民用無人機(jī)地面站發(fā)展的分析研究

何松儒 周超 葉佳 賈平法

摘要：簡要概括了無人機(jī)地面站自產(chǎn)生到現(xiàn)在的發(fā)展過程，介紹了國內(nèi)外典型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)性能，歸納對比了不同種類的民用無人機(jī)地面站的特點(diǎn)，闡述了當(dāng)今民用無人機(jī)地面站的結(jié)構(gòu)框架和核心功能。最后提出了民用無人機(jī)地面站發(fā)展的一些新思路。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);地面站;發(fā)展;分析

中圖分類號：V11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0227-03

0 引言

民用無人機(jī)因具有功能豐富、機(jī)動靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為諸多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，幾乎每個國家都在發(fā)展自己的無人機(jī)產(chǎn)業(yè)，這也加速了世界范圍內(nèi)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。無人機(jī)地面站軟件是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，可以在無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制功能中發(fā)揮重要作用[1]。地面站軟件能夠使地面人員實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的控制與管理，其重要性在其發(fā)展和應(yīng)用過程中逐漸被人們認(rèn)識和重視。由于當(dāng)今民用無人機(jī)的控制系統(tǒng)、制造生產(chǎn)設(shè)置等不同，因此不同的無人機(jī)具有自己專用的地面站軟件，以實(shí)現(xiàn)和提高對無人機(jī)的飛行監(jiān)測和操控能力。一般來說，地面站系統(tǒng)硬件部分包含地面站計算機(jī)、通信數(shù)據(jù)鏈路和輔助操控設(shè)備等，配合相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和操作[2]。無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力，不僅取決于無人機(jī)設(shè)備本身的性能，還取決地面人員利用地面站軟件對無人機(jī)進(jìn)行的遙控和指揮。目前，關(guān)于無人機(jī)地面站系統(tǒng)的研究有很多，先后出現(xiàn)了各種適用于不同無人機(jī)的地面站系統(tǒng)。本文簡要地回顧了無人機(jī)地面站的發(fā)展歷史，并對一些具有代表性的地面站系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

1 無人機(jī)地面站的發(fā)展

無人機(jī)最初被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中，因此最初的無人機(jī)地面站也出現(xiàn)在軍事領(lǐng)域中，之后隨著無人機(jī)技術(shù)在民用領(lǐng)域的發(fā)展，逐漸發(fā)展出相應(yīng)的的民用無人機(jī)地面站系統(tǒng)。

從1917年，世界上第一架無人機(jī)在英國伍爾維奇軍械學(xué)院研制成功，到20世紀(jì)30年代，由于科技水平的限制，人類尚未發(fā)展出能夠在地面對無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測、遙控的設(shè)備系統(tǒng)，只能夠使用簡單設(shè)備和儀器實(shí)現(xiàn)類似的簡單功能。1918年3月6日，人類歷史上首次無人機(jī)飛行由美國海軍研制的“柯蒂斯”完成，該飛機(jī)利用陀螺儀指示方向，無液氣壓表指示高度，飛行距離達(dá)到900m。1933年1月，英國空軍成功試飛了由標(biāo)準(zhǔn)“費(fèi)爾雷”ⅢF水上偵察機(jī)改裝成“費(fèi)爾雷·昆士”無線電遙控飛機(jī)[3]。早期的無人機(jī)用于軍事領(lǐng)域，普遍被視為一種類似飛行炸彈的武器，所以大多利用其自帶的設(shè)備進(jìn)行簡單的控制。

20世紀(jì)50至70年代，最初的地面站系統(tǒng)出現(xiàn)在美國軍方的無人機(jī)裝備系統(tǒng)，從此地面站系統(tǒng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。美國軍方利用地面站系統(tǒng)完成了對無人機(jī)的控制，完成了各種作戰(zhàn)任務(wù)。例如，在越南戰(zhàn)爭期間，美軍無人機(jī)地面站使用預(yù)編程技術(shù)控制無人機(jī)進(jìn)行電子竊聽、無線電干擾和超低空偵查拍攝等任務(wù)。上世紀(jì)70年代，美軍開始通過地面站發(fā)送控制命令，遠(yuǎn)程控制無人機(jī)，在夜間執(zhí)行精確的偵察任務(wù)[4]。

20世紀(jì)90年代，經(jīng)過預(yù)編程序控制無人偵察機(jī)、命令遙控?zé)o人偵察機(jī)和復(fù)合控制多用途無人機(jī)等發(fā)展階段，軍用無人機(jī)技術(shù)日趨成熟，性能不斷提高。美國西方國家設(shè)計并采用了以“捕食者”無人機(jī)地面站為代表的多功能無人機(jī)地面站。此時，地面站系統(tǒng)設(shè)計開始向集群化、功能智能化發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，軍用無人機(jī)的微型化設(shè)計趨勢催生了民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)，無人機(jī)地面站系統(tǒng)進(jìn)入了高速發(fā)展的時代。2010年8月Michael Oborne發(fā)布了Mission Planner開源地面站軟件[5]。另一當(dāng)前主流的開源地面站軟件QGroundControl在2011年被發(fā)布在開源社區(qū)。幾乎占據(jù)當(dāng)前全球消費(fèi)級微型無人機(jī)市場的中國DJI公司（大疆創(chuàng)新）、法國Parrort公司、美國3DR公司也陸續(xù)發(fā)布了與自家無人機(jī)匹配的電腦端無人機(jī)地面站軟件。隨著便攜智能設(shè)備的普及，各大公司也紛紛發(fā)布平板電腦端、智能手機(jī)端的無人機(jī)地面站應(yīng)用[6]，例如，2014年P(guān)arrort公司發(fā)布了Windows平板電腦端的無人機(jī)地面站應(yīng)用AR.FreeFlight，2017年大疆公司發(fā)布了專業(yè)版地面站軟件DJI GS Pro，使用iPad可以自動控制無人機(jī)以“區(qū)域模式”和“環(huán)繞模式”兩種模式進(jìn)行測繪飛行，并借助3D建模軟件生成3D地圖。

2 無人機(jī)地面站現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外典型無人機(jī)地面站介紹

（1）Mission Planner。Mission Planner地面站是一款基于 Mavlink通信協(xié)議協(xié)議的開源地面站軟件，由Michael Oborne開發(fā)，支持多種類型的自駕儀，如固定翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)以及自駕車等。Mission Planner地面站的功能十分全面，既可以讓普通玩家實(shí)現(xiàn)簡便地對無人機(jī)的操控，也可以供專業(yè)人員對飛控的復(fù)雜參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。地面站通過Xbee無線數(shù)傳電臺與無人機(jī)相連時，控制距離超過1600米[7]，地面站可以實(shí)時監(jiān)測并顯示無人機(jī)的飛行參數(shù)以及GPS定位信息，采用GMap模塊對無人機(jī)進(jìn)行定位和航跡現(xiàn)實(shí)，同時也可以使用地面站想無人機(jī)發(fā)送控制指令，支持對無人機(jī)進(jìn)行航線規(guī)劃，并支持一臺地面站系統(tǒng)控制多架無人機(jī)。Mission Planner地面站如圖1所示。

（2）大疆地面站。大疆公司開發(fā)的地面站系統(tǒng)是專門供大疆無人機(jī)使用的專門配套軟件，如圖2所示，地面站系統(tǒng)使用獨(dú)特的3D圖形操作界面，直觀便捷易上手，與其他表現(xiàn)形式單一、重點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示的地面站系統(tǒng)形成鮮明對比。得益于大疆公司在飛控芯片領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，配合獨(dú)特的飛行控制算法，地面站可以使飛行器始終保持飛行穩(wěn)定性、機(jī)動性和精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)遇險自動返航、一鍵返航、自主起飛降落等功能。大疆地面站可以按照任務(wù)計劃規(guī)劃整個飛行航線，預(yù)先設(shè)置拍照、空投等作業(yè)動作點(diǎn)，即使在飛行任務(wù)執(zhí)行期間，仍然可以重新編輯任務(wù)，修改飛行航線或航點(diǎn)屬性，實(shí)時調(diào)整飛行任務(wù)目標(biāo)。與其他地面站平臺相比，大疆地面站大大減少了規(guī)劃飛行任務(wù)的復(fù)雜度，節(jié)省了時間，提高了準(zhǔn)確率，同時也支持鍵盤或自定義搖桿飛行控制不同的操作方法。