(用于提供标准按钮的部件)实现对显示端和发送端的调用。

显示端要完成无人机回传数据的实时读取和可视化显示，由于地面站与无线模块采用串口通信，于是我们在程序里添加qextserialport类(一个由第三方提供的串口函数库)，首先对接收的数据进行解包，提取无人机的姿态位置信息，借助QLable部件(用于显示文本或者图片的部件)进行数字显示，同时显示端界面还插入OpenGL类，它可以将无人机姿态信息以3D的形式显示出来，比数字形式更为逼真。无人机回传的图像信息则采用QWebView部件(用于显示内置网页的部件)进行显示。不仅如此，程序里还添加QFile类(用于文件操作的部件)，它为我们提供了读写文件的接口，实现对飞行数据的本地保存。

发送端插入QpushButton、QDoubleSpinbox等部件，通过按键的方式执行对应的编队控制程序、打包程序和数据发送程序，进而准确的将每架无人机的期望位置发送给目标无人机。主程序还添加QKeyEvent事件(基于键盘触发信号产生的事件)，首先对键值进行设置，然后编写对应的槽函数，这样操纵员通过鼠标、键盘便可对无人机编队航线进行规划。不仅如此，主程序还嵌入内置地图信息的HTML文件，借助Qwebview部件便可在发送端进行显示。

结合附图对本发明作进一步详述。

参见图1，多无人机编队通信网络结构图。无人机编队采取ZigBee的方式进行分布式组网，硬件采取DiGi公司生产的XBee模块，它采用串口通信，地面站和每架无人机均搭载一块XBee，通过查询各模块的地址进而实现无人机与地面站的实时数据交互，同时各无人机之间也可以随时交互彼此的飞行信息。

参见图2，地面站运行效果图。在多无人机编队飞行过程中，地面站首先运行登录端，确定执行编队任务的无人机个数，之后打开对应数目的显示端和发送端，显示端主要对无人机回传信息进行人性化显示，发送端主要完成对无人机编队队形的确定以及编队轨迹的发送。

参见图3，登录端首先可以作为欢迎界面，标明了地面站的名称和归属，同时它也包含了一个对话框和按钮，对话框完成对无人机个数的选取，按钮实现对显示端和发送端的开启。

参见图4，登录端首先需要新建QMainWindow主窗口类(所有用户界面对象的基础部件)，所谓主窗口，就是一个普通意义上应用程序最顶层的窗口，通常是由标题栏、菜单栏、任务栏和若干工具栏组成。在这些子组件之间则是我们的工作区。之后要继续添加QImage类(主要用于图像处理的部件)和QProcess类，QImage类封装了对于一般图像像素级的操作，可以实现地面站logo的显示，标明地面站的名称和归属；QProcess类则用来启动外部程序并与自身交互，操纵员借助QSpinBox部件和QPushButton部件就可以实现编队无人机个数的选取和对应显示端、发送端的开启。

参见图5，显示端左上角为自主描绘的无人机飞行场景，借助OpenGL可以将无人机回传的姿态信息以3D的形式显示出来，形象逼真；右上角预留固定窗口，可以实时显示无人机机载摄像头采集的图像信息；左下角可以对特定串口进行读取，同时以数值形式完成对无人机姿态信息、位置信息的显示；右下角窗口用来显示无人机回传的原始数据包，方便开发人员对无人机飞行数据的分析。

参见图6，显示端同样基于QMainWindow主窗口开发，添加QGLWidget类(用来渲染OpenGL图形的部件)，实现在Qt下对OpenGL的调用；添加QWebView部件，每个QWebView都包含着一个QWebPage，而QWebPage则是用于存储和编辑网页的类，借助这个类可以实现回传图像的实时显示；添加qextserialport类可实现对特定串口的读取，设置接收计时器和接收缓存便可直接对无人机回传信息解包并进行显示；添加QTextBrowser部件(用于显示文本的部件)，以十六进制的方式对回传的原始数据进行读取；添加QFile类，完成对飞行数据的本地保存，方便我们后期对飞行数据进行分析处理。

参见图7，发送端负责编队队形和编队轨迹的发送，采用模块化设计，主要由编队控制、实时数据、轨迹发送、操纵杆和地图显示五部分构成。编队控制模块主要实现编队队形的设置和多机的同时起降；实时数据模块可以将地面站实时发送的数据以数据包或轨迹点的形式进行显示，提高发送数据的可靠性，避免操作失误；轨迹发送模块实现对编队轨迹的设置，目前支持对任意定点、直线、圆和八字轨迹的发送；操纵杆模块借鉴遥控器的设计方式，可以用鼠标或键盘实现对多无人机编队轨迹的实时控制，方便快捷，操作简单；地图显示模块主要完成地面站内置地图的显示；

参见图8，发送端首先添加QTextBrowser部件，可以对发送数据进行实时的显示，便于操纵员观测，避免发送数据产生错乱；添加定时器，进行主函数的编辑，依据无人机常用的Mavlink协议(一款广泛应用于小型无人机与地面站之间的通信协议)进行组包，在对应串口下进行数据包特定频率的发送，进而实现多无人机编队控制和编队轨迹的生成；添加QKeyEvent事件，设置键值并编写对应的响应函数，进而操纵员通过鼠标、键盘便可实现对无人机编队轨迹的控制；主窗口下添加QWebView部件，以网页的形式打开内置地图的HTML文件，实现地面站对地图的嵌套。

Claims (2)

1.一种基于Qt的室内多无人机编队控制系统，其特征是，基于Qt的室内多无人机编队控制系统，包括多架无人机、地面站、室内定位系统、ZigBee网络设备，ZigBee网络设备包括一个协调器模块与多个路由模块；协调器模块与地面站有线连接；无人机向地面站反馈自身的位置信息和姿态信息，其中位置信息由室内定位系统提供，姿态信息由机载传感器获取；每架无人机上均设置有一个路由模块，路由模块与无人机上的控制器有线连接，控制器通过内置协议组建相应的数据帧经ZigBee网络实现无人机群与地面站的实时数据交互；地面站端主要完成俩方面工作，一方面要对各无人机回传的飞行数据进行解包，并以人性化的界面进行显示；同时地面站还要运行编队控制算法，实时计算出每架无人机的目标位置并对数据进行打包，以无线的方式发给对应无人机。

2.如权利要求1所述的基于Qt的室内多无人机编队控制系统，其特征是，地面站由登录端模块、显示端模块和发送端模块构成；

登录端模块插入有QSpinBox部件，通过下拉菜单实现无人机个数的选取；之后在头文件中引入QProcess类，借助QPushButton部件实现对显示端和发送端的调用；

显示端模块要完成无人机回传数据的实时读取和可视化显示，首先对接收自无人机的数据进行解包，提取无人机的姿态位置信息，借助QLable部件进行数字显示，同时显示端界面还插入OpenGL类，用于将无人机姿态信息以3D的形式显示出来；无人机回传的图像信息则采用QWebView部件进行显示；显示端模块里还添加QFile类，用于实现对飞行数据的本地保存。

发送端模块插入QpushButton、QDoubleSpinbox部件，通过按键的方式执行对应的编队控制程序、打包程序和数据发送程序，进而准确的将每架无人机的期望位置发送给目标无人机，发送端模块还添加QKeyEvent事件，首先对键值进行设置，然后编写对应的槽函数，这样操纵员通过鼠标、键盘便可对无人机编队航线进行规划，发送端模块还嵌入内置地图信息的HTML文件，借助Qwebview部件便可在发送端进行显示。