CN108762300A - 一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，包括数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示模块、任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程序开发模块、控制数据库和环境分析模块，所述数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示模块、任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程序开发模块、控制数据库和环境分析模块依次顺序连接。本发明支持多无人机编队协同任务控制航迹规划功能，并可有效的对信息进行自动读取，构建控制数据库，操作员可直接调用各种实体控制组件，降低了操作人员的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体为一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统。
背景技术
随着无人直升机的快速发展，越来越多地被民用和国防等诸多领域应用，随着应用场景 的不断扩大复杂，一些特殊的任务需要多架无人机进行编队协同完成，比如在复杂的地形和 环境下进行多目标的跟踪，在多无人机应用场景中，需要汇集每个无人机的状态信息，并按 照任务需求对多无人机进行协同控制，分配不同的任务给每架无人机。多无人机编队飞行也 逐渐成为国际军事研究的热点之一，但是支持多无人机编队飞行的地面站却不多见，地面站 作为整个无人直升机系统的中心环节也在不断的更新和发展，嵌入地理信息系统 (geographical information system GIS)到地面站，利用GIS强大空间数据处理和三维可 视化技术，提高地面站的信息化水平，增强可视化优势，成为无人直升机地面站设计的目标。
GIS是一种将空间位置与属性数据结合在一起的决策支持系统，是将地球科学与属性数 据相结合的一种大型集成系统。它具有信息系统的各种特点，作为获取、处理、管理和分析 地理空间数据的重要工具，近年来得到广泛的关注和迅猛的发展。同时基于3D GIS技术也 得到了飞速的发展，己经被广泛的应用于三维数字城市、资源管理、环境评价、区域规划等 诸多方面。直升机在实际飞行过程中，地面站实时显示出大量的飞行数据，地面操作人员借 助计算机能快速判断并做出反应，及时地参与无人机的控制，这对于无人机的飞行操纵安全 至关重要。基于3D GIS的无人直升机地面站系统在计算机可视化方而的优势，很好地实现 了无人直升机的监控导航，自主起降，航路规划，航迹显示，航迹同放等功能，形成一个实 时、快速、直观的地面监控系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，以解决上述背景技 术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于无人机组飞行的地面控制 编程系统，包括数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示 模块、任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模 块、程序开发模块、控制数据库和环境分析模块，所述交互式用户指令输入模块用给整个无 人机协同控制系统布置任务，并在飞行前期需要对每架无人机进行系统参数配置，系统参数 具体包括每架无人机编队飞行的最小安全距离、飞行器自身参数设定，所述状态与地图显示 模块，其中状态显示功能是根据自定义数据帧格式对接收数据进行解析后将无人机机身姿态 角及其变化率、无人机位置信息、地速、航向信息、飞行高度、控制输入量，以数字或图表 形式进行显示，所述地图显示功能利用百度地图API接口实现地面站与无人机数据通信能在 地图上清楚显示无人机具体GPS位置，所述任务分配协同控制模块，所述任务分配协同控制 模块接收分析地面站软件平台任务分配总任务后，生成所在无人机相应的语义层控制指令， 所述任务分配协同控制模块采用分布式多无人机编队控制方法，即在地面站软件控制平台上 此模块事先分配好每架无人机的任务由无线数据传输模块传输给每架无人机，所述3D GIS 导航模块通过数据库模块的地形高程数据和卫星图片来渲染三维地球，结合接收到的机载系 统的飞行信息，来监视无人机的飞行状态和飞行航迹，以及对无人机进行航迹规划，所述对 象生成模块用于对所述图纸分析处理模块得到的分析结果进行处理，形成对应于各种元素的 实体对象，所述程序开发模块用于对所述对象生成模块生成的各种实体对象进行抽象其控制 功能，形成实体控制组件，所述控制数据库用于保存各种实体控制组件，所述环境分析模块 用于对PLC编程环境进行分析；
所述数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示模块、 任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程 序开发模块、控制数据库和环境分析模块依次顺序连接。
进一步的，还包括纠错提示模块，所述纠错提示模块与所述控制数据库连接，用于判断 所述控制数据库内的各种实体控制组件之间是否存在逻辑性错误，并进行提示。
进一步的，使用bil格式的高程数据和DDS栅格数据相结合的形式，通过DDS栅格数据 结合地形的高程数据来渲染三维地球模型。
进一步的，实时航迹实现由无人机地面站实时接收机载系统的飞行方位信息，将这些方 位信息存储在一个列表中，每个方位加载所对应标记物在轨迹跟踪层显示出来，最后通过 Update函数来实现轨迹的实时更新。
进一步的，航迹规划通过在三维地图上直接通过鼠标移动得到所在点的经纬度信息，结 束画航线后将航线规划得到的方位信息保存起来发送到无人机的机载系统。
进一步的，提供了多图层的访问与控制，航迹跟踪层与其它层一样，相互之间都是独立 的，可独立显示。
进一步的，数据库模块将地理信息和测控信息分开存储，以实现3D GIS数据管理和地 面站系统的离线数据同放。
进一步的，在手动控制模式时，无人机直接由操作人员通过遥控设备发出控制命令，遥 控设备以电台作为通信媒介向无人机发射信号，无人机机做出反应并通过机载系统用无线网 络把各种实时的飞行数据以及图像，视频等数据发送给地面站。
进一步的，在切换到自动控制模式时，地面站设置好飞行参数，无线网络将控制参数发 送到机载系统，飞机根据参数命令完成飞行任务，同时在飞行过程中实时的向地而控制站反 馈各种飞行状态信息，地面站根据实时飞行状态及时做出控制命令的修改。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过数据库模块的地形高程数据 和卫星图片来渲染三维地球，结合接收到的机载系统的飞行信息，来监视无人机组的飞行状 态和飞行航迹，以及对无人机进行航迹规划，并且，本系统支持多无人机编队协同任务控制 航迹规划功能，具有可扩展性、稳定性好的特点，同时，设置有对象生成模块、程序开发模 块、控制数据库和环境分析模块，可以有效的对信息进行自动读取，构建控制数据库，操作 员可以直接调用各种实体控制组件，以便应用于不同的PLC编程环境，大大降低了操作人员 的工作量。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一 起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统， 包括数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示模块、任务 分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程序开 发模块、控制数据库和环境分析模块，交互式用户指令输入模块，所述交互式用户指令输入 模块用给整个无人机协同控制系统布置任务，并在飞行前期需要对每架无人机进行系统参数 配置，系统参数具体包括每架无人机编队飞行的最小安全距离、飞行器自身参数设定，所述 状态与地图显示模块，其中状态显示功能是根据自定义数据帧格式对接收数据进行解析后将 无人机机身姿态角及其变化率、无人机位置信息、地速、航向信息、飞行高度、控制输入量， 以数字或图表形式进行显示，所述地图显示功能利用百度地图API接口实现地面站与无人机 数据通信能在地图上清楚显示无人机具体GPS位置，所述任务分配协同控制模块，所述任务 分配协同控制模块接收分析地面站软件平台任务分配总任务后，生成所在无人机相应的语义 层控制指令，所述任务分配协同控制模块采用分布式多无人机编队控制方法，即在地面站软 件控制平台上此模块事先分配好每架无人机的任务由无线数据传输模块传输给每架无人机， 所述3D GIS导航模块通过数据库模块的地形高程数据和卫星图片来渲染三维地球，结合接 收到的机载系统的飞行信息，来监视无人机的飞行状态和飞行航迹，以及对无人机进行航迹 规划，所述对象生成模块用于对所述图纸分析处理模块得到的分析结果进行处理，形成对应 于各种元素的实体对象，所述程序开发模块用于对所述对象生成模块生成的各种实体对象进 行抽象其控制功能，形成实体控制组件，所述控制数据库用于保存各种实体控制组件，所述 环境分析模块用于对PLC编程环境进行分析；所述数据通信模块、远程控制模块、交互式用 户指令输入模块、状态与地图显示模块、任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模 块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程序开发模块、控制数据库和环境分析模块依次顺序 连接。
本实施例中，还包括纠错提示模块，所述纠错提示模块与所述控制数据库连接，用于判 断所述控制数据库内的各种实体控制组件之间是否存在逻辑性错误，并进行提示。
本实施例中，使用bil格式的高程数据和DDS栅格数据相结合的形式，通过DDS栅格数 据结合地形的高程数据来渲染三维地球模型。
本实施例中，实时航迹实现由无人机地面站实时接收机载系统的飞行方位信息，将这些 方位信息存储在一个列表中，每个方位加载所对应标记物在轨迹跟踪层显示出来，最后通过 Update函数来实现轨迹的实时更新。
本实施例中，航迹规划通过在三维地图上直接通过鼠标移动得到所在点的经纬度信息， 结束画航线后将航线规划得到的方位信息保存起来发送到无人机的机载系统。
本实施例中，提供了多图层的访问与控制，航迹跟踪层与其它层一样，相互之间都是独 立的，可独立显示。
本实施例中，数据库模块将地理信息和测控信息分开存储，以实现3D GIS数据管理和 地面站系统的离线数据同放。
本实施例中，在手动控制模式时，无人机直接由操作人员通过遥控设备发出控制命令， 遥控设备以电台作为通信媒介向无人机发射信号，无人机机做出反应并通过机载系统用无线 网络把各种实时的飞行数据以及图像，视频等数据发送给地面站。
本实施例中，在切换到自动控制模式时，地面站设置好飞行参数，无线网络将控制参数 发送到机载系统，飞机根据参数命令完成飞行任务，同时在飞行过程中实时的向地而控制站 反馈各种飞行状态信息，地面站根据实时飞行状态及时做出控制命令的修改。
本发明整个地面站系统运行于基站的便携式计算机上，使用Java作为程序的开发语， 进行而向对象模块化程序设计，软件实现结构上清晰合理，易于维护升级。同时Java语高 是一种交叉平台的语言，跨平台能力强，地面站可以方便地移植到其它系统平台的小型便携 式计算机上。
系统采用图形界而，提供一个良好而便于操作的用户接口。系统通过事件或者消息驱动， 来实现人机交互，可以非常方便地进行设置和操作。
数据通信模块主要负责地面站与无人直升机机载系统之间的数据接收和发送，数据的收 发采用UDP协议，在功能上保证实时性，但是UDP协议不能保证传输中没有丢失信息，需要 对每次发送的数据信息加上字头和字尾校验。地面站主要接收机载系统各个传感器得到的飞 行速度、航向、经纬度、姿态和遥感设备得到的图像视频(经过编码压缩后)数据；同时负责 远程控制模块发送给机载系统的控制命令参数数据。
远程控制模块主要负责将无人直升机机自主飞行的控制命令参数经过一定的数据压缩 后通过UDP协议发送到无人机机载系统，在发送过程中需要校验码校验，只有机载系统得到 止确应答后，才可能执行自主飞行命令。
数据库模块在地面监控站中发挥养非常重要的角色，本地监控站采用Java语高编写， 很方便的实现了多线程技术，在数据存储过程中采用单独的线程，不仅可以提高地面监控站 的效率，而且可以保证地面站系统接收的数据信息完整。数据库模块数据库选用开源的MySQL 数据库，将地理信息和测控信息分开存储，以实现3D GIS数据管理和地面监控站的离线数 据同放，为实验人员对前面的实验结果进行更深层次的分析。
虚拟仪表模块实现各种飞行数据的仪表化，使用仪表来表达数据简单直观，增强了人机 交互的能力，能更好的为地面站的操作员反馈飞机的飞行数据，例如姿态仪、偏航仪、高度 仪、和无人直升机各个控制通道的控制量等。当无人直升机出现各种机械故障或者机载系统 出现各种故障，有仪表指示报警功能，及时反馈给操作人员，采取应急措施。3DGIS 导航模块
3D GIS导航模块使用了由美国航空宇航局(NASA)Aems研究中心开发的WorldWind Java 源软件开发包。通过World Wind Java SDK可以方便灵活地建立三维地球应用程序，以一种 插件程序的形式，为无人直升机地面站应用程序提供三维地球的地形地貌观测，通过地的 MySQL数据库的真实地型高程数据和卫星图片来渲染三维地球。通过观测窗口结合地面站接 收的机载系统的飞行信息，可以在三维地形上监视无人直升机的飞行状态和飞行航迹，同时 也能够对无人直升机进行航迹规划。
3D GIS实现数据准备GIS数据不仅表达空间实体(真实体或者虚拟实体)的位置和几何尺 寸，同时也记录了空间实体的相对属性，所以GIS数据源包含空间数据和属性数据两部分。 图形数据又可以分为栅格数据和矢量数据两类。比较常见的GIS数据格式有Mapinfo(*.tab) 数据格式、AutoCAD(*.DWG，*.DXF)数据格式、Shape(*.shp)数据格式等等。本系统采用的 *.bil的高程数据和I*.DDS栅格数据相结合的形式，通过DDS栅格数据结合地形的高程数据 来渲染整个三维地球模型。数据的获得可以从各个网络海量服务器获得，也可以将得到的数 据存储到数据库中，由存储管理器统一对各种数据进行管理。
图层的访问与控制在导航模块中，World Wind Java SDK通过一个重量级的AWT组件 WorldWindowGLCanvas来显示World Wind模型(三维地球和各个图层)，该组件是个独立式的， 能为应用程序提供三维地球和图层的渲染，它包含了基木的图层：基础图像层(BasicTiledImageLayer)，罗盘层(CompassLayer)、比例尺层(ScalebarLayer)、世界地图层(WorldMapLayer)和着色层(RenderableLayer)。同时还可以根据自己的需求增加图层，例 如要进行GPS跟踪定位时可以加入航迹标记层(TrackMarkLayer)，要加入网络地图服务器 (Web Map Server)，可以增加WMS层来对网络地图服务器的海量数据进行访问和渲染。为窗 口设置好监听器后可以使用鼠标和键盘来控制三维地球的缩放，旋转、漫游等。层的表示可 以通过层名和索引，通过这两种方式来插入新的图层，同时也可以通过层名和索引来访问控 制图层。
无人直升机的实时航迹显示无人直升机的实时动态航迹是系统的一个重要的功能， WorldWind Java SDK有两个封装好的类TrackMarkerLayer和TrackPipesLayer对无人直升 机的实时位置进行标记，这两个类的不同之处就是前者可使用自定义的标记物(圆点，方形 等)，后者使用实体线条来标记航迹。航迹跟踪层与其它层一样，相互之间都是独立的，可 独立显示。实时航迹实现由无人直升机地面站实时接收机载系统的飞行方位信息，将这些方 位信息存储在一个列表中，每个方位加载所对应标记物在轨迹跟踪层显示出来，最后通过 Update函数来实现轨迹的实时更新。
无人直升机航迹规划航迹点的规划是地面站控制站最为关键的一部分，无人直升机航迹 规划是根据任务目标规划满足约束条件的飞行轨迹，规划的目的是在适当的时间内计算出最 优的飞行轨迹。主要用于无人直升机的飞行任务，包括飞行航线，高度、速度、任务执行区 域等。由于三维地球在建立模型中就有状态栏信息，通过在三维地图上直接通过鼠标移动得 到所在点的经纬度信息，这样大大提高了系统的可操作性。航迹点的规划可以分为一下几个 功能：画航点航线、修改航线、结束画航线。画航迹点过程中每画一个点可以从图层中获得 经纬度信息，根据需要添加高度信息，同时把两点之间的距离显示出来。修改航线主要是对 于误操作规划的航迹点进行删除、移动等操作。结束画航线后将航线规划得到的方位信息保 存起来发送到无人直升机的机载系统。
终上，本发明通过数据库模块的地形高程数据和卫星图片来渲染三维地球，结合接收到 的机载系统的飞行信息，来监视无人机组的飞行状态和飞行航迹，以及对无人机进行航迹规 划，并且，本系统支持多无人机编队协同任务控制航迹规划功能，具有可扩展性、稳定性好 的特点。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前 述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
Claims (9)
1.一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：包括数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示模块、任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程序开发模块、控制数据库和环境分析模块，所述交互式用户指令输入模块用给整个无人机协同控制系统布置任务，并在飞行前期需要对每架无人机进行系统参数配置，系统参数具体包括每架无人机编队飞行的最小安全距离、飞行器自身参数设定，所述状态与地图显示模块，其中状态显示功能是根据自定义数据帧格式对接收数据进行解析后将无人机机身姿态角及其变化率、无人机位置信息、地速、航向信息、飞行高度、控制输入量，以数字或图表形式进行显示，所述地图显示功能利用百度地图API接口实现地面站与无人机数据通信能在地图上清楚显示无人机具体GPS位置，所述任务分配协同控制模块，所述任务分配协同控制模块接收分析地面站软件平台任务分配总任务后，生成所在无人机相应的语义层控制指令，所述任务分配协同控制模块采用分布式多无人机编队控制方法，即在地面站软件控制平台上此模块事先分配好每架无人机的任务由无线数据传输模块传输给每架无人机，所述3D GIS导航模块通过数据库模块的地形高程数据和卫星图片来渲染三维地球，结合接收到的机载系统的飞行信息，来监视无人机的飞行状态和飞行航迹，以及对无人机进行航迹规划，所述对象生成模块用于对所述图纸分析处理模块得到的分析结果进行处理，形成对应于各种元素的实体对象，所述程序开发模块用于对所述对象生成模块生成的各种实体对象进行抽象其控制功能，形成实体控制组件，所述控制数据库用于保存各种实体控制组件，所述环境分析模块用于对PLC编程环境进行分析；
所述数据通信模块、远程控制模块、交互式用户指令输入模块、状态与地图显示模块、任务分配协同控制模块、数据库模块、虚拟仪表模块、3D GIS导航模块、对象生成模块、程序开发模块、控制数据库和环境分析模块依次顺序连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：还包括纠错提示模块，所述纠错提示模块与所述控制数据库连接，用于判断所述控制数据库内的各种实体控制组件之间是否存在逻辑性错误，并进行提示。
3.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：使用bil格式的高程数据和DDS栅格数据相结合的形式，通过DDS栅格数据结合地形的高程数据来渲染三维地球模型。
4.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：实时航迹实现由无人机地面站实时接收机载系统的飞行方位信息，将这些方位信息存储在一个列表中，每个方位加载所对应标记物在轨迹跟踪层显示出来，最后通过Update函数来实现轨迹的实时更新。
5.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：航迹规划通过在三维地图上直接通过鼠标移动得到所在点的经纬度信息，结束画航线后将航线规划得到的方位信息保存起来发送到无人机的机载系统。
6.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：提供了多图层的访问与控制，航迹跟踪层与其它层一样，相互之间都是独立的，可独立显示。
7.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：数据库模块将地理信息和测控信息分开存储，以实现3D GIS数据管理和地面站系统的离线数据同放。
8.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：在手动控制模式时，无人机直接由操作人员通过遥控设备发出控制命令，遥控设备以电台作为通信媒介向无人机发射信号，无人机机做出反应并通过机载系统用无线网络把各种实时的飞行数据以及图像，视频等数据发送给地面站。
9.根据权利要求1所述的一种用于无人机组飞行的地面控制编程系统，其特征在于：在切换到自动控制模式时，地面站设置好飞行参数，无线网络将控制参数发送到机载系统，飞机根据参数命令完成飞行任务，同时在飞行过程中实时的向地而控制站反馈各种飞行状态信息，地面站根据实时飞行状态及时做出控制命令的修改。
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