李茂环、郑新琦、车铭基
山西迪锐科技有限公司 030024
摘要：随着我国经济社会的不断发展，无人机技术在我国得到越来越广泛的应用。小型无人机具备低成本、小体积、重量轻的特点，相对而言易于操作。本文首先对小型无人机的飞行数据特征进行了分析，并在这一基础上着手无人机三维可视化地面监控系统的设计，同时根据设计过程中的重难点问题，以实际为前提提出相应的解决对策，以期为无人机三维可视化地面监控系统的设计提供指导。
关键词：无人机；飞行数据；地面监控
引言：无人机系统的主要组成部分包括通信链路系统、地面站监控系统、飞行控制系统、起飞与回收系统、有效载荷系统等几大部分，设计的专业要素较多，系统设计相对复杂。无人机实际飞行过程中，地面监控系统能够对无人机飞行数据实现实时监控，来为操作人员的判断与决策提供参照。强化无人机地面监控系统的三维可视性及数据分析能力，对于无人机的稳定运行具有极为重要的意义。
一、无人机飞行数据特征分析
依照数据类型进行划分，无人机的飞行数据可分为定量数据及定性数据。其中定量数据主要囊括了发动机参数、导航参数、机载设备参数、飞机运动参数等。飞机运动参数的主体围绕着三个姿态角，包括偏航角、俯仰角与滚转角，并对相应的三个角速度进行计算。同时计算侧滑角、迎角两大气流角参数、纵向角位移与侧向角方向位移两大线形角参数，以及速度向量这一线速度参数。导航基本参数包括无人机的实时位置参数、航向及实时速度等。无人机的定性数据主要包含故障类型名称、任务设备状态、飞行状态、飞行时间、开关遥控指令等相关数据，飞行数据的定性数据一般根据人们的常规习惯以字符串的形式进行显示。藉由字符串的颜色变化展示飞行状态的变化，飞行数据间具备间接关系与直接关系，多变现为多变量联合显示的间接关系。飞机状态的改变通常由各变量图形符号间的位置变动来显示变量间的具体关系，如飞机的三大姿态角参数共同建构了飞机的飞行姿态模型，而归类化显示的数据也间接体现了无人机发动机参数、飞行轨迹等飞行要素。这期间，为更明显地显示飞机飞行状态，飞机的姿态角信息可以海鸥图符予以表示，无人机航向、高度、速度可藉由游标图符的游动实现即时的可视化展示。上述可视化的图形图像及数据均可借由三维数字地图予以展示，从而让操作人员以更直观的方式获取无人机飞行中的信息，降低无人机操作难度。
二、系统功能设计
系统的功能要素主要包括飞行状态显示、任务航线规划、航线回放等功能。无人机飞行过程中，实际航线是否与规划航线重合或偏离非常重要，故而航迹显示意义重大。为此刻通过网络通信从地面控制站获取实时的GPS经纬度信息，并借助已获取的经纬度位置信息图通过小飞机图符显示无人机的位置相关信息。并通过按键控制，以不同于地图背景颜色的红色，实现飞机当前时刻及前一时刻位置点的连线，从而完成航迹显示。并通过数据保存功能，实现飞机航程再现。无人机执行任务时，往往根据预先设定的侦察重点与侦察次序进行航行，并需根据实时情况，实现航路的适时修正。故而飞行侦察任务执行过程中，需对任务航线予以提前规划。
数字地图上伴随鼠标的移动，鼠标的所在位置能够实现地图经纬度信息的自动显示，对该点进行点击即会追加为航线的新航程点，这一三维可视化操作极大缩短了操作时间，通过网络通信实现了控制端-地面控制站-无人机驾驶仪间的有效连通。三维可视化地面监控系统同样应具备打印输出功能，这一功能可实现由屏幕电子航迹地图到纸质地图的转变，其功能主要通过绘图仪及图面设置、绘图范围设置、页边距设置、打印预览、打印的系统步骤来加以实现。
三、系统设计难点及解决实践
无人机三维可视化地面监控系统的设计难点主要包括三方面的技术挑战，下面对这三点予以阐明，并基于实际经验，给出具体的解决意见。
（一）地面控制站与监控系统间的网络通信
网络通信方式一般包括无连接的UDP数据报文方式与面向连接的流方式TCP/IP协议，而为了满足高可靠性与强实时性的通信要求，一般选用面向连接的流方式，这一方是藉由串口通信来加以实现。三十二位模式下，串口通信的完成一般有使用现成控件、直接嵌入汇编、以文件方式打开串口三类方法。这些方法中第一种方法较为简单，只需通过简单配置串口便能够实现。而直接嵌入汇编法专业程度较高，需要对硬件电路结构原理予以了解。以文件方式打开串连接的方式适用面较广，通过面向对象技术实现对WIN32 API函数的封装，并提供开展串行通信的类，在对类的成员函数予以理解后，便能方便地运用直接嵌入汇编法。通常而言，使用现成控件的时间成本较小，操作难度较低。
（二）调整多比例地图技术
多比例地图技术与人们由整体到局部、由远及近的渐次空间认知习惯相符合，由于地图空间较大的数据量，故而多比例尺地图的快速显示与管理是三维可视化地面监控系统研制过程中的一大难点。为此刻应用地图控制文件管理多比例尺数据，通过地图控制文件来描述多比例尺数据的坐标范围与显示层次。可实现多比例尺数据的平滑切换显示，这一显示的基本原理在于，若当前地图范围小于窗口显示范围，则切换至小比例尺地图。若当前地图范围大于窗口显示方位，则切换至下一级的大比例尺地图。地图控制文件中对各地图的比例尺、显示层次、地图路径、坐标范围予以记录，并对窗口的坐标范围予以计算，来根据坐标范围进行相应比例尺地图的选择。而为实现地图的快速显示功能，进行相应比例尺地图的装载前，首先应对索引范围予以了解，并藉由空间索引与地图控制范围的相结合，较好解决比例尺自动平滑过度与多比例尺地图的快速显示问题。
（三）虚拟仪表技术
为实现无人机运行情况的一体化显控，可应用虚拟仪表技术。为此可应用VC++7.0软件的Active组件进行虚拟仪表的开发工作，为实现绘图闪烁问题的解决，可应用双缓存方法，即优先将更新操作中的绘制数据写入内存，而后一次性将所有数据发送至显卡，并将内存设备信息在显示设备中予以复制，来防止闪屏情况的发生。程序运行过程中，主控程序对定时器信息予以定期发送，并在定时消息处理程序中对飞机姿态显示刷新消息进行实时发送。在消息送抵并由显示平台加以刷新显示后，在已装载好的椭圆形天地图片基础上，根据计算机网络数据接受缓冲区中俯仰角及倾斜角数据进行或上下移动或旋转的红色飞机多段直线图形姿态绘制，以此促成无人机飞行状态三维可视化的实现。
结语：无人机三维可视化地面监控系统能够实现飞机飞行状态、飞行轨迹的实时监控，并以三维图表的方式予以显示。本文进行了无人机飞行数据特征的分析工作，具体研判了系统设计应具备的主要功能，并对一些设计过程中的要点难点给出具体实践建议，希望能对系统的设计工作带来启发。
参考资料：
[1]董欢欢.小型无人机三维可视化地面监控系统研究.2013
[2]宋延华.旋转翼无人机地面监控系统设计.2014
[3]马艳.多旋翼无人机航迹规划与监控研究.2015