关于无人机飞行路线控制系统的研究及应用

关于无人机飞行路线控制系统的研究及应用

蒋雪莲、韦知龙、张万泰、韦木林、植楚琪、韦宏图

摘要：目前，无人机在很多领域都得到了广泛的应用，发挥着各种重要的生产力作用。针对传统无人机控制采用目视控制的方式，要求操作人员具有一定的操纵技术，同时技术人员控制端与无人机之间还受到距离限制等问题。本项目致力于打造一款成本低、遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统，用于服务军事领域、气象探测、农业保植、新闻采访、遥感测绘等各个领域，并不断地融入新的行业应用。

关键词：无人机、飞行路线控制系统、气象探测、农业保植

1.研究背景

由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务，具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点，因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。但是飞行控制还主要采用目视控制的传统控制方式，它要求操作人员达到一定的操纵技术标准，同时技术人员控制端与无人机之间还受到距离限制，不能实现在广域环境下对无人机任意距离的无线控制。

针对以上现状，本项目采用GPS技术和BDS技术互补的高精度空间定位技术，创新性地设计并绘制带高层信息的二点三维矢量地图，实现智能化和可视化地控制无人机飞行的控制系统。

2.系统介绍

2.1系统概述

该系统包括两大部分，一部分是操作人员所处的地面监控系统，一部分是无人机端的受控系统，实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统，地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员，操作人员结合本次飞行任务，采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线，地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统，无人机受控系统接收到位置控制信息帧，不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息，从而遥控无人机按照预定路线飞行。空地两端系统的通信连接采用近距离的无线数传电台和远距离的GPRS两种通信技术结合的方式，实现广域环境下低费用的双向通信。

地面监控系统：地面监控系统部分主要是在Windows操作系统上，采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MS Com串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计，实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等，其中实验区域的电子地图采用Map info Professional开发软件绘制完成，并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图，而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。

无人机飞行路线控制系统：使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位，采用双串口单片机进行运算控制处理，实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到，另外采用LCD显示输出控制信息。

2.2系统特点

适用性广。由于系统实现的是有关飞行行进的基础化控制，可以根据需要向系统嵌入其它任务控制功能，适用于各类无人机。

监视与控制于一体。监视和控制都具有较强的实时性，操作人员在任何时刻都可获取无人机的位置信息，并对飞行路线迅速做出控制或改动操作。

经济高效。由于操作人员只需呆在远处对无人机的飞行进行遥控，省去了驾驶人员的具体操作，从长远来看更加经济，并且繁琐的驾驶控制由系统高速的完成，提高了准确性和效率性。

安全。不再需要驾驶人员亲自驾驶无人机进行飞行，当需要飞往某些危险区域中执行飞行任务时，操作人员只需要安全地待在远处的地面监控中心便可清楚地监视和可靠地控制无人机飞行前进。

创新型二点三维地图。采用纵向和横向的双向导航，二点三维地图呈现一般二维地图的简洁清晰的平面展示效果。

高精度定位及强抵抗干扰能力。采用全球卫星地位系统（GPS）和北斗导航卫星定位系统（BDS）双星定位系统方式作为空间定位技术。提高接收灵敏度、定位精度以及抵抗外界的干扰能力、覆盖范围广。

3.市场分析

3.1市场背景

随着无人机产业链配套逐渐成熟、硬件成本曲线不断下降和市场价格的降低，消费级无人机的客户群体从小众拓展至大众，客户规模呈现指数级增长，无人机正在应用到涉及国计民生的很多领域，发挥着各种重要的生产力作用。而国内外已研发出各种用于无人机飞行路线控制的导航系统，但这些系统大都具有独特性和保密性，适配于各自研发的传输通信系统并且不提供关键技术源码，所以为了实现对自制研发的无人机进行有效的飞行路线控制导航，保证无人机能够完成相应的飞行任务，很有必要对无人机飞行路线控制系统继续进行研究和设计。

3.2市场痛点

目前，无人机的飞行控制还主要采用目视控制的传统控制方式，即在视距范围内，操作控制人员需不停地观察无人机的飞行位置，同时手动控制手中的操纵杆或遥控器以实现无人机的前后左右上下的飞行控制，这种控制方式具有很大的局限性，它要求操作人员达到一定的操纵技术标准，同时技术人员控制端与无人机之间还受到距离限制，不能实现在广域环境下对无人机任意距离的无线控制。无人机飞行路线控制系统综合研究设计，适用于各大中小类型无人机，通过智能控制功能突破了传统操控方式的局限性，降低人工成本，可以使无人机运行更加灵活、便捷，更大的程度上地满足无人机用户需求。

3.3目标市场

本项目的目标市场主要定位在气象探测、农业、遥感测绘等领域。据调研显示，中国无人机主要应用在灾害救援、地图测绘等领域。在无人机的大量运用的背景之下，部分企业对无人机进行探索,出现了低端民用小型无人机，产品主要用于科研,面向市场销售的成熟产品较少。随着市场开始向民用“渗透”,使用要求不断地提高以及突破目视控制，手动控制的局限。

4.商业模式

4.1客户定位

本项目致力于服务军气象探测、农业、遥感测绘等领域的研发机构，并不断地融入新的行业应用，解决在洪水、旱情、森林大火等自然灾害的实时监测和评估、飞行状态信息的采集、农作物长势监测与估产等问题。

4.2产品推广

联合推广。与大型的无人机产商合作，让他们免费试用我们的无人机飞行路线控制系统，让产商体验到我们系统的稳定性、方便快捷性能。

平台推广。与学校新媒体合作，为其提供免费产品试用，让学校新媒体体验无人机飞行路线控制系统的方便性，让我们的“无人机飞行路线控制系统”在学校范围内推广开。

与本地气象局合作，为气象局提供免费产品试用，让他们更方便勘察各个地方的气象情况并向当地农户提前通报气象信息，减少天气对农业带来的自然灾害。

5盈利模式

5.1合作营销

与大型无人机产商进行营销合作，解决无人机制造商产品性价比不高、用户使用感知不好的问题。同时也给无人机飞行路线控制系统起到一个良好的宣传效果。

5.2数据盈利

通过控制无人机飞行路线采集到天气数据、地理数据、图像数据等等，将数据提供给气象局、地理研究所、广电局等研究机构获利。例如：由于贺州地区天气多变，本项目与贺州市气象局合作采用无人机飞行路线控制系统采集天气状况信息，从而实时更新气象信息，将极大方便人们的日常生活、生产和工作。

总结

随着该系统的广泛应用，该系统将极大方便人们的日常生活、生产和工作。未来项目将依托贺州学院信息与通信工程学院电子创新基地不断优化系统参数，设计性价比更高的控制系统，符合日新月异的市场需求。打造一款成本低、遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统。

参考文献：

[1]邓荣军.2015.基于GPS导航无人机巡航指挥系统设计[D].武汉:武汉科技大学.

[2]朱超平.2013.电子地图制作方法与技术研究[J].电子世界，(22):175-175.

[3] 熊春宝，尹建中,贺奋琴.2014. 地理信息系统原理及工程应用[M].天津:天津大学出版社,16- 41.

[4] 马庆禄.2014.车辆定位与导航系统[M].长沙:中南大学出版社，23-26.

作者简介：蒋雪莲，目前就读于贺州学院信息与通信工程学院本科专业。基金项目：2018年贺州学院“自强杯”创新创业大赛项目，“无人机飞行路线控制系统”编号：20190005。

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