无人机概论 无人机概论 无人机地面站系统.pptx

无人机概论 无人机概论 无人机地面站系统.pptx

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无人机地面站系统,学习目标掌握无人机地面站的构成掌握无人机地面站的功能了解无人机地面站的发展现状及未来发展趋势,7.0内容框架图,地面站功能,无人机地面站系统,地面站构成,地面站分类设计理念现状及发展趋势,软件,功能控制分站硬件,功能发展史现代地面站典型功能,7.1无人机地面站的功能,地面站功能发展史当代无人机地面站典型功能操作控制分站,7.1.1地面站功能发展史,无人机的快速发展使得无人机地面站的研究设计极为重要。

无人机地面站的功能也经历了由简单到复杂、由单一到多样的发展史。

20世纪20、30年代，无人机尚无完善的地面系统，对无人机都是使用简单设备的操控。

1918年，美军研制第一架升空的“柯蒂斯”是人机通过陀螺仪指示方向、无液气压表指示高度来操控飞机。

1933年，英国空军由水上侦察改装成的“费尔雷昆士”无人机采用地面站无线遥控技术实现控制。

20世纪5070年代，已经初步形成了地面系统，并进入快速发展阶段。

借助于地面站完成对无人机的操控，使其完成各种任务。

例如越南战争期间，美军无人机地面站采用预编程术，控制无人机执行电子窃听、电台干扰、超低拍摄等任务。

20世纪70年代，美军地面站过地面站控制指令对无人机进行遥控，执行夜间侦查任务。

但这个时候无人机地面站的功能还是比较单一的。

直到20世纪90年代，英美等各国设计并采用了以“捕食者”无人机地面站为代表的复合控制多途无人机地面站，地面站趋于集群化，功能更加多样化，此时的无人机地面站技术已经日趋成熟。

进入21世纪以后，无人机地面站的发展速度更加迅猛。

例如以“影子200”地面站为代表的一体化系统，其地面控制站由两台工作站组成，可以体现一个地面站控制多架无人机。

另外，以“全鹰”为代表的大型无人机地面站，利用标准化协议STANAG4586的兼容性，驱动了无人机地面的互操作性，具备了与有人机、卫星等互操作的能力。

再如美国的先驱者（Outrider）是一种战术监视和目标捕获无人机。

其地面控制站采用视窗系统，交互显示实时视频图像和全任务地图,通过两个液晶彩色显示器分别进行系统控制和传感器数据的显示。

与此同时，远距视频终端还能提供对传感器数据的远程监视。

当无人机以半自主方式或与导航系统配合以全自主方式飞行时，地面站可以自动将飞行计划以指令方式传送给无人机执行，或者把飞行计划传送到无人机，由无人机按计划自主飞行。

地面控制站可以随时调整无人机以执行不同任务,例如令无人机从飞行巡航模式切换至任务执行模式。

7.1.2当代无人机地面站典型功能,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。

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。

任务规划，包括飞行器位置监控、及航线的地图显示：

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，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。

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。

与其他子系统的通信链路：

该通信链路用于指挥、控制和分发无人机收集的信息。

7.1.3操作控制分站,当代无人机地面站功能复杂、多样，可以根据各部分执行功能的不同将无人机地面站分为更小的操作控制分站。

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。

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。

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。

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。

数据分发系统。

用于分析和解释从无人机获得的图像。

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：

1.用于给飞行器发送命令和有效载荷；2.接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。

中央处理单元：

包括一台或多台计算机，主要功能如下：

1.获得并处理从UAV来的实时数据；2.显示处理；3.确认任务规划并上传给UAV；4.电子地图处理；5.数据分发；6.飞行前分析；7.系统诊断。

7.2无人机地面站的构成,地面站硬件地面站软件地面站操控员,7.2.1地面站硬件,无人机地面站硬件可以分为三大类：

用于显示的硬件用于操纵的硬件用于通讯的硬件,7.2.1地面站硬件,用于显示的硬件无人机地面站一般显示两部分信息。

一、飞行信息（包括航线航点、各类飞行参数、还有特别显示的警报信息）。

二、任务图像信息（如航拍摄像机拍摄的画面）。

对大型无人机，这两部分一般用两个屏幕来显示。

飞行信息显示用的就是地面站上电脑安装的地面飞控软件界面。

图像信息一般单独用一个与图传接收模块连接的显示屏显示，一般还会连上一个DVR硬件，用来同步录制与事后回放视频。

对小型无人机，这两部分一般用一个显示屏来显示。

例如消费类多旋翼使用的平板与手机，穿越类多旋翼使用的具备OSD功能的图传接收屏幕。

这类微型的多旋翼甚至可以没有专门的地面站软件，飞行信息可以叠加在航拍图像上。

7.2.1地面站硬件,需要操纵的也是两部分：

（1）多旋翼本身的飞行；

（2）任务载荷。

对大型无人机，这两部分一般分开操纵。

多旋翼的起降飞行用RC遥控器操纵；多旋翼的航线飞行一般用鼠标、键盘通过地面站软件操纵；任务载荷通过另一台RC遥控器操纵。

这两个遥控器分别操纵飞机与任务载荷，也称为“双控”。

对小型无人机，一般用一个遥控器加上手机或屏幕。

起降飞行用RC遥控器的杆，无PC端地面站软件；任务载荷通过起降RC遥控器的旋钮或者开关控制。

也称为“单控”。

RC遥控设备的款式和种类很多，通常按其通道数分类。

我们把通行指令信号的道路叫做“通道”，如果一台遥控设备只能允许一种指令信号通行，既能发射、接收一种指令信号，那么，这台设备就只有一个通道。

模型用遥控设备有两通道、四通道甚至十通道等多种。

按调制方式，遥控设备还可分为调幅（AM）式和调频（FM）式。

调幅比较简单实用，价格也便宜；调频式则性能可靠、稳定，不易受其它信号的干扰。

另外还有一种比调频式更高级的脉冲编码式（PCM），具有更强的抗干扰性。

7.2.1地面站硬件,用于通信的硬件包括RC遥控发射机、数据链路地面模块。

由于地面站与飞行器是通过数据链路实现通信的，这部分硬件也可以被划分到数据链系统中。

7.2.2地面站软件,简介：

地面站软件是地面站的重要组成部分。

驾驶员通过地面站系统提供的电脑屏幕、鼠标、键盘、按钮等硬件来与地面站软件进行交互。

可以在任务开始前预先规划航线；飞行过程中对飞行器进行实时监控和干预；任务完成后对飞行信息进行回放分析。

以MissionPlanner为例介绍无人机地面站软件的功能，以及软件的基本设置与调试。

1.MissionPlanner简介,MissionPlanner地面站程序由MichaelOborne开发，应用于采用APM开源飞控的无人飞行器。

MissionPlanner的主要功能有：

使用GoogleMaps进行即点即得的航点输入：

直接在GoogleMap上电机任意某处，即可实现飞机向所点坐标的自主飞行，同时自主调整飞行高度和飞行速度。

下载任务日志然后分析：

对于某些任务比如航拍，摄影师可以通过下载任务日志来改进下次航拍的路线。

配置APM飞控的各项参数。

可以作为二次开发的平台，有很强的可扩展性：

随着MissionPlanner的开发者越来越多，这款软件可以支持很多非APM的飞控，并且以MissionPlanner为平台可以扩展出很多应用类型。

从APM的串口终端监控飞行器的飞行状态：

这个功能对驾驶员实时掌控飞机有非常重要的作用，通过APM的串口终端可以监控飞行器的电机转速、电量、速度等一系列重要指标。

2.MissionPlanner基本设置与调试,熟悉界面固件安装遥控器校准加速度校准罗盘校准飞行模式设置,2.MissionPlanner基本设置与调试,

（1）熟悉界面新版MissonPlanner已将大部分菜单汉化，非常贴合中国用户。

主界面左上方为八个主菜单按钮，飞行数据实时显示飞行姿态与数据；飞行计划是任务规划菜单；初始设置用于固件的安装与升级以及一些基本设置；配置调试包含了详尽的PID调节，参数调整等菜单；模拟是给APM刷入特定的模拟器固件后，将APM作为一个模拟器在电脑上模拟飞行使用；终端是一个类似DOS环境的命令行调试窗口，功能非常强大。

主界面右上方是端口选择、波特率以及连接/断开按钮（connect/disconnect）。

2.MissionPlanner基本设置与调试,

（2）固件安装APM拿到手后首先要做的就是安装用户自己需要的固件，虽然卖家在销售前可能会安装固件，但是未必符合用户要求，所以用户需要学会刷新APM的固件。

：

固件安装前请先连接APM的USB线到电脑（其它的可不用连接），确保电脑已经识别到APM的COM口号后，打开MissionPlanner（以下简称MP），在MP主界面的右上方端口选择下拉框那里选择对应的COM口，一般正确识别的COM口都有ArduinoMega2560标识，直接选择带这个标识的COM口，然后波特率选择115200，注意：

请不要点击connect连接按钮，固件安装过程中程序会自行连接。

如果你之前已经连接了APM，那么请点击Disconnect断开连接，否则固件安装过程中弹出错误提示。

另外请注意：

请不要用无线数传安装固件，虽然无线数传跟USB有着同样的通信功能，但它缺少reset信号，无法在安装固件的过程中给2560复位，会导致安装失败。

2.MissionPlanner基本设置与调试,

（2）固件安装:

点击Installsetup（初始设置），MP提供了两种方式升级安装固件，一种是InstallFirmware手动模式，另外一种是Wizard向导模式，Wizard向导模式会一步一步的以对话方式提示你选择你对应的飞控板、飞行模式等参数，虽然比较人性化，但是有个弊端，向导模式会在安装过程中检索你的端口，如果检索端口后，因电脑性能的差异，端口没有有效释放的话，后续的固件烧入会提示不成功，所以使用向导模式升级安装固件的话出错概率比较大，建议用户使用InstallFirmware手动模式安装。

2.MissionPlanner基本设置与调试,

（2）固件安装：

点击InstallFirmware，窗口右侧会自动从网络下载最新的固件并以图形化显示固件名称以及固件对应的飞机模式，用户只需要在对应的飞机模式的图片上点击，MP就会自动从网络上下载该固件，然后自动完成连接APM写入程序校验程序断开连接等一系列动作，完全无需人工干预。

如果用户想使用一个历史版本的固件，那么请点击右下角BetafirmwarepickpreviousFirmware处，点击后会出现一个下拉框，用户只要在下拉框里选择需要的固件就行了。

3.1版本以后的固件在安装完后都会先弹出一个警告提示框。

这是在提醒用户