专利名称：一种通用化可配置无人机地面站的制作方法
技术领域：
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。
背景技术：
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。
发明内容
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。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。本发明的优点在于(I)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；
(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；(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；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；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，地面站仪表显不的信息内容、信息符号和符号格式按照航标、国军标的要求实施；d、本发明无人机地面站采用握杆操纵(Hands On the Throttle andstick, 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；(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。
图I :无人机地面站侧视图；图2 :无人机地面站俯视图；图3 :无人机地面站前视图；图4:飞行显示单元；图5 :发动机/警告显示单元；图6 :系统信息显示器单元；图7:模块交联关系与在计算机中的分布；图8 :实施例中采用的地面站装置的结构尺寸示意图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。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。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 andstick, 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。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I 图3所示，计算机Al和计算机B2通过STP双绞网线连接到路由器，计算机Al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Al，并分别对应计算机Al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Al和计算机B2之间随时切换。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，夕卜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。各模块之间的具体连接和工作过程如下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。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。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。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。
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。握杆操纵(Hands On the Throttle and stick, HOTAS)及脚瞪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。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
物JlS真值-物理fi下限—计算机表达值 物理S上限-物现STF限—计算机农达范围从物理量到计算机表达值的转换公式为
权利要求
1.一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于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；H0TAS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。
2.根据权利要求I所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于所述的飞行器适配模块用于进行数据链路的选择，数据链路包括虚拟链路和真实链路；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。
3.根据权利要求I或2所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于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，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；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。
4.根据权利要求I所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于=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。
5.根据权利要求I所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于所述的语音识别与告警模块包括语音识别子模块和语音告警子模块；所述的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，识别并响应操纵手的指令；所述的语音告警子模块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。
6.根据权利要求I所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于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。
7.根据权利要求I所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于所述的3D视景显示模块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；实际飞行时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3D视景显示器上；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。
8.根据权利要求I所述的一种通用化可配置无人机地面站，其特征在于所述的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、空速、高度和垂直速度，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，下部区域用于显示记忆信息；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。
全文摘要
本发明公开了一种通用化可配置无人机地面站，属于无人机控制技术领域。所述的地面站包括部署在计算机A上的任务规划模块、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，和部署在计算机B上的飞行通信模块、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。本发明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。
文档编号B64F1/00GK102774505SQ201210245610
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者孔令帅, 林清, 王英勋, 蔡志浩, 陈濛 申请人:北京航空航天大学