中图分类号：TP391 论文编号：1028701 13-S275 学科分类号：082501
硕士学位论文
无人机地面控制站的设计与开发
研究生姓名刘龑
学科、专业飞行器设计
研究方向飞行控制技术
指导教师宋彦国副教授
南京航空航天大学
研究生院航空宇航学院
二О一三年三月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Aerospace Engineering
The Design and Development of UA V Ground Control Station
A Thesis in
Flight Vehicle Design
by
LiuYan
Advised by
Professor Song Yanguo
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
March, 2013
承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
作者签名：
日期：
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
近年来，无人机的应用领域越来越广阔，无人机技术的研究也日渐成为热点。无人机地面控制站作为无人机的指挥控制中心，在无人机系统中扮演着非常重要的角色。本文以现有地面站为基础，设计一款能够更好地满足飞行试验要求的无人机地面站。
论文首先阐述了课题研究的背景及意义，分析了无人机地面站的国内外研究现状，指出了已经投入使用的现有地面站的不足之处，并由此提出了所设计开发的地面站的研究目标，即在实现无人机飞行状态监控的基础上，还要实现基于Google Earth的航迹显示与航点编辑功能，基于数据库技术的飞行数据存储与处理功能，以及基于FlightGear的飞行视景仿真功能。而后以实现上述功能为目标，首先说明软件设计的总体方案，包括任务设计及界面设计，阐明了实现相关功能的途径。接着分别就实现这些功能的方法进行详细阐述，包括多线程串口通信及UDP通信的实现方法；Google Earth COM API二次开发接口和KML文件的处理，提出了一种获取鼠标点击处地图经纬度坐标的方法；利用Access数据库进行飞行数据的高效存储及回放，说明表及字段的动态创建的实现方法；利用Visual C++与Matlab混合编程实现对从数据库中提取的数据进行处理的方法；通过FlightGear的通信接口实现飞行视景仿真的方法。最后，通过与飞控计算机联机测试得到地面控制站的运行结果，并对研究工作进行总结，对后续工作提出展望。
与飞控计算机的联机测试结果表明，所设计开发的地面控制站实现了所要求的各项功能，运行稳定性及执行效率良好，能够满足无人机飞行的相关要求。
关键词：无人机，地面控制站，串口通信，UDP网络通信，Google Earth，数据库，FlightGear
I
无人机地面控制站的设计与开发
II
ABSTRACT
In recent years, UA V has been used in more and more fields and the research on UAV technology
is also becoming a hotspot.As the command and control center,the ground control station plays a very important role in the UA V system.The subject designs a more robust UAV ground control station which is based on existing one and is better to meet the flight test requirements.
Firstly,the subject describes the background and significance of this research,analyzes the research status of domestic and foreign.The research objectives are the realizations of flight status monitoring,the airline displaying and waypoint editing based on Google Earth,the flight data recording and processing based on database and the flight simulation based on FlightGear,which are proposed based on the inadequacies of the existing ground control station.First of all,the overall program design of the ground control station is introduced including the plans of task design and interface design and the ways to realize the relevant functions.Then the detail methods of realizing these functions are described,including the serial and UDP communication using multithread,the development of Google Earth COM API and KML files and the way to get the latitude and longitude coordinates of the map where the mouse is clicked,the efficient storage and playback of the flight data using Access database and the method of creating tables and fields dynamically,the use of Visual C++ and Matlab to extract the data in the database to analyze and the realizations of flight visual simulation by FlightGear communication interface.Finally,the testing results of the ground control station are given by connecting with the flight control computer.The summary and the follow-up work of the research is proposed.
The test results show that the ground control station realized the required functions which are able to meet the relevant requirements of the flight and have good operational stability and implementation efficiency.
Keywords: UA V, ground control station, serial communication, UDP communication,
Google Earth,Database,FlightGear
南京航空航天大学硕士学位论文
目录
第一章绪论 (1)
1.1 课题研究背景及意义 (1)
1.2 无人机地面控制站研究现状 (2)
1.2.1 现有地面控制站的类型 (2)
1.2.2 国内外研究现状 (3)
1.3研究目标 (4)
1.4研究内容及创新点 (6)
第二章无人机地面控制站的总体设计 (8)
2.1 地面控制站的功能要求 (8)
2.2 地面控制站软件总体设计 (8)
2.2.1 任务设计 (8)
2.2.2 界面设计 (12)
2.3 地面控制站的开发环境 (16)
2.3.1 硬件环境 (16)
2.3.2 软件环境 (16)
第三章基于多线程技术的串口通信及UDP网络通信的实现 (18)
3.1 串口通信及UDP网络通信简介 (18)
3.2 基于多线程技术的串口通信 (18)
3.2.1 MFC环境下实现串口通信的方式 (18)
3.2.2地面控制站中多线程串口通信的实现 (19)
3.3 基于多线程技术的UDP网络通信 (24)
3.3.1 MFC环境下实现UDP网络通信的方式 (24)
3.3.2地面控制站中多线程UDP网络通信的实现 (26)
第四章基于Google Earth的航迹显示与航点编辑的实现 (30)
4.1 Google Earth COM API二次开发技术 (30)
4.1.1 Google Earth简介 (30)
4.1.2 Google Earth COM API类库 (30)
4.1.3 KML格式文件 (31)
4.2 Google Earth启动、关闭与地图窗口嵌入 (32)
III
无人机地面控制站的设计与开发
IV 4.2.1 Google Earth客户端的启动 (32)
4.2.2 Google Earth地图窗口的嵌入 (34)
4.2.3 Google Earth客户端的关闭 (36)
4.3 基于Google Earth的无人机航迹显示 (36)
4.3.1 KML文件的生成 (36)
4.3.2 无人机位置信息写入KML文件 (39)
4.3.3 无人机航点航迹在地图上的更新显示 (42)
4.4 基于Google Earth的无人机航点编辑 (44)
第五章基于Access数据库的飞行数据存储与处理的实现 (47)
5.1 数据库简介 (47)
5.1.1 数据库的基本概念 (47)
5.1.2 数据库的主要功能 (47)
5.1.3 数据模型 (47)
5.2基于Access数据库的飞行数据记录存储 (49)
5.2.1 通过ODBC访问Access数据库 (49)
5.2.2 Access数据库中表及字段的动态创建 (49)
5.2.3 Access数据库中字段值的添加 (51)
5.3基于Access数据库的飞行数据提取回放 (53)
5.4基于Access与Matlab的飞行数据二维坐标图绘制 (55)
5.4.1 实现Visual C++与Matlab混合编程的方式 (55)
5.4.2 利用Matcom绘制二维坐标图 (56)
第六章基于FlightGear的飞行视景仿真的实现 (58)
6.1 FlightGear飞行模拟软件 (58)
6.1.1 FlightGear简介 (58)
6.1.2 FlightGear的组成结构 (59)
6.2 基于FlightGear的无人机飞行视景仿真 (61)
6.2.1 外部模型数据输入 (61)
6.2.2 实现FlightGear飞行视景仿真的方法 (61)
第七章地面控制站的运行测试 (66)
7.1 地面控制站的运行流程 (66)
7.2 地面控制站运行测试 (67)
7.2.1 测试环境 (67)
南京航空航天大学硕士学位论文
7.2.2 地面控制站各功能模块运行测试 (68)
第八章总结与展望 (76)
8.1 本文的主要工作 (76)
8.2 后续工作展望 (77)
参考文献 (78)
致谢 (81)
在学期间的研究成果及发表的学术论文 (82)
V
无人机地面控制站的设计与开发
VI 图清单
图1.1 RQ-4A“全球鹰”长航时无人机 (1)
图1.2 X-47B舰载无人机 (1)
图1.3“长空一号”无人靶机 (1)
图1.4 ASN-207无人机 (1)
图1.5 大型无人机地面站 (2)
图1.6 便携式无人机地面站 (3)
图1.7 掌上无人机地面站 (3)
图1.8 RQ-1“捕食者”无人机地面控制站 (3)
图1.9 iFly无人机地面控制站 (4)
图1.10 现有地面控制站运行界面 (5)
图2.1 地面控制站的功能组成 (9)
图2.2 地面控制站数据通信示意图 (9)
图2.3 Google Earth在地面控制站应用总体方案 (10)
图2.4 Access数据库在地面控制站中应用的总体方案 (11)
图2.5 FlightGear实现飞行实时视景仿真的总体方案 (12)
图2.6 地面控制站人机界面总体设计示意图 (13)
图2.7 Google Earth选项卡 (14)
图2.8 飞行数据选项卡 (14)
图2.9 控制参数选项卡 (14)
图2.10 实时曲线选项卡 (15)
图2.11 数据处理选项卡 (15)
图2.12 基本飞行参数显示 (15)
图2.13 地面站操作区 (16)
图3.1 CSerialPort类运行流程示意图 (20)
图3.2 串口设置对话框 (21)
图3.3 串口状态显示 (22)
图3.4 套接字技术实现网络通信示意图 (25)
图3.5 Windows Sockets实现UDP数据接收 (25)
图3.6 Windows Sockets实现UDP数据发送 (25)
南京航空航天大学硕士学位论文
图3.7 地面控制站UDP数据接收流程图 (27)
图3.8 地面控制站UDP数据发送流程图 (27)
图4.1 地面控制站启动Google Earth客户端流程图 (34)
图4.2 实现Google Earth地图窗口嵌入流程图 (35)
图4.3 Google Earth在地面控制站中的运行效果 (35)
图4.4 Airline.kml文件结构 (38)
图4.5 StyleMap标签项 (38)
图4.6 Placemark标签项 (39)
图4.7 Style标签项 (39)
图4.8无人机位置信息写入KML文件流程图 (40)
图4.9 KML文件航点记录结果 (42)
图4.10 定时打开航点文件的KML文件结构 (43)
图4.11 Google Earth航迹显示效果 (43)
图4.12 窗口坐标系示意图 (45)
图4.13 Google Earth屏幕坐标系示意图 (45)
图4.14 鼠标点击转换经纬度与实际经纬度的对比 (46)
图4.15 Google Earth航点编辑效果 (46)
图5.1 层次模型示意图 (48)
图5.2 网状模型示意图 (48)
图5.3 关系模型示意图 (48)
图5.4 表名创建与读取示意图 (50)
图5.5 表和字段的动态创建结果 (51)
图5.6 利用Access数据库存储飞行数据流程图 (51)
图5.7 飞行数据在Access数据库中的记录结果 (53)
图5.8 利用Access数据库提取飞行数据流程图 (53)
图5.9 地面控制站软件数据回放功能界面 (54)
图5.10 调用Matcom实现二维图形绘制的流程图 (56)
图5.11 俯仰角数据绘图结果 (57)
图6.1 飞行仿真系统结构 (58)
图6.2 FlightGear运行界面 (59)
图6.3 FlightGear软件层次结构 (59)
图6.4 FlightGear各功能模块之间的关系示意图 (60)
VII
无人机地面控制站的设计与开发
图6.5 地面控制站与FlightGear数据通信过程示意图 (63)
图6.6 地面控制站实现FlightGear飞行视景仿真的流程图 (64)
图6.7 FlightGear实时飞行仿真效果 (65)
图7.1 地面控制站运行测试流程示意图 (66)
图7.2 飞行控制计算机 (67)
图7.3 飞控计算机无线网卡 (67)
图7.4 无线数传电台 (67)
图7.5 地面计算机无线网卡设置 (68)
图7.6 地面站UDP设置 (68)
图7.7 传感器数据显示结果 (69)
图7.8 示波器显示结果 (69)
图7.9 控制参数显示结果 (70)
图7.10 地图视角航迹显示结果 (70)
图7.11 航点跟踪视角显示结果 (71)
图7.12 飞行视角显示结果 (71)
图7.13 航点列表框显示结果 (72)
图7.14 航点编辑结果 (72)
图7.15 记录到数据库设置 (73)
图7.16 Access数据记录结果 (73)
图7.17 横滚角、俯仰角及航向角回放结果 (73)
图7.18 横滚角坐标图绘制结果 (74)
图7.19 俯仰角坐标图绘制结果 (74)
图7.20 航向角坐标图绘制结果 (74)
图7.21 横滚角速率坐标图绘制结果 (74)
图7.22 俯仰角速率坐标图绘制结果 (74)
图7.23 航向角速率坐标图绘制结果 (74)
图7.24 FlightGear设置 (75)
图7.25 FlightGear测试结果 (75)
VIII
南京航空航天大学硕士学位论文
表清单
表3.1 CSerialPort类的主要函数及其功能 (19)
表3.2 Windows Sockets编程相关函数及功能 (26)
表4.1 Google Earth COM API接口类 (31)
表4.2 IApplicationGE类的相关函数及功能 (33)
表4.3 CMarkUp类主要成员函数及其功能 (41)
表6.1 FlightGear数据通信协议相关定义 (62)
IX
无人机地面控制站的设计与开发
X 缩略词
南京航空航天大学硕士学位论文
1
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
第一次世界大战以来，为满足战争中的侦察监视、精确打击以及减少人员伤亡等要求，无人机应运而生。随着信息技术、通信技术和计算机技术等先进技术的不断发展，无人机在现代战争中的应用越来越广泛，成为了各国当前以及未来时期重要的发展对象。不仅在军事领域，在农业生产、灾害预警、遥感遥测和航空摄影等各个方面，无人机也扮演着越来越重要的角色。
很多国家都在发展各自的无人飞行器，其中美国在无人机研制以及实际使用等方面处在了领先地位。从越南战争期间无人机被广泛用于执行侦查任务到定点打击恐怖主义组织成员，再到进行舰载无人机起降试验、无人机编队飞行试验，美国在无人机技术方面建立了扎实的理论基础，具有丰富的实战经验[1]。其中富有代表性质的无人机有图1.1所示的RQ-4A “全球鹰”长航时无人机和图1.2所示的X-47B 舰载无人机。
图1.1 RQ-4A “全球鹰”长航时无人机 图1.2 X-47B 舰载无人机
我国的无人机研究虽然起步较晚，但进步迅速，研制以及实际应用水平取得了跨跃式的发展。图1.3中的“长空一号”无人靶机为我国无人机事业及空空武器试验等做出了重要贡献，拉开了我国无人机发展的序幕。此后，长虹高空高速无人侦察机、T-6通用型无人机、Z-5系列无人侦察机、ASN 系列无人机等先后研制成功[2]，图1.4中是曾参加阅兵仪式的ASN-207无人机。我国在研和在役的各型无人机，其各项指标紧追世界水平，无人机装备体系结构也有了较大改善，现代化水平有了明显提高[3]。
图1.3 “长空一号”无人靶机 图1.4 ASN-207无人机
无人机地面控制站的设计与开发
2 无人机系统的控制是一种人在回路的控制[4]，地面控制站相当于有人飞行器的驾驶舱。地
面操控人员通过地面控制站对无人机飞行状态进行监控，并进行相应的调整和干预。地面控制站是整个无人机系统的指挥中心，是控制无人机完成相关飞行任务的“大脑”。作为无人机操纵和飞行任务制定终端，地面控制站也被称为“任务规划与控制站”[6]。地面控制站是无人机系统必不可少的组成部分，是无人机飞行安全和完成飞行任务的重要保障，对无人机地面控制站的研究具有重大的实际意义。
1.2 无人机地面控制站研究现状
1.2.1 现有地面控制站的类型
无人机地面控制站有多种形式，按不同的使用要求可分为大型地面站、便携式地面站和掌上微型地面站。图1.5所示的大型无人机地面站，按载体不同可分为车载式、舰载式甚至机载式。它具有操作手座席及驾驶操纵台，控制台部分包括多个任务规划控制台、导航控制台、有效载荷控制台、雷达设备控制台以及卫星通信、大功率无线电通信控制台等，安装有大型的数据通信天线和独立的电源供应设备，由多台高性能计算机组成，多用于国防军事方面[5]。
图1.5 大型无人机地面站
图1.6便携式地面站以配置了指挥控制与任务规划软件的便携式计算机为主体，利用无线数传电台或无线网络进行数据传输，操作人员通过键盘、鼠标、遥控器等设备完成指令设定与无人机操控。便携式地面站具有机动灵活、隐蔽性好及环境适应能力强的特点，多用于监视侦察、航空测绘以及科研试验等方面[5]。
图1.7所示的掌上微型地面站是为起飞质量从几百克到10千克的微型、手抛型等无人机专门开发的地面测控系统。该系统包括掌上计算机、地面遥控遥测软件、地面数传电台等几个部分，可以在手掌上执行无人机遥控遥测任务。内置的地面测控软件强大，集成了便携式地面站的功能，特别适合单兵作战[5]。
南京航空航天大学硕士学位论文
3
图1.6 便携式无人机地面站 图1.7 掌上无人机地面站
1.2.2 国内外研究现状
无人机地面控制站在军事民用和科研试验等方面有着不同的目标任务，它既关乎着无人机的飞行安全以及飞行任务的完成，又在无人机研制过程中起着重要作用，是无人机系统中必不可少的一个环节。正因为自身的这些特点以及重要作用，地面控制站引起了国内外无人机开发设计人员的极大关注并积极投入研究。
图1.8为美国RQ-1“捕食者”无人机地面控制站。该地面站是安装于长10米独立拖车内的车载作战型无人机地面控制站，有遥控操作的飞行员和监视侦查操作手的坐席及控制台。波音公司的三个任务计划开发控制台、两个合成孔径雷达控制台，以及卫星通信、视距通信数据终端。此地面站根据基本地图进行任务规划，并进行军用数字地图的处理、更新和威胁点位置显示，根据有效载荷不同进行相应的管理。地面站良好的图形化控制程序界面方便操作员工作，无人机的人工控制所用的视觉信息由安装在机头的摄像机提供，并在地面站监视器中显示。随着技术的发展，该系统不断升级，一个地面控制站系统已经能够独立的控制两架“捕食者”执行不同的任务[6]。
图1.8 RQ-1“捕食者”无人机地面控制站
无人机地面控制站的设计与开发
4 我国对无人机地面控制站的研究也取得了一定的成果，设计并开发出了多款满足使用要求
且功能强大的地面站系统。图1.9所示的是由北京航空航天大学机器人研究所研制开发，用于iFly系列无人机飞行控制系统的无人机地面控制站。该地面站系统支持自驾仪任意数据的回传与监控，可自定义回传及记录的频率；集成可离线使用的Google Map、Google Earth，并支持多种不同数据源的地图；全鼠标拖动及向导模式的航线编辑；使用可完全自定义的界面布局，适应多种不同需求；采用模块化设计支持插件形式的二次开发，此外还支持控制参数及制导参数实时调参、舵机混控设置及X-Plane飞行仿真等功能。该地面控制站既能够满足实际应用需求，又兼顾科研试验的需要，功能相对完善[35]。
图1.9 iFly无人机地面控制站
1.3研究目标
为了满足无人机飞行控制系统设计以及飞行试验的需求，本教研室已经开发了一款无人机地面控制站，其运行界面如图1.10所示。该地面站在无人机飞行试验中已经多次得到运用，性能稳定可靠，能够满足现阶段无人机系统设计与试验的相关要求。
该地面控制站具有以下几个特点：利用串口通信类与UDP网络通信类实现了地面控制站与无人机的数据通信；按照专门制定的数据通信协议进行数据传输，并设置了算法进行数据校验，可以准确地对飞行状态进行监测控制；利用仪表控件实现了飞行姿态以及飞行航迹的显示；支持传感器数据的示波器显示；支持传感器及飞行控制参数的实时调参；实现了无人机飞行数据的记录存储。
无人机地面站 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括 :飞行器的飞行过程，飞 行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。 中文名：无人机地面站 外文名： UAV ground station 目录 概述 地面站的配置和功能概述 ?地面站的典型配置 ?地面站的典型功能 关键技术及典型解决方案 ?友好的人机界面 ?操作员的培训 ?一站多机的控制 ?开放性、互用性与公共性 ?地面站对总线的需求 ?可靠的数据链 无人机地面站发展的趋势 概述 近20 年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全 自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面 控制站 （GCS:Ground Control Station)将具有包括任务规划、数字地图、卫星数据链、图像处理 能力在内的，集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大：不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群。地面站系统具有开 放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的 功能模块实现功能扩展，相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程、飞行航迹、有效载荷的任务功能、通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素 的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据、接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。
无人机喷洒农药控制系统设计 陈爱国 （泰州学院，江苏泰州２２５３００） 摘 要：农药喷洒采用无人机技术能减少环境污染、提高喷洒效率。现对无人机的控制量进行重点设计，使无人机能够精确跟踪无线指令，满足现代农业对农药喷洒的需求。 关键词：多旋翼无人机；农药喷洒；控制系统；设计 ０ 引言 我国是农业大国，其农药喷洒主要由人工完成，这种方式 已经严重威胁到工作人员的身心健康，且对农药的利用率低。无人驾驶飞机ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）是近年来发展比较快、在很多领域都有应用的一种新技术装备，在农业生产中使用多旋翼无人机技术进行农药喷洒作业有独特的优点，比如作业高度低、定点定向喷洒、解放人力、效率高、维修成本低等，特别是旋翼产生的涡流，可以使农药喷雾更好地附着在农作物上，提高农药防治病虫害的效率。 １ 总体设计 无人机结构简单 、维修方便，其控制系统一般采用模块化设计，总体结构如图１所示。 图１ 系统组成框图 多旋翼无人机的结构比较复杂，它需控制６个自由度，需 要利用精度高的传感器和精确的姿态数据。与无人机通讯采用无线方式，主要控制旋翼电机，控制电机的信号一般采用ＰＷＭ波形即可，输出给电子调速器。 ２ 硬件设计 硬件的选择较为关键，在系统设计时需充分考虑微处理器的数据处理精度和浮点运算能力、传感器型号、各类芯片级联电平的匹配等问题。比如微处理器采用ＳＴＭ３２Ｆ４２７ＶＩＴ６，集成加速度和三轴陀螺仪的ＭＰＵ６０００芯片，电子罗盘采用ＨＭＣ５８４３芯片，气压传感器采用ＭＳ５６１１芯片。在无线通讯时，直接采用ＰＰＭ（ＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式对控制系统进行信号的控制，为了更好地控制无人机姿态，还需采用超声波测距模块，用来锁定无人机的高度。 硬件系统结构设计如图２所示，无人机运行时，旋翼电机产生的电流较大，且无人机姿势不断变化，其控制电流随之变化，会产生电磁干扰，造成通讯控制信号出错， 特别是超声波测距模块与控制芯片不能直接级联，需要进行电平转换， 如图３所示。 图２ 硬件系统结构图 图３ 电平转换电路 为了防止旋翼电机在姿态变化时，反向电压通过电子调速 器反馈给微处理器，可能造成电压过大烧毁器件，需要加接隔离电路。同时为了有效控制电机转速，采用高频ＰＷＭ 信号控制电机转速，更需要隔离电路，如图４所示。 图４ 隔离电路 ３ 软件设计 软件程序设计，必须满足无人机喷洒各种控制要求，主要 包含三大部分：第一，需要考虑无人机与遥控器之间的通讯联系，特别是各种姿态控制量发生变化时，无人机能及时响应，若发生通讯异常，一般采用中断程序来判断，执行中断后，无人机能执行既定程序并报警；第二，输入信号捕获，（下转第１１５页）
2.1 ARM-Cortex M4架构 ARM-Cortex M4 架构： 无人机控制系统可以采用基于ARM系统架构的嵌入式处理器来实现，本次 重点基于ARM-Cortex M4架构的无人机飞控系统。 ARM是32位嵌入式微处理器的行业领先提供商，到目前为止，已推出各 种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。 基于ARMv7架构以上的Cortex系列主要分为A（应用处理器）、R（实时 处理器）、M（微控制器）三大应用系列。其中Cortex-M系列处理器主要是针 对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将逻辑门数和功耗控制在最低。Cortex-M处理器是一系列可向上兼容 的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入 式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改 善代码重用和提高能效 ARM-Cortex 的特点： 更低的功耗：以更低的 MHz 或更短的活动时段运行，基于架构的睡眠模式支持，比 8/16 位设备的工作方式更智能、睡眠时间更长 更小的代码（更低的硅成本）：高密度指令集，比 8/16 位设备每字节完 成更多操作，更小的 RAM、ROM 或闪存要求 易于使用：多个供应商之间的全球标准，代码兼容性，统一的工具和操作 系统支持 更有竞争力的产品：Powerful Cortex-M processor，每MHz 提供更高的
?Cortex-M4是一个32位处理器内核 ?内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32 位的 ?采用哈佛架构 ?小端模式和大端模式都是支持的 ?Thumb指令集与32位性能相结合的高密度代码 ?针对成本敏感的设备Cortex-M4处理器实现紧耦合的系统组件，降低处理器的面积，减少开发成本 ?ROM系统更新的代码重载的能力 ?该处理器可提供卓越的电源效率 ?饱和算法进行信号处理 ?硬件除法和快速数字信号处理为导向的乘法累加 ?集成超低功耗的睡眠模式和一个可选的深度睡眠模式 ?快速执行代码会使用较慢的处理器时钟，或者增加睡眠模式的时间?为平台的安全性和稳固性，集成了MPU（存储器保护单元） ?Cortex-M4内部还附赠了好多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等 ?有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖 2.1.3 基于ARM Cortex-M4 内核的微控制器 ARM Cortex-M4内核是微控制器的中央处理单元（CPU），配合外围设备模块和组件，形成完整的基于Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到Cortex-M4处理器内核的使用授权后，它们可以将Cortex-M4内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O以及其它功能块。不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。由于基于统一的内核架构，事实上本书后面所介绍的飞控软件和算法虽然已ST的 STM32F407为基础，它们是很容易移植到其他公司的同内核平台芯片上的，很多与外设无关的代码部分不需要任何改变即可移到其他平台上，仅需要关注外围设备相关部分的驱动代码。 ?飞思卡尔（现并入恩智浦）基于ARM Cortex M4内核的Kinetis K60微控制器系列。Kinetis微控制器组合产品由多个基于ARM@CortexTM_M4内核且引脚、外设和软件均兼容的微控制器系列产品组成。 ?ST基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4微控制器系列，具有高达 168MHz的主频，以及在此主频工作下的基准测试功耗为38.6mA
无人机地面站发展综述 [摘要]主要介绍了无人机地面站的发展，包括无人机地面站典型的配置、功能及其关键技术。并展望了未来无人机地面站发展趋势。 1、概述 20年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面控制站(GCS: Ground Contrul Station) 将具有包括任务规划，数字地图，卫星数据链，图像处理能力在内的集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大:不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群:地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的功能模块实现功能扩展;相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括:飞行器的飞行过程，飞行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据，接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。 2典型地面站的配置和功能概述 2.1地面站的典型配置 目前，一个典型的地面站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。其相互间的关系如图1所示。
(1)系统控制站。在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和告警信息。 (2)飞行器操作控制站。它提供良好的人机界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。 (3)任务载荷控制站。用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪组成。 (4)数据分发系统。用于分析和解释从无人机获得的图像。 (5)数据链路地面终端。包括发送上行链路信号的天线和发射机，捕获下行链路信号的天线和接收机。 数据链应用于不同的UAV系统，实现以下主要功能: —用于给飞行器发送命令和有效载荷; —接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。 (6)中央处理单元:包括一台或多台计算机，主要功能如下: —获得并处理从UAV来的实时数据: —显示处理; —确认任务规划并上传给UAV; 一一电子地图处理; —数据分发: —飞行前分析; —系统诊断。 2.2地面站的典型功能 GCS也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指在飞行过程中无人机的飞行航迹受到任务规划的影响;控制是指在飞行过程中对整个无人机系统的各个系统进行控制，按照操作者的要求执行相应的动作。地面站系统应具有以下几个典型的功能: (1)飞行器的姿态控制。在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由GCS计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过后者实现对飞行器的操控。 (2)有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。有效载荷是无人机任务的执行单元。地面控制站根据任务要求实现对有效载荷的控制，并通过对有效载荷状态的显示来实现对任务执行情况的监管。 (3)任务规划、飞行器位置监控、及航线的地图显示。任务规划主要包括处理战术信息、研究任务区域地图、标定飞行路线及向操作员提供规划数据等。飞行器位置监控及航线的地图显示部分主要便于操作人员实时地监控飞行器和航迹的状态。 (4)导航和目标定位。无人机在执行任务过程中通过无线数据链路与地面控制站之间保持着联系。在遇到特殊情况时，需要地面控制站对其实现导航控制，使飞机按照安全的路线飞行。随着空间技术的发展，传统的惯性导航结合先进的GPS导航技术成为了无人机系统导航的主流导航技术。目标定位是指飞行器发送给地面的方位角，高度及距离数据需要附加时间标注，以便这些量可与正确的飞行器瞬时位置数据相结合来实现目标位置的最精确计算。为了精确确定目标的位置，必须通过导航技术掌握飞行器的
无人机飞行路线控制系统设计 由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务,具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点,因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。尤其以美国为代表,无论是在军事、民用、环境保护还是科学研究中,都将无人机的使用发挥到淋漓尽致,其拥有全球最先进的“捕食者”和“全球鹰”战斗无人机、监测鸟类的“大乌鸦”无人机、民用用途的“伊哈纳”无人机等等。我国在无人机研制方面也取得了一定的成就,拥有技术卓越的“翔龙”和“暗箭”高空高速无人侦查机、多用途的“黔中”无人机、探测海洋的“天骄”无人机、中继通讯的“蜜蜂”无人机等等。在未来,随着现代化工业技术、信息技术、自动化技术、航天技术等高新技术的迅速发展,无人机技术将日趋成熟,性能日益完善,为此将拥有更为广阔的应用前景。为确保无人机能够有效地完成各种飞行任务,研发者开发了各种技术方式的飞行控制系统,完成对无人机的起飞、飞行控制、着陆以及相应目标任务等操作的控制。飞行路线控制是飞行控制系统中最基础也是最核心的功能控制部分,其它所有的飞行任务控制都是飞行路线控制的基础之上实现。目前对于无人机飞行路线的控制已有各种各样方式的系统,但大多数系统都存在一定缺陷,如有些系统操作过于繁杂,不够智能化;有些系统只能在视距范围遥 控无人机,严重限制了无人机的使用;有些系统过于专用化,不能适用于大多数类型的无人机;有些比较完善的系统,造价又过于昂贵,等等一系列问题。针对以上存在的这些问题,本课题提出了一种成本低、
遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统设计方案。该系统方案包括两大部分,一部分是操作人员所处的地面监控系统,一部分是无人机端的受控系统,实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统,地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员,操作人员结合本次飞行任务,采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线,地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统,无人机受控系统接收到位置控制信息帧,不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息,从而遥控无人机按照预定路线飞行。此外,为方便用户以后对历史数据的查看,以分析总结得到一些有价值的信息,地面监控系统还包含了对预定路线和无人机历史飞行路线的存储、查询和在地图中回放功能。基于GIS技术的地面监控系统的具体实现是在Windows操作系统上,采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MSComm串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计,实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等,其中实验区域的电子地图采用Mapinfo Professional开发软件绘制完成,并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图,而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。无人机端使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位,采用双串口单片机进行运算控制处理,实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到,另外采
关于无人机飞行控制系统的全面解析 飞控的大脑：微控制器在四轴飞行器的飞控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具级飞行器还只是简单地在空中飞行或停留，只要能够接收到遥控器发送过来的指令，控制四个马达带动桨翼，基本上就可以实现飞行或悬停的功能。意法半导体高级市场工程师介绍，无人机/多轴飞行器主要部件包括飞行控制以及遥控器两部分。其中飞行控制包括电调/马达控制、飞机姿态控制以及云台控制等。目前主流的电调控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。 高通和英特尔推的飞控主芯片CES上我们看到了高通和英特尔展示了功能更为丰富的多轴飞行器，他们采用了比微控制器（MCU）更为强大的CPU或是ARM Cortex-A系列处理器作为飞控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo无人机是基于高通Snapdragon芯片开发出来的飞行控制器，它有无线通信、传感器集成和空间定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也亲自在CES上演示了他们的无人机。这款无人机采用了RealSense技术，能够建起3D地图和感知周围环境，它可以像一只蝙蝠一样飞行，能主动避免障碍物。英特尔的无人机是与一家德国工业无人机厂商Ascending Technologies合作开发，内置了高达6个英特的RealSense3D摄像头，以及采用了四核的英特尔凌动（Atom）处理器的PCI-express定制卡，来处理距离远近与传感器的实时信息，以及如何避免近距离的障碍物。这两家公司在CES展示如此强大功能的无人机，一是看好无人机的市场，二是美国即将推出相关法规，对无人机的飞行将有严格的管控。 多轴无人机的EMS/传感器某无人机方案商总经理认为，目前业内的玩具级飞行器，虽然大部分从三轴升级到了六轴MEMS，但通常采用的都是消费类产品如平板或手机上较常用的价格敏感型型号。在专业航拍以及专为航模发烧友开发的中高端无人机上，则会用到质量更为价格更高的传感器，以保障无人机更为稳定、安全的飞行。这些MEMS传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停，可以做航拍，是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化
本技术新型提供了一种小型化、智能的便携式多功能无人机地面站，包括控制系统，与所述控制系统相连的电源、地面站电脑、机载设备控制发射机和视频显示器，所述地面站电脑连接有数据接收机，所述机载设备控制发射机连接有操纵杆和功能开关，所述视频显示器连接有无线视频接收机。本技术新型的便携式多功能无人机地面站，重量轻，方便携带；地面站工作续航时间长；控制动作集成化程度高；智能化程度高；维护简单。 技术要求 1.一种便携式多功能无人机地面站，其特征在于：包括控制系统，与 所述控制系统相连的电源、地面站电脑、机载设备控制发射机和视频显示器， 所述地面站电脑连接有数据接收机，所述机载设备控制发射机连接有操纵杆 和功能开关，所述视频显示器连接有无线视频接收机。 2.根据权利要求1所述的便携式多功能无人机地面站，其特征在于： 所述电源连接有充电器和电压电流检测装置。 说明书 便携式多功能无人机地面站
技术领域 本技术新型涉及一种无人机地面站，尤其是一种便携式多功能无人机 地面站。 背景技术 现有的无人机地面控制设备都是大型设备，不便于携带，且存在电磁 兼容性差等不足。 实用新型内容 本技术新型的目的是提供一种小型化、智能的便携式多功能无人机地 面站。 实现本技术新型目的的便携式多功能无人机地面站，包括控制系统， 与所述控制系统相连的电源、地面站电脑、机载设备控制发射机和视频显示器，所述地面站电脑连接有数据接收机，所述机载设备控制发射机连接有操纵杆和功能开关，所述视频显示器连接有无线视频接收机。 所述电源连接有充电器和电压电流检测装置。 本技术新型的便携式多功能无人机地面站的有益效果如下： 本技术新型的便携式多功能无人机地面站，重量轻，方便携带；地面 站工作续航时间长；控制动作集成化程度高；智能化程度高；维护简单。 附图说明 图1为本技术新型的便携式多功能无人机地面站的结构示意图。 具体实施方式 本技术新型的实施例如下：
美军无人机地面控制系统最新发展 对于无人机系统来说，设计焦点大多都是集中在飞机本身，包括有效载荷。但根据数据统计表明，地面系统所需成本非常高，往往是单架无人机成本的 0.5 ～ 4 倍之间。这说明研制一个能够控制多种类型无人机的通用地面控制系统，不仅可以极大地降低无人机系统的开发、后勤支持和训练费用，也可以较大程度地改进无人机系统作战的灵活性，从而实现无人机系统之间的互操作性。 地面控制站一般由三部分组成，包括：操作员工作站，用于操作无人机发射、回收和控制软件；飞行用传感器载荷；视距和卫星数据链路无线电终端，用于传输飞行指挥命令和接收来自无人机的监视图像。美军的主要无人机系统，如美国空军的 " 捕食者 " 、 " 全球鹰 " 和美国陆军的 " 影子 200" 都是由不同的军种独立开发的，通用性和互操作性能很差，甚至没有。它们的地面控制站尤其如此。因此，空军的 " 捕食者 "/" 捕食者 B" 地面站是无法控制空军的 " 全球鹰" 或海军陆战队的 " 先锋 " 无人机，也无法接收他们的图像。但是，美国海军和陆军已经采取措施着力解决无人机间的互操作问题。而促进无人机互操作性发展的强大驱动因素就是与北约的标准化协议 STANAG4586 相兼容。 1 战术控制系统 战术控制系统（ TCS ），是美国海军的通用无人机地面控制站，由海军的无人空中系统项目办公室（ PMA-263 ）管理、雷声公司情报和信息系统部门从 2000 年开始进行开发的。其研制目标就是提供一个开放式体系结构软件，能够控制多种不同类型的海上 / 岸上计算机硬件，实现任务规划、指挥与控制以及情报数据接收和分发等功能。 TCS 在 2003 年之前是一个联合军种项目，后来由于陆军和空军抵制将 TCS 用于它们的无人机系统，国会将其削减为海军一家的研制项目。 目前， TCS 已经研制成功。 PMA-263 希望将其应用于海军未来所有的无人机系统，包括预计将于 2008 年在美海军的第一艘 " 濒海战斗舰 " 上使用的垂直起降无人机 --" 火力侦察兵 " 在内。 TCS 的运行依靠的是基于 Unix 的计算机。该计算机的操作系统是 Sun 微系统公司开发的 Solaris 8 网络操作系统，尽管雷声公司曾经也开发了一个应用于该计算机的基于 Linux 的操作系统。 TCS 软件的最新版本是于 2006 年 6 月份交付给 " 火力侦察兵 " 的制造商诺思罗普· 格鲁门公司的，软件中增加了一系列的新功能，包括可以容纳多种不同的 " 即插即用 " 传感器载荷、在指挥、控制和信息分发时执行 STANAG 4586 标准等。 为了与 STANAG4586 兼容，雷声公司开发了一个可以操作多种美军和 NATO 无人机的 TCS 核心系统。不同无人机制造商开发的与 STANAG 4586 协同的无人机专用模块，可以与该核心系统接口，提供 TCS 的所有控制能力，实现各无人机系统之间的互操作。（如果未来需要在不同的无人机系统之间完全实现互操作，则各数据链必须互相兼容） 海军的 " 宽域海上监视 " （ BAMS ）无人机计划于 2011 年进入制造，是TCS 的下一个潜在用户。目前，美国海军在演习中使用的是两架从美国空军采购的 " 全球鹰海上演示型 "(GHMD) 高空长航时无人机来帮助 BAMS 无人机开发操作概念和作战战术。由于美国国会削减了美国海军在 2004 年的预算中计划给 " 全球鹰 " 开发 TCS 能力的费用，这两架 GHMD 飞机使用的是美国空军现有的 " 全球鹰 " 地面站硬件和软件，而不是 TCS 。 PMA-263 的负责人，海军上校 Paul Morgan 称，洛克希德· 马丁公司和诺思罗普· 格鲁门公司正在开展 BAMS" 持久无人海上空中监视 " （ PUMAS ）能力研究，包括评估 TCS 对于 BAMS 在该能力方面的适应性。
本技术公开了一种远程无人机控制系统，包括无人机组和远程控制中心，所述无人机组包括若干架无人机，每架所述无人机包括第二无线通讯模块、智能监控器、自动驾驶装置和航拍装置，所述智能监控器通过无线传输线路与遥控器连接，所述的遥控器用于控制无人机，包括遥控器本体和安装在遥控器本体上的无线传输模块，所述远程控制中心包括第一无线通讯模块、任务分配模块、信号处理模块和初始化模块。本技术不仅能够同时控制多架无人机，智能化程度高，而且航拍所得到的图像质量较好。 技术要求 1.一种远程无人机控制系统，其特征在于：包括无人机组和远程控制中心，所述无人机组包括若干架无人机，每架所述无人机包括第二无线通讯模块、智能监控器、自动驾驶装 置和航拍装置； 所述第二无线通讯模块用于向远程控制中心发送实时飞行数据，接收并回复远程控制中 心发送的测试命令，并发送命令至所述自动驾驶装置和所述航拍装置； 所述自动驾驶装置用于接收第二无线通讯模块发送的任务命令并驱动所述无人机执行飞 行任务；
所述智能监控器通过无线传输线路与遥控器连接，所述的遥控器用于控制无人机，包括遥控器本体和安装在遥控器本体上的无线传输模块，其每隔一段时间就会往将所接收到的数据包向外界发送； 所述航拍装置一方面根据所述第二无线通讯模块接收到的航拍指令进行图像采集和处理，另一方面通过所述第二无线通讯模块向所述远程控制中心发送航拍图片信息； 所述远程控制中心包括第一无线通讯模块、任务分配模块、信号处理模块和初始化模块，所述第一无线通讯模块用于向所述第二无线通讯模块发送测试命令和任务命令，接收所述第二无线通讯模块发送实时飞行数据； 所述任务分配模块用于用户输入每一架无人机任务命令并通过第一无线通讯模块发送至对应的无人机； 所述信号处理模块用于对所述第一无线通讯模块接收的实时飞行数据进行处理得到无人机执行命令并将执行命令和任务命令比对； 所述初始化模块用于对第一无线通讯模块、任务分配模块和信号处理模块进行初始化； 所述航拍装置包括图像采集模块、图像编码模块、图像压缩模块、图像存储模块和微控制模块，所述图像采集模块采集视频信号，所述视频信号为一系列模拟图像的集合，所述图像编码模块对所述模拟图像进行编码转化为数字图像，所述图像压缩模块对所述数字图像进行编码压缩后形成压缩图像传送给所述图像存储模块进行存储，所述微控制模块控制所述图像采集模块采集所述视频信号，协调控制所述图像编码模块进行图像编码，所述图像压缩模块进行图像压缩，所述图像存储模块对所述压缩图像进行存储； 所述微控制模块与所述无线通信装置电连接，接收所述拍摄指令，从所述图像存储模块中提取存储的所述压缩图像并通过所述第二无线通讯模块发送给所述第一无线通讯模块。 2.根据权利要求1所述的一种远程无人机控制系统，其特征在于：所述智能监控器包括相对独立的控制器和信号切换器，二者之间通过RS485通讯端口进行通讯，所述控制器可控制8台带有摄像机的云台，所述信号切换器装有红外遥控接收器件，所述遥控器通过有线或无线方式和远程控制中心连接。
1.概论： 无人机，即无人驾驶的飞机。是指在飞机上没有驾驶员，只是由程序控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机。它装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统可以实现远距离飞行并得以控制。无人机与有人驾驶的飞机相比而言，重量轻、体积小、造价低、隐蔽性好，特别宜于执行危险性大的任务，因此被广泛应用。 二、无人机的特点及技术要求 无人机没有飞行员，其飞行任务的完成是由无人飞行器、地面控制站和发射器组成的无人机系统在地面指挥小组的控制一下实现的。据此，无人机具有以下特点: （1）结构简单。没有常规驾驶舱，无人机结构尺寸比有人驾驶飞机小得多。有一种无尾无人机在结构上比常规飞机缩小40%以上。重量减轻，体积变小，有利于提高飞行性能和降低研制难度。 （2）安全性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度的安全性，保护有生力量和稀缺的人力资源。可以用来执行危险性大的任务。 （3）性能提高。无人机在设计时不用考虑飞行员的因素。许多受到人生理和心理所限的技术都可在无人机上使用，从而突破了有人在机的危险，保证了飞行的安全性。 （4）一机多用，稍作改进后发展为轻型近距离对地攻击机。
（5）采用成熟的发动机和主要机载设备，以减少研制风险与经费投入，加快研制进度。联合研制以减小投资风险、解决经费不足有利于扩大出口及扬长技术与设备优势。 （6）研制综合训练系统。技术要求有: （1）信息技术包括信息的收集和融合，信息的评估和表达，防御性的信息战、自动目标确定和识别等； （2）设备组成包括低成本结构、小型化及模块化电子设备、低可见性天线、小型精确武器、可储存的高性能发动机及电动作动器等； （3）性能实现包括先进的低可见性和维护性技术、任务管理和规划、组合模拟和训练环境等。 三、无人机系统按照功能划分，主要包括四部分: （1）飞行器系统 包括空中和地面两大部分。空中部分包括：无人机、机载电子设备和辅助设备等，主要完成飞行任务。地面部分包括：飞行器定位系统、飞行器控制系统、导航系统以及发射回收系统，主要完成对飞行器的遥控、遥测和导航任务，空中与地面系统通过数据链路建立起紧密联系。 （2）数据链系统 包括：遥控、遥测、跟踪测量设备、信息传输设备、数据中继设备等用以指挥操纵飞机飞行，并将飞机的状态参数及侦察信息数据传到控制站。 （3）任务设备系统 包括：为完成各种任务而需要在飞机上装载的任务设备。
八旋翼无人机系统 Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】
八旋翼无人机系统技术文件 一、产品名称：X-8八旋翼无人机系统 X-8是全新研制的八旋翼无人机系统，具有载重量大、续航时间长、体积小、重量轻、目标特性小，使用快捷、机动灵活、操作使用及维修简便等特点，自成体系独立执行电力巡检任务。 简介： X-8 八旋翼是专业无人机技术研发团队经过多年研究、测试，最新推出的一款全球同类产品载重量最大、可垂直起降、拥有多项专利的无人飞行系统。 1）X-8选用自主驾驶设备，大大提高飞控稳定性。 2）可携带多种任务载荷。 3）可用于执行资料收集、测量、检测、侦查等多种空中任务，在电力巡检领域能发挥其高效、隐蔽性强的特点，能对目标物进行远距离监视。 产品特点： （1）飞行器具有遥控、自主飞行能力，可以实时修改飞行航路和任务设置；（2）测控与信息传输设备具有遥控、实时信息传输的功能，具有多机、多站兼容工作及一定的抗截获、抗干扰能力； （3）侦察任务设备能昼夜实时获取目标图像信息，具有手动、自动控制工作模式，可迅速发现、捕获、识别、跟踪目标； （4）飞行控制与信息处理站具有对飞行器进行遥控飞行和对机载任务设备进行操控的功能，具有飞行参数/航迹显示、航路规划和实时修改飞行计划、重新设置任务样式的能力；具有通过视频实现第一视角控制飞行的能力；具有接收标准视频信号、实时处理/存储图像、数据叠加等能力，具有目标定位和引导打击的能力，且能与上级指挥机关、情报处理中心和指挥系统相通连； （5）地面保障设备具有简易检测、维修与训练的能力，具有快速更换易 损件、备用动力电池组和双模态充电的功能； （6）全系统外场展开迅速，具有车载大范围机动和携行能力。 机体结构技术参数：
www?ele169?com | 27实验研究 0 引言 多旋翼无人机是集合多项现代高新科技的成果，无人机 行业的蓬勃发展是中国崛起、中国航空产业崛起的重要体现，多旋翼无人机具有系统安全性好、可靠性高、负载能力强等特点，具有非常广阔的应用前景。多旋翼无人机的作业方式相比于传统的人工作业方式，大大提高了作业效率、降低作业成本与风险。在无线通信技术与图像处理技术快速发 展的背景下，多旋翼无人机逐渐向智能化的方向发展，另外， 独特的机械结构使多旋翼无人机更加灵活。随着无人机在人们生活中的进一步普及，无人机故障的影响也会越来越大，在大多数故障中，主要是控制器故障后果最为严重，所以飞行控制器的结构健康管理始终受到人们高度重视。1 多旋翼无人机任务需求分析 多旋翼无人机飞行控制系统主要服务于公安消防、公共 安全、勘察搜救等领域，对无人机的飞行安全、可靠性等要求较高，针对多旋翼无人机所应用的特殊场合，其飞行控制 系统需要具备以下性能指标：首先要具备机载飞控系统与地面站两部分，由机载飞控 系统来进行控制律的运算，通过电机控制指令对地面站发送的信息进行接收。地面站会显示无人机当前的飞行状态以及 主控件的基本性能。其次要具有良好的传感器以及多种飞行模式，传感器主要对无人机飞行姿态、高度、位置等信息进行采集，通过机载计算机对相应数据进行处理，多旋翼无人机存在多种飞行模式，需要根据实际情况选择最佳飞行模 式。最后，多旋翼无人机飞行控制系统要具有多种读取遥控 信号的方式，实现多种多旋翼无人机的飞行控制。还要具有在线调整及保存相关的控制参数功能、在异常情况下应急处理功能等。根据多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求： ■1.1 飞行控制处理器 飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控 制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制性能。由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。 ■1.2 传感器传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。 ■1.3 软件开发多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。2 多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计多旋翼无人机飞行控制系统总体架构由机载部分与地面站部分组成，机载部分主要由飞控处理模块、传感器模块、电源模块、执行机构构成。地面部分与机载部分之间的信息交互 主要通过无线通信模块来完成。飞控系统总体架构如图1所示。图1 飞控系统总体架构 ■2.1 飞控系统硬件平台设计当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP 等高 速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，多旋翼无人机飞行控制系统设计研究张建学 （中国民航飞行学院计算机学院，四川广汉，618307）摘要：多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点，已经成为微小型无人机的主流，获得了广大的消费群体。飞控系统作为无人机的核心技术，始终是无人机学术与工程领域研究的热点。本文以多旋翼无人机为研究对象，根据多旋翼无人机的结构特点，对飞行控制系统进行设计与研究，从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。关键词：多旋翼；无人机；飞控系统
概述 近20年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面控制站（GCS:Ground Control Station)将具有包括任务规划、数字地图、卫星数据链、图像处理能力在内的，集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大：不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群。地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的功能模块实现功能扩展，相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程、飞行航迹、有效载荷的任务功能、通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据、接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。 地面站的配置和功能概述 地面站的典型配置 目前，一个典型的地面站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。 (1)系统控制站。在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和告警信息。 (2)飞行器操作控制站。它提供良好的人机界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。 (3)任务载荷控制站。用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪组成。 (4)数据分发系统。用于分析和解释从无人机获得的图像。 (5)数据链路地面终端。包括发送上行链路信号的天线和发射机，捕获下行链路信号的天线和接收机。 数据链应用于不同的UAV系统，实现以下主要功能：用于给飞行器发送命令和有效载荷；接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。 (6)中央处理单元。包括一台或多台计算机，主要功能：获得并处理从UAV来的实时数据；显示处理；确认任务规划并上传给UAV；电子地图处理；数据分发；飞行前分析；系统诊断。 地面站的典型功能 GCS也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指在飞行过程中无人机的飞行航迹受到任务规划的影响；控制是指在飞行过程中对整个无人机系统的各个系统进行控制，按照操作者的要求执行相应的动作。地面站系统应具有以下几个典型的功能： (1)飞行器的姿态控制。在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由GCS计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过后者实现对飞行器的操控。 (2)有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。有效载荷是无人机任务的执行单元。地面
九天创新地面控制系统简介 深圳市九天创新科技有限责任公司 二零一六年八月
地面控制系统 1)概述 九天自主研发《地面控制系统》，实现人机实时交互连接,可分别操控固定翼无人机、四旋翼无人机和多旋翼无人机等多种机型。 地面控制系统是无人机的飞行控制终端,拥有友好的操作界面，是给无人机发送各种控制指令、规划飞行任务、实时显示各项飞行指标参数的控制系统。 通过对地面控制系统的操作，能够精准控制无人机的飞行，实时对无人机的飞行状态进行监测，以确保无人机安全起飞和降落，最终顺利地完成航拍作业任务和进行数据管理。 地面控制系统界面 在地面站软件的操作界面中主要包含工具栏、地图视图窗口，侧
边栏等。 工具栏主要是对地图缩放、定位、切换地图类型及目标航点。地图视图窗口可浏览飞行区域的航迹规划状况、飞行区域的地理信息等。而侧边栏主要包含飞行数据、航迹规划和飞行记录三项，分别能够对无人机进行实时监控、规划航迹及飞行记录的下载等。 2)工具栏 目标航点切换：飞行过程中切换飞行目标航点。 地图定位：将地图缩放并定位到回家点或者飞机定位点。 地图缩放：地图放大缩小控制指令。 地图类型：地图类型切换，卫星影像与矢量地图。 3)飞行数据监控 飞行数据监控是通过查看地面站软件右侧的重要飞行数据，对无人机飞行状态进行实时监控。其包括飞行状态、飞行参数。
4)飞行参数 飞行参数包括无人机当前飞行姿态参数、气压高度、目标航点等信息. 屏幕上直观显示飞行状态（横滚俯仰），以及机头指向、当前航飞高度（相对起飞高度）、目标航点（无人机要飞向的航点，到达目标航点后飞向下一航点）。 指令发送 航线规划 在地图中找到规划区域进行航线规划。
毕业设计(论文)开题报告
题目：基于 STM32 的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计
院 （系） 专 班 姓 学 导
电子信息工程学院
业电气工程及其自动化 级 名 号 师
2017 年 3 月 9 日
1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究情况及研究意义） 1.1 题目背景 微型无人机飞行器（MUAV，Mirco Unmanned Aerial Vehicle）是一种内置 控制系统，可以远程操控实现自主飞行的设备。其类型包括固定翼微型飞行器、 仿生扑翼微型飞行器及旋翼式微型飞行器。由于它具有隐蔽性强，低成本、低损 耗、零伤亡、高机动性等优点，使其迅速从军事领域拓宽到农业、民用和科研等 领域。在军事领域，因为具有零伤亡，战场生存能力强等特点，非常适合执行高 危险和人类无法参与的任务。在民用上，他也可以代替载人机完成一些任务，比 如救援搜索，灾情勘探，气象监测等。 MUAV 飞行性能主要包括，起飞着陆性能，姿态变换性能。而这些性能的优劣 取决于核心部件--飞行控制系统。随着数字处理器处理速度和能力的不断提高， 设计先进的控制系统已经是大势所趋。先进的飞行控制系统使微型无人机能在没 有外界干预的情况下自主飞行，完成预先规定的任务。由于微型无人机身有限的 负载能力和体积限制， 现在的一些导航系统和飞行控制系统很难直接在微型无人 机上使用，所以对微型无人机的飞行控制系统的研究意义重大！ 1.2 国内外相关研究情况 国外对于四旋翼的研究非常的活跃，加拿大的雷克海德大学里面的相关研究 人员很早就证明了采用四旋翼设计思路能够实现飞行器的稳定飞行，澳大利亚的 卧龙岗大学相关研究人员已经对四旋翼有了精确的模型建立。各国研究人员也 以此引发了一个四旋翼的研究热潮。下面对部分研究机构所设计的四旋翼做一个 介绍 1）Microdrones MD4-1000 四旋翼无人飞行
MD4-1000 四旋翼无人机是由德国 MICRODRONES 公司生产， 可垂直起降自动驾 驶。机体云台都是采用特殊的碳纤维材料，机身重量轻、强度高，机臂可折叠， 方便运输。姿态、高度以及航向参考系统集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、 气压高度计、温度计、湿度计等高精度传感器，相比 MD4-200，它的任务载荷大， 抗风能力强，续航时间更长，姿态控制更加稳定。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/c34343801.html, 多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究作者：明志舒黄鹏刘志强李乐蒙高凯 来源：《科技资讯》2017年第29期 摘要：随着社会的进步和国民经济的发展，现代高新科技的发展得到了前所未有的推 进，为各行业的进步和发展提供了良好的保障。近些年来出现的多旋翼无人机，是一种集合多项现代高新科技的成果，具有定点悬停功能，能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。本文就四旋翼无人机为例，探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。 关键词：多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究无人机飞行控制系统 中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（b）-0057-02 1 飞行控制系统的硬件设计 本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块，具体论述如下。 1.1 控制器 我们利用美国德州仪器公司所研发的TMS320F28335当作控制器当中的主芯片，可以说它是当下功能最为强大的一种芯片，具备对信号加以处理的功能，而且还有嵌入式控制以及针对事件加以管理的功能。该芯片的外部接口基本原则为：将飞控系统作为基础而定。该芯片不管是在引脚数目上，还是在引脚功能方面都非常贴合飞控系统的全部要求，所以说只要针对芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征为：（1）利用到了哈弗总线结构。（2）其代码安全模块利用到了128位密码对Flash加以保护，保证相关寄存器在数据方面的安全。（3）TMS320F28335的应用，实现了对开发时间大幅度的节约，这主要是其利用到了目前应用比较广泛的C/C++语言。（4）1K×16 OTP ROM以及8K×16形式的Boot ROM，供给出了两个用于采样的电力，继而实现了对两个通道上信号实施的同步采集，所以有着非常高效的处理能力以及运算的精度，确保了信号所具备的时效性以及高速性。 1.2 传感器 1.2.1 陀螺仪 陀螺仪能够对检测指示器中的数据加以显示，是自动控制系统当中的一个非常重要的组成。应用的陀螺仪是MPU6050三轴形式的陀螺仪，具有16位的模拟、数字转换器，使输出模拟量实现向可输出数字量的转化。 1.2.2 加速度传感器