一种通用化可配置无人机地面站

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一种通用化可配置无人机地面站\n技术领域\n[0001] 本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种无人机地面站设计，具体是指一种用于实现对无人机任务规划、姿态控制和任务设备控制的综合控制平台。\n背景技术\n[0002] 无人机地面站主要完成对无人机的指挥和控制，主要包括对链路的监控、对飞行器平台的监控、对任务载荷的控制、无人机任务规划、信息处理与分发，是无人机操作手执行飞行任务的主要场所。操作手依靠地面站显示的信息和自身的经验来获取各类飞行信息，通过地面站的控制接口来操纵无人机和任务载荷。因为在高度紧张的情况下，操纵手往往只是把直观感知到的信息作为认知判断和操作的基础，这就要求无人机地面站在满足功能需求和维护需求的基础上，应符合无人机操纵手的心理特点，为无人机操纵手提供更直观的信息；无人机执行的任务大都是长时间的监控，这就要求无人机地面站的布局和尺寸尽量符合操纵手的身体特征和操纵习惯，以减轻其在长时间执行任务时的疲劳程度。现有的无人机地面站多采用普通的二维前视显示，给操纵手的沉浸感不强，不能给缺乏自身体验的无人机操纵手提供更直观的信息；现有的无人机地面站较少关注操纵手的生理和心理特点，在地面站的布局、尺寸、信息交互方式上不符合航空人机功效和操纵手的操纵习惯，在长时间监控操纵无人机时易导致操纵手的疲劳和操纵品质的下降；现有无人机地面站大都将任务控制和飞行控制分开，分成任务控制席和飞行控制席两部分，由两人完成，但无人机的飞行自主化逐渐提高，一个人完全可以实现同时飞控和任控；现有的无人机地面站大多只适用于某一种型号的无人机，各个模块之间耦合严重，不能方便地更换相应的模块以控制不同型号的无人机，造成了对每种型号的无人机都得重新设计一个无人机地面站，不利于无人机的发展和大规模应用，同时也造成了重复性建设，浪费人力物力资源。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是给出一种新型的无人机地面站，在考虑到无人机操纵手的心理和生理特点的基础上，很好的解决了飞行控制和任务控制的综合问题，以及操纵手的立体信息感知问题和长时间操纵易疲劳的问题；本发明采用模块化的设计方法，可以快速更换相应模块以适应不同型号无人机的要求，实现了无人机地面站的通用化，减少了重复建设。\n[0004] 本发明提供的一种通用化可配置无人机地面站，所述的地面站包括飞行器适配模块、训练通信模块、飞行通信模块、HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块、语音和视频采集模块、3D视景显示模块、任务规划模块、电子飞行信息模块、多点触摸模块、内部通信模块和数据库模块，其中任务规划模块、HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块、电子飞行信息模块、多点触摸模块部署在计算机A上，飞行通信模块、训练通信模块、飞行器适配模块、数据库模块、语音和视频采集模块、3D视景显示模块部署在计算机B上，内部通信模块同时部署在两台计算机上，以保证两台计算机的通信；计算机A和计算机B通过STP双绞网线连接到路由器，计算机A通过3个mini display port驱动多点触摸模块，并通过对三个多点触摸显示器的形式实现与用户的沟通；HOTAS操纵握杆及脚蹬、音箱和麦克通过USB接口接入计算机A，并分别对应计算机A中的HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块；计算机B通过HDMI口驱动3D显示器，所述的3D显示器对应计算机B内部的3D视景显示模块，语音和视频采集模块使用的监控摄像头和麦克通过USB接入计算机B；键盘和鼠标连接到KVM切换器上，通过快捷键在计算机A和计算机B之间随时切换。\n[0005] 本发明的优点在于：\n[0006] （1）本发明无人机地面站前视显示可以采用3D或2D图形数据显示，在普通的二维信息的基础上能够为操纵手提供景深信息，并且可以在多个摄像头之间灵活切换，改善了操纵手在缺少实时体验和复杂情形下对无人机状态和周边事态的充分了解和整体把握，增强了无人机操纵手的情景意识能力和沉浸感，缩短了认知反应时间，减少操纵错误，减轻操纵手的心理负荷；\n[0007] （2）本发明无人机地面站考虑到了无人机操纵手在实际执行任务时需长时间操纵的特点，在咨询了相关方面的无人机专家和无人机操纵员的情况下，考虑到了无人机操纵手的生理特点，对地面站各部分尺寸、屏幕的倾斜角度、屏幕尺寸等方面进行合理化改进，大大提高了操纵手的舒适性；\n[0008] （3）本发明无人机地面站创新地综合采用了的多种信息交互方式：\n[0009] a、采用语音告警和语音识别技术。通过语音告警技术，把险情、特情和操纵指令回报以人工语音的形式直接告知无人机操纵手，充分利用了无人机操纵手的听觉感官，使无人机操纵手对特情、故障等信息的认知时间大大缩短，将操纵手的注意力引向目标或威胁，增强了无人机操纵手的情景意识能力；通过语音识别技术，不仅能够响应操纵手的语音询问指令，通过耳机或外置音箱把操纵手需要的信息以语音的形式传达给操纵手，而且能够响应操纵手的语音控制指令，做出相应的操纵响应；\n[0010] b、采用了多点触摸的人机交互技术，新颖的操纵方式提高了操纵手的操纵能力和操纵的实时性，改善了操纵手的操纵体验；\n[0011] c、采用改进的有人机仪表显示布局，包括平视显示器、前视显示器、任务规划显示器、主飞行显示器（PFD）、电子集成飞机监控显示器（ECAD）等综合电子显示系统，地面站仪表显示的信息内容、信息符号和符号格式按照航标、国军标的要求实施；\n[0012] d、本发明无人机地面站采用握杆操纵（Hands On the Throttle and stick,HOTAS）技术，把任控和飞控集成到一套握杆中，把飞行操纵和任务操纵中需要同时完成的转换控制器布置在飞机油门杆和驾驶杆上，以保证无人机操纵手在平时状态能够双手握杆同时完成飞机控制和任务操纵等重要操作。飞行员可以握杆按压不同的苦力帽来实现对飞行器平台和任务载荷等的控制，增强了无人机操作手的控制能力和控制实时性；\n[0013] （4）本发明无人机地面站采用模块化设计，各部分功能模块内聚性强，耦合性低，可以根据不同需求配置不同的功能模块以适应不同的需求。例如，可以更换不同的数据链终端和数据调制解调模块来实现不同频段通信链路之间的切换，或是切换到模拟链路，接入数字飞机，对操纵手进行模拟训练。\n附图说明\n[0014] 图1：无人机地面站侧视图；\n[0015] 图2：无人机地面站俯视图；\n[0016] 图3：无人机地面站前视图；\n[0017] 图4：飞行显示单元；\n[0018] 图5：发动机/警告显示单元；\n[0019] 图6：系统信息显示器单元；\n[0020] 图7：模块交联关系与在计算机中的分布；\n[0021] 图8：实施例中采用的地面站装置的结构尺寸示意图。\n具体实施方式\n[0022] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。\n[0023] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种通用化可配置无人机地面站。本地面站在开发方式上采用模块化设计，各部分功能模块内聚性强，耦合性低，很好地实现了通用性和可配置性。主要体现在：一方面，本地面站可以根据需要来配置不同的功能模块以满足实际飞行和模拟训练的需求；另一方面，本地面站可以根据不同型号无人机的需求来配置不同的功能模块以实现对多种型号无人机的遥控遥测和模拟训练。\n[0024] 本发明的地面站采用了3D显示技术，将双目前置摄像头采集到的图像经过处理后在地面站的3D前视显示器上同时显示，给操纵手提供景深信息，改善了操纵手在缺少实时体验和复杂情形下对无人机状况和周边事态的了解和把握；根据无人机操纵手的身体尺寸布局显示器和操纵杆，操纵手可以更轻松地获取无人机的状态信息和操控无人机；创新的信息交互方式包括多点触控、语音报警与识别、握杆操纵（Hands On the Throttle and stick,HOTAS），改善了无人机操纵手的操纵体验，提高了操纵手的操纵品质。\n[0025] 本发明提供的通用化可配置无人机地面站包括飞行器适配模块、训练通信模块、飞行通信模块、HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块、语音和视频采集模块、3D视景显示模块、任务规划模块、电子飞行信息模块、多点触摸模块、内部通信模块和数据库模块等多个功能模块，实际应用时可以根据需求选择不同的功能模块，各个模块的交联关系及在计算机中的分布如图7所示，其中任务规划模块、HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块、电子飞行信息模块、多点触摸模块部署在计算机A上，飞行通信模块、训练通信模块、飞行器适配模块、数据库模块、语音和视频采集模块、3D视景显示模块部署在计算机B上，内部通信模块同时部署在两台计算机上，以保证两台计算机的通信。如图1～图3所示，计算机A1和计算机B2通过STP双绞网线连接到路由器，计算机A1通过\n3个mini display port驱动多点触摸模块，并通过对三个多点触摸显示器3的形式实现与用户的沟通。HOTAS操纵握杆4及脚蹬5、音箱6和麦克通过USB接口接入计算机A1，并分别对应计算机A1中的HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块；计算机B2通过HDMI口驱动3D显示器7，所述的3D显示器7对应计算机B2内部的3D视景显示模块，语音和视频采集模块使用的监控摄像头和麦克通过USB接入计算机B2。键盘和鼠标8连接到KVM切换器上，通过快捷键可以在计算机A1和计算机B2之间随时切换。\n[0026] 上述的地面站装置可以实现内部通信和外部通信两种通信方式，所述的内部通信通过将内部通信模块嵌入到每个需要内部数据传输的程序中实现；外部通信是指地面站与被控对象（真实无人机或模拟的数字无人机）之间的通信，飞行器适配模块可以针对不同的训练模式（真实飞行或模拟训练）选择不同的外部通信模块。当实际情况是真实飞行时，外部通信应选择飞行通信模块，地面站与无人机之间的通信通过数字传输地面终端和图像传输地面终端来实现；当选择模拟训练时，外部通信应选择训练通信模块，运行模拟数字飞机的计算机应通过STP双绞网线连接到路由器。\n[0027] 各模块之间的具体连接和工作过程如下：\n[0028] 所述的飞行器适配模块可以进行数据链路的选择，数据链路包括虚拟链路和真实链路。根据实际需要，模拟训练时选择虚拟链路，通过训练通信模块实现地面站对数字飞机的遥控遥测；真实飞行时选择真实链路，通过飞行通信模块实现地面站对真实飞机的遥控遥测。\n[0029] 地面站选择模拟训练模式时，训练通信模块实现地面站与数字飞机之间的通信。\n此时，地面站的两台计算机通过交换机与一个或多个数字飞机进行物理连接，数字飞机通过UDP单播的方式将无人机仿真数据分发到地面站的接收端中，地面站将接收到的操纵指令再通过UDP单播的通信方式发送到相应的数字飞机中。训练通信模块中之所以采用UDP单播的通信方式，而不采用TCP方式，是为了逼真地模拟地面站与真实飞机之间的链路延迟、丢包率和误码率。UDP单播通信方式的通信类继承自MFC的基本类CAsyncSocket类，CAsyncSocket类将与套接字相联系的windows消息以回调函数的形式来表示，因此它带来的好处是程序员无需自行处理winsock的I/O模型。CAsyncSocket对winsock API逐个进行包装，为网络的高级编程提供更强的功能和更大的灵活性。\n[0030] 当飞机适配模块选择真实链路时，飞行通信模块用于地面站与真实无人机进行通信。此时，地空数据链的地面终端与机载终端的所有数据通信都是通过串口通信经由无线电数传电台实现的。飞行通信模块的串口通信采用CSerialPort类实现，遥控指令组帧通过串口发送出去，并实时接收无人机发送的遥测数据并通知主线程解析并更新电子仪表系统模块。选用了Remon Spekreijse提供的基于多线程的串口通信类CSerialPort类，该类为多线程串口编程工具类，该类在打包时，不需要加入其他的文件，而且函数都是开放透明的，使用起来非常的方便。而且可以根据实际要求加以改进，增加了串口编程的灵活性。\n[0031] 所述的内部通信模块用于实现地面站的内部计算机A和计算机B之间的通信。地面站内部的两台计算机通过路由器实现物理连接，并通过内部通信模块的UDP/IP方式实现通信，但并不模拟链路延迟、丢包率和误码率。\n[0032] 握杆操纵（Hands On the Throttle and stick,HOTAS）及脚蹬操纵数据采集模块采用DirectX和微软的多媒体微系统（MMsystem）技术，将HOTAS及脚蹬的油门、纵向杆量、横向杆量、脚蹬位移、自定义任务苦力帽等摇杆指令信号采集到计算机A内存中，并经过计算机量到物理量的转换后，通过内部通信模块发送给飞行器适配模块，并通过训练通信模块发送给数字飞机，或通过飞行通信模块发送给真实无人机，以实现对无人机的姿态、位置以及任务载荷的遥控。\n[0033] 物理量和计算机量地数据转换统一采用无符号比例整型数。原始公式如下：\n[0034] \n[0035] 从物理量到计算机表达值的转换公式为：\n[0036] \n[0037] 从计算机表达值到物理量的转换公式为：\n[0038] \n[0039] 计算机量地表达范围：单字节为255，双字节为65535，四字节为4294967295。\n[0040] 除单独约定外，数据链传输数据量纲采用公制标准，质量单位为Kg、长度单位为m、时间单位为s、温度单位为℃、力单位为N、压力单位为Pa。\n[0041] 语音识别与告警模块：该模块分为语音识别子模块和语音告警子模块：\n[0042] 语音识别子模块通过麦克采集操纵手语音指令，通过与本模块内预置的语音库中的预存指令比较可以识别并响应操纵手的某些指令，如操纵手发出“报高度”指令，则地面站将此时的无人机高度信息通过音箱报告给操纵手；另一方面，当操纵手发出“定高2000米”的指令时，语音识别子模块可以采集并重复以请求操纵手确认，当操纵手发出“确认”语音之后，语音识别子模块向数字飞机或无人机发出该指令。\n[0043] 语音告警子模块可以实时地对仿真遥测数据或实际飞行遥测数据进行检测，当检测到需要操纵手注意或立即处置的数据时，通过音箱发出警报信号，点亮警示灯，并在电子飞行仪表模块相应位置显示警报信息及相应的处置建议。\n[0044] 所述的语音和视频采集模块用于对无人机操作手的训练或执行任务的全过程进行监控，将采集到的音频和视频存储到计算机B硬盘中，供训练或执行任务之后分析与评估。\n[0045] 3D视景显示模块可以将由训练通信模块得到的数字飞机的姿态和位置数据驱动vega prime生成立体视景仿真程序，并支持多个视角的切换，包括第三方视角和前视摄像头视角等。实际飞行时可以将通过飞行通信模块获得的真实视景数据经过处理同时输出在\n3D视景显示器上，操纵手只需佩戴偏光式3D眼镜就可获得逼真的景深信息，改善了操纵手在缺少实时体验和复杂情形下对无人机状况和周边事态的了解和把握。实时飞行或模拟训练时，直接通过内部通信模块接收飞机的位置和姿态等数据；回放训练时，直接从数据库模块通过内部通信模块将飞机的位置和姿态等数据传递给3D视景显示模块，通过3D显示器进行显示。\n[0046] 任务规划模块用于实现航线规划和航线的实时显示与回放两种功能。对于每一次飞行任务，都要预先进行本次任务的航线规划。航点信息包含对应本次任务需要经过的地图上某个控制位置(经度、纬度、高度)以及到达该航点时飞机应该具有的速度、航向等设定值，多个有序航点一起组成了一条航线。规划好航线之后将该航线存储到计算机A中的航线数据库。执行任务时可以选择一条航线装帧并发送给无人机，并可在任务规划模块的GIS（地理信息系统）界面中实时显示航线的跟踪情况。航线回放是指某次任务执行完之后，根据任务执行时记录到计算机B中数据库模块中的飞行记录情况，开始一个模拟的飞行，将整个飞行过程在GIS（地理信息系统）界面上回放一遍，航迹回放可以方便操作员分析某次任务执行的状况。\n[0047] 电子飞行信息模块包括主飞行显示单元、发动机/警告显示单元和系统信息显示单元。其中主飞行显示单元用于显示的主要信息有：姿态（俯仰角、滚转角、偏航角）、空速、高度和垂直速度，见附图4。发动机/警告显示单元包括上部区域和下部区域两部分。上部区域用于指示发动机的参数、滑油、燃油和襟翼/缝翼位置。下部区域是用于显示记忆信息的。如果有警告或警戒，相应信息将显示在下部区域。如显示琥珀色的信息及一系列的蓝色的动作项目，动作项目为处理特定的非正常状态的处理建议，见附图5。系统信息显示器单元提供飞机的当前状态，可分为两个主要部分：上半区显示各系统页面，飞机系统的简图；下半区显示常用参数。不同的显示页可以显示不同的子系统状态，同时应将清除或回顾警告或警戒信息显示在系统信息显示器单元上，见附图6。\n[0048] 多点触摸模块将多点触控的新型输入方式引入到无人机的操控中，windows7操作系统将触摸技术全面引入了操作系统，通过本多点触摸模块不仅可以实现以往鼠标能实现的单击双击及其能实现的一系列功能，而且能够识别操作者的手势，可以将3个多点触摸显示器的内容根据需要缩放，旋转、平移，以实现对需求的最佳匹配。\n[0049] 多点触控模块部署在计算机A上，通过与计算机A连接的3台多点触控显示器，实现多点触摸功能，便于无人机操纵手方便快捷的发送指令，例如，任务规划模块的路径规划显示在左面的多点触摸显示器上，操纵手可以通过手指的操纵来规划路径和向无人机加载规划好的路径。\n[0050] windows7操作系统中多点触控的实现机理如下：用户触摸一个windows7支持的多点触摸感知设备即三块多点触摸显示器，见附图2，windows7多点触摸平台在默认的情况下会向应用程序发送手势消息，消息号为WM_GESTURE，这里的手势是指一根或两根手指的动作作为输入，并被系统转化为一些预定义好的动作，即手势识别，并向应用发送消息，windows7支持下面几种手势：缩放（zoom）、单根手指或两跟手指的平移（pan）、旋转、两根手指轻拍（tap）、按下并轻拍。为了使应用程序能够通过手势进行操作，需要处理操作系统发送给地面站程序的WM_GESTURE消息。下面是本模块实现的触摸函数框架，在每个手势对应的位置添加处理程序即可实现多点触控：\n[0051] \n[0052] \n[0053] 数据库模块基于一致数据库访问技术(Universal Data Access)采用ADO应用程序编程接口，通过OLEDB访问底层Access2010数据库，实现所有遥测遥控数据的记录和回放。ADO对象模型定义了一组可编程的自动化对象。其主体对象包括Connection、Command和Recordset。下面主要介绍本数据库模块中应用到的两个主体对象：Connection对象和Reeordset对象。所述的Connection对象代表一个与数据源的连接，封装了OLEDB的数据源对象和会话对象。利用Connection对象可以完成的操作有:通过Connectionstring和Mode属性设置连接串和访问模式；通过Open和Close控制Connection对象与数据源的连接；通过Error集合属性检查数据源的错误信息。所述的Recordset对象代表一个表的记录集或者命令执行的结果。记录集是ADO管理数据的基本对象，所有的Recordset对象都按照行列的方式进行管理，其行对应记录，列对应域。在ADO中，Recordset对象也通过游标对记录进行访问，其游标有静态游标、动态游标、前向游标和键集。\n[0054] 本发明提供的通用化可配置无人机地面站，在具体是实现装置上，包括2台高性能静音计算机A和高性能静音计算机B，在计算机A上布置的任务规划模块、HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块、语音识别与告警模块、电子飞行信息模块、多点触摸模块，分别对应的实现装置为：任务规划模块将规划好的航线通过内部通信模块发送给飞行器适配模块，飞行器适配模块根据需要，通过飞行通信模块发送给无人机或者通过训练通信模块发送给数字无人机；并且所述的任务规划模块可以根据数据库模块中的飞信数据进行航线的实时显示与回放。所述的HOTAS及脚蹬操纵数据采集模块对应着外部HOTAS操纵握杆、脚蹬，实现外部HOTAS操纵握杆、脚蹬的信息录入。所述的语音识别与告警模块对应着外部的电话、耳麦、音箱等设备；所述的电子飞行信息模块中的各个显示单元分别均由多点触摸模块进行控制；各个显示单元对应着外部的三个多点触摸显示器，实现用户界面的沟通。在进行所述地面张装置的实现时，采用的各组成部件的布局和尺寸关系如图8所示（图中所有的尺寸均采用毫米mm），通过人体工学和实际操作的具体结合，采用了多点触摸的人机交互技术，新颖的操纵方式提高了操纵手的操纵能力和操纵的实时性，改善了操纵手的操纵体验。