一种无人机地面站系统的制作方法

本发明涉及一种基于无人机平台的火灾探测系统，尤其涉及，具体地说，是涉及一种包括3D GIS导航模块的无人机地面站系统。

背景技术：

随着无人直升机的快速发展，越来越多地被民用和国防等诸多领域应用。地面站作为整个无人直升机系统的中心环节也在不断的更新和发展。嵌入地理信息系统(geographical information system GIS)到地面站，利用GIS强大空间数据处理和三维可视化技术，提高地面站的信息化水平，增强可视化优势，成为无人直升机地面站设计的目标。

GIS是一种将空间位置与属性数据结合在一起的决策支持系统，是将地球科学与属性数据相结合的一种大型集成系统。它具有信息系统的各种特点，作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具，近年来得到广泛的关注和迅猛的发展。同时基于3D GIS技术也得到了飞速的发展，己经被广泛的应用于三维数字城市、资源管理、环境评价、区域规划等诸多方面。直升机在实际飞行过程中，地面站实时显示出大量的飞行数据，地面操作人员借助计算机能快速判断并做出反应，及时地参与无人机的控制，这对于无人机的飞行操纵安全至关重要。基于3D GIS的无人直升机地面站系统在计算机可视化方而的优势，很好地实现了无人直升机的监控导航，自主起降，航路规划，航迹显示，航迹同放等功能，形成一个实时、快速、直观的地面监控系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种基于3D GIS的无人直升机地面站系统。

一种无人机地面站系统，包括数据通信模块、远程控制模块、数据库模块和虚拟仪表模块，还包括3D GIS导航模块，并且通过数据库模块的地形高程数据和卫星图片来渲染三维地球，结合接收到的机载系统的飞行信息，来监视无人机的飞行状态和飞行航迹，以及对无人机进行航迹规划。

一种无人机地面站系统，使用bil格式的高程数据和DDS栅格数据相结合的形式，通过DDS栅格数据结合地形的高程数据来渲染三维地球模型。

一种无人机地面站系统，实时航迹实现由无人机地面站实时接收机载系统的飞行方位信息，将这些方位信息存储在一个列表中，每个方位加载所对应标记物在轨迹跟踪层显示出来，最后通过Update函数来实现轨迹的实时更新。

一种无人机地面站系统，航迹规划通过在三维地图上直接通过鼠标移动得到所在点的经纬度信息，结束画航线后将航线规划得到的方位信息保存起来发送到无人机的机载系统。

一种无人机地面站系统，提供了多图层的访问与控制，航迹跟踪层与其它层一样，相互之间都是独立的，可独立显示。

一种无人机地面站系统，数据库模块将地理信息和测控信息分开存储，以实现3D GIS数据管理和地面站系统的离线数据同放。

一种无人机地面站系统，在手动控制模式时，无人机直接由操作人员通过遥控设备发出控制命令，遥控设备以电台作为通信媒介向无人机发射信号，无人机机做出反应并通过机载系统用无线网络把各种实时的飞行数据以及图像，视频等数据发送给地面站。

一种无人机地面站系统，在切换到自动控制模式时，地面站设置好飞行参数，无线网络将控制参数发送到机载系统，飞机根据参数命令完成飞行任务，同时在飞行过程中实时的向地而控制站反馈各种飞行状态信息，地面站根据实时飞行状态及时做出控制命令的修改。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他 优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是无人直升机系统总体框架图；

图2是地面站系统软件框架图；

图3是UDP数据通信方式原理图；

图4是World Wind Java软件框架图；

图5是WorldWindJava SDK数据处理和渲染框架图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

无人直升机总体系统架构

无人直升机控制系统的总体架构由机载系统和地面站系统两部分组成。机载系统包括飞行控制计算机、传感系统、GPS接收模块组成；地面站系统包括遥控设备和便携式PC机。

系统的总体框架如图1所示。

无人直升机在进行自主导航控制时，为了降低自动控制失控时的危险性，有两种控制模式：手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式时，无人直升机直接由专业人员通过遥控设备发出控制命令，遥控设备以电台作为通信媒介向无人直升机发射信号，无人直升机机做出反应并通过机载系统 用无线网络把各种实时的飞行数据以及图像，视频等数据发送给地面站：在切换到自动控制模式下，地面站设置好飞行参数，无线网络将控制参数发送到机载系统，飞机根据参数命令完成飞行任务，同时在飞行过程中实时的向地面控制站反馈各种飞行状态信息，地面站根据实时飞行状态及时做出控制命令的修改。

地面站系统的设计与实现

整个地面站系统运行于基站的便携式计算机上，使用Java作为程序的开发语，进行而向对象模块化程序设计，软件实现结构上清晰合理，易于维护升级。同时Java语高是一种交叉平台的语言，跨平台能力强，地面站可以方便地移植到其它系统平台的小型便携式计算机上。地面站软件框架如图2所示。

系统采用图形界而，提供一个良好而便于操作的用户接口。系统通过事件或者消息驱动，来实现人机交互，可以非常方便地进行设置和操作。整个地面站控制包含数据通信、远程控制、数据库、虚拟仪表和3D GIS导航5大模块。

数据通信模块

数据通信模块主要负责地面站与无人直升机机载系统之间的数据接收和发送，数据的收发采用UDP协议，在功能上保证实时性，但是UDP协议不能保证传输中没有丢失信息，需要对每次发送的数据信息加上字头和字尾校验。地面站主要接收机载系统各个传感器得到的飞行速度、航向、经纬度、姿态和遥感设备得到的图像视频(经过编码压缩后)数据；同时负责远程控制模块发送给机载系统的控制命令参数数据。数据通信模块的通信方式如图3所示。

远程控制模块

远程控制模块主要负责将无人直升机机自主飞行的控制命令参数经过一定的数据压缩后通过UDP协议发送到无人机机载系统，在发送过程中需要校验码校验，只有机载系统得到止确应答后，才可能执行自主飞行命令。

数据库模块

数据库模块在地面监控站中发挥养非常重要的角色，本地监控站采用Java语高编写，很方便的实现了多线程技术，在数据存储过程中采用单独的线程，不仅可以提高地面监控站的效率，而且可以保证地面站系统接收的数据信息完整。数据库模块数据库选用开源的MySQL数据库，将地理信息和测控信息分开存储，以实现3D GIS数据管理和地面监控站的离线数据同放，为实验人员对前面的实验结果进行更深层次的分析。

虚拟仪表模块

虚拟仪表模块实现各种飞行数据的仪表化，使用仪表来表达数据简单直观，增强了人机交互的能力，能更好的为地面站的操作员反馈飞机的飞行数据，例如姿态仪、偏航仪、高度仪、和无人直升机各个控制通道的控制量等。当无人直升机出现各种机械故障或者机载系统出现各种故障，有仪表指示报警功能，及时反馈给操作人员，采取应急措施。

3D GIS导航模块

3D GIS导航模块使用了由美国航空宇航局(NASA)Aems研究中心开发的World Wind Java源软件开发包。World Wind Java整个软件框架如图4所示。通过World Wind Java SDK可以方便灵活地建立三维地球应用程序，以一种插件程序的形式，为无人直升机地面站应用程序提供三维地球的地形地貌观测，通过地的MySQL数据库的真实地型高程数据和卫星图片来渲染三维地球。通过观测窗口结合地面站接收的机载系统的飞行信息，可以在三维地形上监视无人直升机的飞行状态和飞行航迹，同时也能够对无人直升机进行航迹规划。

3D GIS实现

数据准备

GIS数据不仅表达空间实体(真实体或者虚拟实体)的位置和几何尺寸，同时也记录了空间实体的相对属性，所以GIS数据源包含空间数据和属性数据两部分。图形数据又可以分为栅格数据和矢量数据两类。比较常见的GIS数据格式有Mapinfo(*.tab)数据格式、AutoCAD(*.DWG，*.DXF)数据格式、 Shape(*.shp)数据格式等等。本系统采用的*.bil的高程数据和I*.DDS栅格数据相结合的形式，通过DDS栅格数据结合地形的高程数据来渲染整个三维地球模型。数据的获得可以从各个网络海量服务器获得，也可以将得到的数据存储到数据库中，由存储管理器统一对各种数据进行管理，World WindJava SDK对数据处理和渲染框图如图5所示。

图层的访问与控制

在导航模块中，World Wind Java SDK通过一个重量级的AWT组件WorldWindowGLCanvas来显示World Wind模型(三维地球和各个图层)，该组件是个独立式的，能为应用程序提供三维地球和图层的渲染，它包含了基木的图层：基础图像层(BasicTiledImageLayer)，罗盘层(CompassLayer)、比例尺层(ScalebarLayer)、世界地图层(WorldMapLayer)和着色层(RenderableLayer)。同时还可以根据自己的需求增加图层，例如要进行GPS跟踪定位时可以加入航迹标记层(TrackMarkLayer)，要加入网络地图服务器(Web Map Server)，可以增加WMS层来对网络地图服务器的海量数据进行访问和渲染。为窗口设置好监听器后可以使用鼠标和键盘来控制三维地球的缩放，旋转、漫游等。层的表示可以通过层名和索引，通过这两种方式来插入新的图层，同时也可以通过层名和索引来访问控制图层。

无人直升机的实时航迹显示

无人直升机的实时动态航迹是系统的一个重要的功能，WorldWind Java SDK有两个封装好的类TrackMarkerLayer和TrackPipesLayer对无人直升机的实时位置进行标记，这两个类的不同之处就是前者可使用自定义的标记物(圆点，方形等)，后者使用实体线条来标记航迹。航迹跟踪层与其它层一样，相互之间都是独立的，可独立显示。实时航迹实现由无人直升机地面站实时接收机载系统的飞行方位信息，将这些方位信息存储在一个列表中，每个方位加载所对应标记物在轨迹跟踪层显示出来，最后通过Update函数来实现轨迹的实时更新。

无人直升机航迹规划

航迹点的规划是地面站控制站最为关键的一部分，无人直升机航迹规划是根据任务目标规划满足约束条件的飞行轨迹，规划的目的是在适当的时间 内计算出最优的飞行轨迹。主要用于无人直升机的飞行任务，包括飞行航线，高度、速度、任务执行区域等。由于三维地球在建立模型中就有状态栏信息，通过在三维地图上直接通过鼠标移动得到所在点的经纬度信息，这样大大提高了系统的可操作性。航迹点的规划可以分为一下几个功能：画航点航线、修改航线、结束画航线。画航迹点过程中每画一个点可以从图层中获得经纬度信息，根据需要添加高度信息，同时把两点之间的距离显示出来。修改航线主要是对于误操作规划的航迹点进行删除、移动等操作。结束画航线后将航线规划得到的方位信息保存起来发送到无人直升机的机载系统。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。