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無人機地面站軟件平臺開發探究

來源:原創論文網 添加時間:2019-04-28
  摘要
  
  無人機憑借自身的特點以及相比較于載人飛機無可比擬的優勢,不僅在軍用領域得到廣泛運用,而且也在各個民用領域大放異彩。本文對于作為無人機系統指揮控制中心和信息處理中心的無人機地面站軟件平臺的開發做了詳盡的設計及研究。
  
  本文從無人機地面站軟件平臺的發展研究現狀及發展趨勢著手,研究了無人機地面站的總體功能框架及實現途徑。根據模塊化的程序設計思想,分別設計實現了串口通信模塊、數據處理模塊、虛擬儀表和飛行姿態三維顯示模塊、電子地圖模塊以及航跡規劃模塊的功能。整個地面控制站軟件平臺的大部分功能是基于LabVIEW 開發環境實現的,借助 VISA 驅動編程實現串口通信軟件功能,接收由通信鏈路傳來的無人機飛行數據,并能向無人機發送控制指令;利用 LabVIEW 開發特點、豐富的擴展函數庫,設計實現了對飛行數據信息的存儲與讀取、對飛行姿態的實時模擬顯示等模塊功能;并借助豐富的顯示操作控件設計了簡潔高效的軟件界面,實現了文本與儀表兩種不同的數據顯示以便于操作人員對無人機飛行狀態的掌控;通過對 MapX 地圖插件進行二次開發,實現了電子地圖的相關操作及無人機經緯度位置信息的實時定位顯示;最后針對無人機實際飛行任務中存在復雜的條件制約及已知威脅區域的問題,在傳統 A-Star 航跡搜索算法的基礎上增加關于最大航向角、最小航跡段長度以及最大航程的條件約束,并對算法本身和代價函數的計算方法進行了改進。通過 MATLAB 編程,實現了對算法的改進與仿真,并借助設計的坐標轉換程序實現航跡規劃算法的實際應用。

無人機地面站軟件平臺開發探究
  
  本軟件平臺基于 Windows 便攜式計算機進行開發測試,考慮到高昂的無人機在線測試成本,采取在計算機之間進行 RS232 串行通信來模擬無人機與地面站之間的通信與控制。通過設計的模擬飛行數據信息,測試了軟件各個模塊功能的正常運行,驗證了軟件平臺的性能滿足應用需求。
  
  關鍵字:  無人機,地面站軟件,LabVIEW,MapX,航跡搜索。
  
  Abstract
  
  Depend on its own characteristics and incomparable advantages when compared with mannedaircrafts,UAVsarewidelyusedinmilitaryfields,butarealsostandoutinvarious civilian fields. This paper made a detailed research and design for the development of the UAV ground station software platform, which is the command control center and the information processing center of UAV system.
  
  Based on the research present situation and the development trends of UAV ground station software platform, this paper studied the overall functional framework of UAV Ground Station and the way to realize it. According to the modular programming ideas,the functions of serial communication module, data processing module, virtual instrument and flying attitude 3D display module, electronic map module and flight path planning module are designed and implemented respectively. Most of the functions of the entire ground control station software platform are based on the LabVIEW development environment. With the help of VISA driver programming, UAV ground station is able to receive flight data from the communication link and send control instruction data to the UAV, which are the functions of serial communication software;By using the development features and abundant extended function library of LabVIEW,the module functions of flight data information storage and reading, real-time flight attitude displaying were designed and implemented; Furthermore, by utilizing itsmassive display and operation widgets, a concise and efficient software interface is designed. Two different data displays of text and virtual aviation instrument are realized,which is convenient for operators to acquire flight status of the UAV; Through the secondary development of the MapX plugin, the related operations of the electronic map and the real-time location display of the latitude and longitude position information of the drone are realized; At last, under the situation of existing threat areas and complex conditional constraints in the actual flight mission of UAV, a variety of condition constraints about the maximum heading angle, the minimum track segment length and the maximum voyage are added to the traditional A-Star track searching algorithm. The algorithm and the calculation method of cost function are improved at the same time.
  
  The algorithm of A-Star track searching is improved and simulated through MATLAB programming, and the practical application of the algorithm is realized by the design of coordinate transforming program.
  
  The software platform is based on Windows portable computer for developing and testing. Considering the high cost of online test of UAV ground station, the method of software testing is applying RS232 serial communication between computers to simulate the communication and control between the UAV and the ground station. Through the design of simulated flight data information, the function of the software modules was tested, and the performance of software platform was verified to meet the application requirements.
  
  Keywords:   UAV, ground station software, LabVIEW, MapX, track search。
  
  第一章 緒論
 
  
  1.1 無人機介紹。

  
  最先進的科學技術,往往最早地用于軍事上 。近幾十年,軍用無人機的發展速度十分迅速,無人機的發展正在改變著現代戰爭的作戰模式,引來軍事上的一場深刻的革命。相比較有人駕駛飛機而言,無人機擁有諸多優勢:研發成本低,性價比高;使用維護簡單方便;隱蔽性好,安全系數高,可執行危險任務;起飛著落易于控制;續航時間長,機動性好等。憑借自身的特點和無可比擬的優勢,無人機技術在軍用領域被大量運用[1]。近年來,隨著科學技術的不斷發展,研發成本的進一步降低,無人機在民用方面的運用也越來越受到重視。各個領域根據自己的行業需求結合無人機的獨特優勢,將無人機的家族拓展地十分龐大,其在民用領域的應用包括電力巡線、災情巡查、消防滅火、交通監控、農業噴灑、氣象探測、航拍測繪、公安抓捕等[2]。目前,幾乎任何有工業能力國家都開展了對無人機領域的探索與應用。
  
  無人機(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)是無人駕駛飛機的簡稱,是一種在機上不載有人員直接操作,通過遙控或者自動控制飛行,具有動力的、能夠負載各種載荷并能執行一定任務的、可重復使用的飛行器[3]。無人機與有人飛行器除了有機上沒有人員直接操控的區別外,還有無人機不需要負載對飛行人員的環境控制系統及生命保障設備,如對氧氣、氣壓、溫度等條件的控制設備,并且,無人機的維護成本也較有人機而言有極大的降低。而無人機與導彈雖然都有通過遙控或自主控制的共同點,但是二者的不同點在于無人機可以重復執行飛行任務,而導彈不能重復使用[4]。
  
  目前,無人機雖然不像有人飛機一樣有一個統一的分類,但是仍可以按照無人機的構型、用途、性能等條件進行大致分類。無人機針對不同的領域需求衍生出各式用途的飛行平臺,在軍用領域,無人機按照其用途主要可以分為無人靶機、無人偵察機、無線電干擾無人機、無人攻擊機等;在民用領域,無人機按照其用途主要可以分為交通監控無人機、農藥噴灑無人機、消防無人機、航拍無人機、管道巡線無人機、災情勘測無人機等等[5]。按飛行性能進行分類,分為遠程無人機、中程無人機、近程無人機(小型無人機)等類型[6]。按飛行器類型進行分類,主要分為無人固定翼飛機、無人直升機、無人多旋翼飛行平臺、微型仿生飛行器等類別[7]。
  
  無人機技術是一項融合了光電科學、無線電學、材料科學、飛行動力學、微電子學、智能控制、航空制造技術等各項頂尖科學工程領域成果于一身的先進技術。隨著科學技術水平的不斷發展,無人機必將有著向微小型化、智能化、網絡化、高性能化、遠程化發展的趨勢,必將得到更加廣泛的應用,被賦予更加復雜、多樣化的使命[8]。
  
  1.2 無人機系統。
  
  上節所簡述的無人機的概念主要是指無人機空中飛行平臺,而從實際技術方面進行考慮,僅僅依靠空中飛行平臺就能夠實現飛行任務是遠遠不夠的,無人機空中平臺仍需要一些能夠支撐其應用的相關子系統、硬件設備、軟件功能、技術人員等。無人機系統(UAS ,Unmanned Aircraft System)是指無人機空中平臺、機載設備、通信數據鏈、地面控制站、起飛(發射)回收裝置、地面保障人員及設備等的統稱[9]。無人機系統主要包含以下幾個部分:
  
  (1)無人飛行器平臺是執行飛行任務的主體部分。主要包括機體、能源裝置、動力裝置、飛行控制與導航系統[10]。飛行器機體部分主要由機身、機翼、旋翼、尾翼等組成;動力裝置一般有噴氣式發動機、燃油活塞式發動機、無刷電動機、螺旋槳等;飛行控制與導航系統包括伺服機構、伺服舵機、連桿、搖臂、定位裝置、飛控系統及其他驅動機構,是執行飛行器姿態控制和規劃航路控制的硬軟件的結合[11]。
  
  (2)信息傳輸系統通常也被稱為數據鏈路,能夠實現機載信息和地面信息的數據處理。機載信息傳輸設備包括機載天線、無線電信號接收器和無線電信號發射器[10],從而能夠接收由控制站發送的控制指令,并且向地面發送飛行信息及任務載荷信息;地面信息傳輸設備包括天線、信號發射器及接收器等。
  
  (3)地面控制站是實現控制無人機飛行及執行任務的核心。其主要包括數據處理系統、飛行狀態監視平臺、電子地圖定位、通信控制及航跡規劃等功能模塊。
  
  (4)任務載荷是根據不同任務需求,為無人機而設計掛載的各式機載設備。如光學偵察設備、電子干擾器、機載導彈等。
  
  (5)地面保障人員及設備。地面保障設備主要包括無人機的起飛回收裝置、能源供應設備及運輸監測設備等;保障人員包括地面站監測人員、操作人員、通信保障人員、后勤維護人員等。
  
  小型無人機系統精簡了其結構組成,借助便攜式無線通訊設備和便攜式地面軟硬件平臺,在保障系統完整性的同時,降低了無人機系統的應用門檻,拓展了無人機技術的應用場景。小型無人機系統結構如圖 1-1 所示:
  
  
  
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  1.3 無人機地面站系統
  1.4 國內外研究現狀
  1.4.1 國外典型無人機地面站介紹
  1.4.2 國內典型無人機地面站介紹
  1.4.3 國內外無人機地面站軟件對比分析
  1.4.4 地面站軟件平臺的未來發展趨勢
  1.5 課題研究目標及工作內容
  1.5.1 課題研究的目標
  1.5.2 課題研究的工作內容
  
  第二章 地面站軟件平臺的總體設計
  
  2.1 地面站軟件平臺的設計要求
  2.2 地面站軟件平臺的總體結構
  2.3 地面站軟件平臺的工作流程
  2.4 地面站軟件平臺的界面設計
  2.5 開發工具簡介
  2.5.1 LabVIEW 簡介
  2.5.2 MATLAB 簡介
  2.6 本章小結
  
  第三章 通信控制與數據處理
  
  3.1 功能要求分析
  3.2 無線數傳電臺
  3.3 串口通信軟件的設計
  3.4 通信協議
  3.4.1 下行數據結構
  3.4.2 上行數據結構
  3.5 數據解析程序設計
  3.6 數據存儲及數據回放模塊設計
  3.7 虛擬儀表顯示模塊設計
  3.8 飛行姿態三維展示程序設計
  3.9 本章小結
  
  第四章 電子地圖的開發
  
  4.1 電子地圖功能模塊要求分析
  4.2 電子地圖模塊設計方案分析
  4.3 MapX 簡介
  4.3.1 MapX 的空間結構
  4.3.2 地圖圖層
  4.3.3 Map 對象
  4.4 地圖基本功能的實現
  4.4.1 放大、縮小、移動、居中功能的實現
  4.4.2 鼠標滾輪放大縮小功能的實現
  4.4.3 定位功能的實現
  4.4.4 鼠標選點獲取經緯度功能的實現
  4.4.5 航線繪制的實現
  4.5 本章小結
  
  第五章 無人機航跡規劃的研究及應用
  
  5.1A-Star 算法介紹
  5.2 網格地圖中的啟發式函數
  5.3 威脅建模與分析
  5.4A-Star 算法改進
  5.4.1 約束條件
  5.4.2 代價函數的改進
  5.4.3 對算法的改進
  5.5 算法流程及實現
  5.6 仿真結果及實驗對比分析
  5.7 仿真航點坐標到地理坐標的轉換
  5.8 本章小結
  
  第六章 無人機地面站軟件測試
  
  6.1 串口通信模塊的測試
  6.2 儀表及飛行姿態三維模擬顯示測試
  6.3 電子地圖功能模塊測試
  6.4 經緯度航點坐標轉換測試
  6.5 本章小結

  第七章 總結

  本次設計基于 LabVIEW 軟件開發了一個小型無人機地面站軟件平臺,實現了預期的功能及實現效果,主要成果如下:

  (1)從無人機地面站的功能需求及設計需求出發,研究了地面站軟件的總體功能框架。以模塊化的設計方法,將模塊功能細分化、具體化,研究了其實現方法;從簡潔、易用、功能明確方面考慮,對軟件界面進行了設計。

  (2)根據通信需要設計了串口通信軟件,定義了數據通信格式,編寫了數據接收、分斷、解析、存儲等程序,實現了串口之間的通信、參數控制以及飛行數據的接收、發送、處理、存儲;根據飛行數據顯示需求,設計了飛行姿態三維模擬展示程序,實現飛行姿態數據的圖形化展示。

  (3)借助 MapX 可編程控件實現了電子地圖的放大縮小等基本操作,利用解析出的經緯度坐標實現無人機位置的實時定位及航跡顯示。

  (4)對 A-Star 航跡規劃算法進行優化改進,從實際應用出發,結合限制條件對搜尋過程進行約束,并進行了仿真對比,證實了改進算法的優越性。設計了仿真點坐標到實際飛行任務區域地理經緯度坐標的轉換程序,實現了航跡規劃算法的實際應用,能夠按照任務規劃控制飛行軌跡。

  (5)對地面站軟件平臺的各個功能進行了測試驗證,各個模塊能夠穩定運行地實現其功能,符合預期設計目標。

  參考文獻.

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