无人机地面站系统设计与开发
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摘要
随着无人机系统的快速发展，无人机地面控制站作为整个无人机系统的中心环节也在不断的更新发展。本文结合“无人机地面半实物实验验证模拟平台设计”项目，从地面控制站系统的功能要求和性能要求两方面对半实物实验验证系统中的地面控制站子系统的各项功能进行了详细的设计，主要研究内容包括地面控制站子系统设计、地面控制站控制台设计、地面控制站内各模块间的数据通讯和协调工作。
论文首先从地面半实物实验验证系统的整体结构出发，对全系统做了概括性的描述，提出了半实物实验验证系统对地面控制站子系统的功能和性能要求，基于这些要求，文中给出了实现地面控制站的三种实现方案，在对这三种方案进行了对比后，选择了最优的一种作为了最终的实现方案。通过对该方案的硬件和软件两方面进一步的详细论述，论文给出了地面控制站的总体框架设计。
论文接着给出了地面控制台的设计，在这一部分里，先给出了地面控制站子系统对控制台的性能要求，按照这些要求，对控制台的总体设计进行了论述，然后将总体分成了几个主要的功能模块。在对控制台的各功能模块进行了详细的描述后，给出了各个功能模块的具体的软件实现流程，通过实验过程中的数据对这些模块的性能作了细致的分析。文中论述的主要模块有控制台内部控制模块实现、控制台内部通讯模块实现、控制台外部通讯模块实现。
论文最后对地面控制站的整体实现作了介绍，通过在线和离线两种方式对控制台的整体性能进行了分析，通过这些性能分析，验证了控制台的各项功能及其优点。
With high speed development of UAVS, as the central part of the UAVS,GCS (ground control station) also have a continuous development. Combined with the project of "design of simulation platform for UAV ground half- physical verify system", design the functions of GCS not only from the function but also from the capability, and give a particular description of these functions and capabilities, actualize the design of GCS .control station of GCS, data communication and correspond work of each module in the GCS, at the same time apply the GCS to the UAV ground half- physical verify system and also get much more fine impression.
First, the paper begin with the macrocosm of the UAV ground half- physical verify system, give a generalize description of the system, based on the description, summarize the functional and capabilitical require of the GCS which UAV ground half- physical verify system take. With these requirement, advance three projects for the GCS, choose the suitable one from the three as achieve project.
Then, through the completed plan of Ground control station, this thesis detailed describe the realizable project about software and hardware of Ground control station.. The design of the Ground control station which is the most import part been showed at the end in this article. The control station qua the important part of the whole Ground control station, besides create the mechanism of the data communication between the control station and other module of the GCS system , also with responsibility for inside modules communication correspond work data arrangement and other functions in the GCS. Combined with the different module have different function, introduce design of software and hardware of the control station particularly and the frame of the entire software system. Then, though the description of the function module advance programme flow for each module.
At last, with many simulation experiment, give the capability analyze of control station, though the important module capability analyze, show the result analysis of these module. Then with the capability analyze of the whole system, get the capability of control station, verify each function and advantage of the control station.
论文首先从地面半实物实验验证系统的整体结构出发，对全系统做了概括性的描述，提出了半实物实验验证系统对地面控制站子系统的功能和性能要求，基于这些要求，文中给出了实现地面控制站的三种实现方案，在对这三种方案进行了对比后，选择了最优的一种作为了最终的实现方案。通过对该方案的硬件和软件两方面进一步的详细论述，论文给出了地面控制站的总体框架设计。
论文接着给出了地面控制台的设计，在这一部分里，先给出了地面控制站子系统对控制台的性能要求，按照这些要求，对控制台的总体设计进行了论述，然后将总体分成了几个主要的功能模块。在对控制台的各功能模块进行了详细的描述后，给出了各个功能模块的具体的软件实现流程，通过实验过程中的数据对这些模块的性能作了细致的分析。文中论述的主要模块有控制台内部控制模块实现、控制台内部通讯模块实现、控制台外部通讯模块实现。
论文最后对地面控制站的整体实现作了介绍，通过在线和离线两种方式对控制台的整体性能进行了分析，通过这些性能分析，验证了控制台的各项功能及其优点。
With high speed development of UAVS, as the central part of the UAVS,GCS (ground control station) also have a continuous development. Combined with the project of "design of simulation platform for UAV ground half- physical verify system", design the functions of GCS not only from the function but also from the capability, and give a particular description of these functions and capabilities, actualize the design of GCS .control station of GCS, data communication and correspond work of each module in the GCS, at the same time apply the GCS to the UAV ground half- physical verify system and also get much more fine impression.
First, the paper begin with the macrocosm of the UAV ground half- physical verify system, give a generalize description of the system, based on the description, summarize the functional and capabilitical require of the GCS which UAV ground half- physical verify system take. With these requirement, advance three projects for the GCS, choose the suitable one from the three as achieve project.
Then, through the completed plan of Ground control station, this thesis detailed describe the realizable project about software and hardware of Ground control station.. The design of the Ground control station which is the most import part been showed at the end in this article. The control station qua the important part of the whole Ground control station, besides create the mechanism of the data communication between the control station and other module of the GCS system , also with responsibility for inside modules communication correspond work data arrangement and other functions in the GCS. Combined with the different module have different function, introduce design of software and hardware of the control station particularly and the frame of the entire software system. Then, though the description of the function module advance programme flow for each module.
At last, with many simulation experiment, give the capability analyze of control station, though the important module capability analyze, show the result analysis of these module. Then with the capability analyze of the whole system, get the capability of control station, verify each function and advantage of the control station.
引文
【1】张德发、业胜利等，飞行控制系统的地面与飞行试验，国防工业出版社，2003年1月．
【2】[美]Paul G．Fahlstrom，Thomas J．Gleason，无人机系统导论，电子工业出版社，2003年9月．
【3】王先培，王泉德．测控系统通信与网络教程．武汉大学出版社，2004年7月．
【4】任泰明，TCP／IP协议与网络编程，西安电子科技大学出版社，2004年4月．
【5】[美]Jeffrey Richter，Windows高级编程指南(第三版)，清华大学出版社，1999年6月．
【6】吴岳华，Windows风格的实时测控软件系统——设计与实现研究，西北工业大学硕士论文，2001年3月．
【7】聂勇，实时系统及其应用研究，西北工业大学硕士论文．2002年3月．
【8】刘巧珍、裘丽华等，分布式实时仿真平台设计，仪器仪表学报，2004．8第25卷第4期增刊
【9】康凤举，现代仿真技术与应用，国防工业出版社，2001年9月．
【10】刘巧珍、裘丽华等，机载机电系统综合管理分布式仿真平台设计，系统仿真学报，2005年3月第17卷3号
【11】王亮、吴成富，某型无人机地面半实物仿真试验控制台系统设计，弹箭与制导学报，2006年第1期
【12】李运涛、王庸贵、刘继平，一种实时数据采集和监控系统，中国测试技术，2004，1(1)：25-27
【13】张会生、刘华立、刘峻，半物理仿真系统中定时及数据通讯研究，测控技术，2002．21(9)：60-62
【14】孙晓云、郭立炜等，基于LabWindows／CVI的虚拟仪器设计与应用，2005 年7月
【15】谭浩强，C程序设计，清华大学出版社，2001年8月．
【16】李艳、周旗、翁湘英，无人机地面监测系统，测控技术，1993第12卷第3期
【17】黄定华、孙炳达，嵌入式系统中的软件设计技术—C语言程序设计，工业控制计算机，2001．14 3-6
【18】徐晓刚、高兆法，Visual C++6.0入门与提高，清华大学出版社，1999年5月．
【19】胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，1991年．
【20】徐甲同、陆丽娜等，计算机操作系统教程，西安电子科技大学出版社，2001年．
【21】雷震甲，计算机网络，西安电子科技大学出版社，1999年2月．
【22】郝文化，Windows多线程编程技术与实例，中国水利水电出版社，2005年10月．
【23】张毅刚、乔立岩等，虚拟仪器软件开发环境Lab Windows／CVI6.0编程指南，机械工业出版社，2002年8月．
【24】张明廉，飞行控制系统，国防工业出版社，1984年．
【25】郭向勇、吴光斌、赵怡滨，千兆位以太网组网技术，电子工业出版社，2002年12月．
【26】徐士良著．C常用算法程序集．清华大学出版社，1994年．
【27】吴益明、卢京潮、魏莉莉、潘文平．无人机地面站控制站系统的应用研究，航空精密制造技术，2006年3期
【28】张明廉，飞行控制系统，国防工业出版社，1984年．
【29】吴佳楠，飞行控制系统设计仿真一体化平台研制，西北工业大学硕士论文，2002年7月．
【30】田峰、杜洪根，无人机地面站控制系统设计，计算机测量与控制，2005年11月
【31】龚建平，Visual C++／Turbo C串口通信编程实践，电子工业出版社，2004 年．
【32】王晓春，刘兴东，嵌入式实时操作系统任务的同步与互斥机制，计算机测量与控制．2004．12(6)578-580
【33】杨涤等，系统实时仿真开发环境与应用，清华大学出版社，2002年10月．
【34】严晞隽，可靠飞行控制系统设计研究，北京航空航天大学博士论文，2003年．
【35】门永平，PCI接口卡设计中的关键技术与实现，西北工业大学硕士论文，2002年7月．
【36】刘波、卢京潮、吴益明，无人机地面导航站系统设计与实现，计算机测量与控制，2006年12月．
【37】吴益明、卢京潮、魏莉莉、段镇，基于GIS的无人机航迹系统的设计与实现，弹箭与制导学报，2006年第2期．
【38】易华辉、宋笔锋、王远达，无人机控制站人机界面设计可靠性的综合评判，人类工效学2006年，第01期．
【39】张为华 王中伟 齐照辉，无人机自动回收控制系统设计，航空计算技术，2003年，第03期．
【40】于斌 帕孜来·马盒木提 李新勤，卫星地面站计算机监控系统，计算机应用，2002年，第02期．
【41】佟璟 余德义，基于虚拟现实的无人机地面监控仿真系统，工业控制计算机，2005年，第02期．
【42】路蔼梅 李新军 何进 王松，一种无人机通用综合检测系统，北京航空航天大学学报，2006年，第01期．
【43】王顶 许家栋 杨川，UAVS通信协议模块的设计与实现，信息安全与通信保密，2006年，第03期．
【44】曲东才，陈伟良，陈琪，张睿智，无人机控制站交互性操作的标准化接口技术，飞机设计．
【45】李新勤 帕孜来 于斌，计算机监控系统在卫星地面站中的应用，微计算机信息，2002年，第03期．
【46】李志强、尚朝轩、马彦恒，无人机地面站中遥测数据信号采集预处理系统的设计，电子技术应用，1998年第8期．
【47】赵琦、张晓琳，一种无人直升机监控系统的仪表设计，遥测遥控，2000年1月第2卷第1期．
【48】匡魏、张晓林，直接内存访问技术在无人机地面站遥测数据采集中的应用，遥测遥控，2000年11月第21卷第6期．
【49】于金华，无人机通用化地面站技术．制导与控制．
【50】王聪化、孙杰、林宗坚，无人飞行器测控信息管理系统的研究与设计，测绘科学，2005年8月第30卷第4期．
【51】Mahyar Malekpour, Wilfredo Torres, Characterization of A Recoverable Flight Control Computer System, Proc. IEEE International Conference on control Applications, 1999 August 22-27, pp 1519-1524.
【52】M.Kersken,F.Saglietti.SoftWareFaultTolerance,Springer-Vertag.
【53】Patton R J, Hou M.Design of Fault Detection and Isolation Observers: A Matrix Pencil Approach .Automatica, 1998,34(9): 1135-1140
【54】Moerder D D, et al.Application precomputed control laws in a recongfigurable aircraft flight control system. J.Guid.,Con.&Dyn., 1989,12(3):325-333.
【55】Fault detection and identification in dynamic systems with noisy data and parameter/modeling uncertainties. Laurian Dinca, Tunc Aldemir, Giorgio Rizzoni, Relian\bility Engineering &System Safety65(1999)17-28, S0951-8320(98)00077-05.
【56】G.Manimaran multiprocessor and C.Siva Ram Murthy, A fault-tolerant dynamic scheduling algorithm for real-time Systems,vol.9,no. 11, Nov. systems and its analysis IEEE Trans. Parallel and Distributed 1998.
【57】Blank M. et al. fault tolerant control systems: a holistic view ,Control Eng. Practice, 1997,5(5): 693-702.
【58】Zhou D H ,Frank P M.Fault Diagnostics and Fault Tolerant Control .IEEE trans, On Aerospace and Electronics Systems,1998,34(2):420-427
【59】Tom Sadeghi, William Harris, RealTime Executive Kernel And Fault Management Tools, IEEE 1995, pp 392-398.
【60】Bruce K. Walker, Norman M. Wereley, Effects of Redundancy Management on Reliability Modeling, IEEE Trans. Reliability, Vol. 38, NO. 4, 1989 October.
【61】Y.C. (Bob) Yeh, et al. Triple-triple Redundant 777 Primary Flight Computer, AIAA Journal of Guidance, Vol. 6, No. 2, 1996..
[62] Moerder D D, et al. Application precomputed control laws in a reconfigurable aircraft flight control system. J.Guid., Con. &Dyn., 1989,12(3):325-333
[63] Robert D.analyticalPoyneer, fault tolerant digital flight control using redundancy, NAECON,77.
[64]Walter Oney Programming the Microsoft Windows Driver Model Microsoft Press . 1999.35-180.
[65] Hardware-Assisted Software Clock Synchronization for Homogeneous Distributed Systems, IEEE Tran.on Computer, 19
[66] Micbael Barr Programming in Enable Systems in C and C++[M]. Reilly -Press 2000.
[67] Reliability Modeling of Life-Critical, Real-Time Systems, Proceedings of the IEEE, 1994.
[68] Hardware-Assisted Software Clock Synchronization for Homogeneous Distributed Systems, IEEE Tran.on Computer, 19
[69] Kristina Ahlstrom, Jan Torin, Future Architecture For Flight Control Systems, IEEE 20th Digital Avionics Systems Conference, 2001. pp 1.B.5-1—1.B.5-10.
[70] Dittmar C J. A hyperstable model following flight control system used for reconfiguration following aircraft impairment. In: Proc. of American Control Conference, 1988. 2219-2214
[71] LabWindows/CVI Help, National Instruments Corporation.
【2】[美]Paul G．Fahlstrom，Thomas J．Gleason，无人机系统导论，电子工业出版社，2003年9月．
【3】王先培，王泉德．测控系统通信与网络教程．武汉大学出版社，2004年7月．
【4】任泰明，TCP／IP协议与网络编程，西安电子科技大学出版社，2004年4月．
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[62] Moerder D D, et al. Application precomputed control laws in a reconfigurable aircraft flight control system. J.Guid., Con. &Dyn., 1989,12(3):325-333
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[64]Walter Oney Programming the Microsoft Windows Driver Model Microsoft Press . 1999.35-180.
[65] Hardware-Assisted Software Clock Synchronization for Homogeneous Distributed Systems, IEEE Tran.on Computer, 19
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