【無(wú)人測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計(jì)4600字（論文）】

無(wú)人測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u11521無(wú)人測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計(jì) 129415摘要 113941緒論 1224711.1研究背景 1242781.2研究意義 2152812過(guò)程測(cè)控的發(fā)展?fàn)顩r 2190662.1.第一階段 2316882.2.第二階段 296832.3第三階段 2104983航天測(cè)控?zé)o人系統(tǒng) 3107373.1測(cè)控系統(tǒng)的整體架構(gòu) 372623.2無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)硬件 3264623.3航天測(cè)控軟件功能架構(gòu) 4229633.4航天測(cè)控軟件操作 466923.5測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理圖 57732總結(jié) 624267參考文獻(xiàn) 7摘要隨著我國(guó)無(wú)人測(cè)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展,航天測(cè)控自動(dòng)化和數(shù)字化的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)的中得到了普遍的使用,并促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。當(dāng)前的無(wú)人測(cè)控系統(tǒng)不僅要有高效率的工作要求,還要有連續(xù)性和準(zhǔn)確度較高的過(guò)程控制,為了今后航天測(cè)控的技術(shù)應(yīng)用能夠較好的滿足生產(chǎn)要求。本文闡述了自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、組成成分和應(yīng)用情況以及實(shí)例，來(lái)對(duì)無(wú)人測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行介紹，希望能幫助這個(gè)技術(shù)在現(xiàn)代化測(cè)控系統(tǒng)得到持續(xù)的優(yōu)化。關(guān)鍵詞：自動(dòng)、測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)1緒論研究背景在傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)中，地面操控者從指令數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取指令通過(guò)無(wú)線電通訊來(lái)控制相關(guān)飛機(jī)飛行，與此同時(shí)，飛機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)和自身狀態(tài)信息反饋給地面操控者。飛行任務(wù)的成功與否完全取決于地面操控者與無(wú)人機(jī)之間持續(xù)不斷的互動(dòng)和通訊鏈的可靠性，但是在不確定的動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)通訊的延時(shí)性和通訊帶寬的約束性要求設(shè)計(jì)者們研發(fā)自主式飛機(jī)系統(tǒng)。自上世紀(jì)以來(lái)，隨著微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等的發(fā)展，一些在無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展道路上曾經(jīng)難以逾越的障礙被逐個(gè)攻破。1.2研究意義當(dāng)今世界的飛機(jī)在很大程度上還需要依賴人為控制或是預(yù)編程控制，現(xiàn)有的技術(shù)手段最多只能實(shí)現(xiàn)確定環(huán)境下的自主或半自主控制，而完全意義上的自主控制應(yīng)該是在不確定環(huán)境下模擬人類的智能系統(tǒng)：五官感覺(jué)—大腦思維—四肢行動(dòng)，映射到飛機(jī)系統(tǒng)即為機(jī)載傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知—任務(wù)測(cè)控規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行管理決策—機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作，而這尚處于理論研究階段。2過(guò)程測(cè)控的發(fā)展?fàn)顩r2.1.第一階段最初的第一階段的過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)式以經(jīng)典的控制理論當(dāng)作基礎(chǔ)，也即是用傳遞函數(shù)，用數(shù)學(xué)來(lái)敘述，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基本方法為根軌道法和頻率法。而通常的處理手段式，把一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程拆分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，然后再使用但輸入、單輸出的控制系統(tǒng)。測(cè)控的目標(biāo)將重點(diǎn)放在維持整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的正常使用以及安全問(wèn)題，要想實(shí)現(xiàn)這樣的目的需要的是單個(gè)傳感器、控制器以及執(zhí)行器。在這一階段的自動(dòng)化水平還是處于水平比較低的階段。2.2.第二階段隨著社會(huì)的發(fā)展過(guò)程已經(jīng)大規(guī)?；?，向著連續(xù)性方向開(kāi)始發(fā)展，原先的簡(jiǎn)單測(cè)控的模式已經(jīng)不能夠符合現(xiàn)在的要求。此時(shí)的現(xiàn)代測(cè)控理論，更好的提供了理論基礎(chǔ)。用狀態(tài)空間法和最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)識(shí)別，用極大值的原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)的優(yōu)化控制和用爾曼濾波理論做為中心的最優(yōu)估計(jì)三部分。分析方法是從外部現(xiàn)象，再深入發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，先做到局部的控制，再完成全面的最優(yōu)的控制。直接數(shù)字控制與監(jiān)督計(jì)算機(jī)控作為自動(dòng)控制的工具也在當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了。2.3第三階段大規(guī)模的集成電路和未處理器的產(chǎn)生讓計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大大的增高，在這樣的背景下，研發(fā)出了具有可靠性以及靈活性的工業(yè)計(jì)算機(jī)，這是一種全新的工業(yè)測(cè)控工具。計(jì)算控制系統(tǒng)和集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、統(tǒng)一技術(shù)、圖片顯示技術(shù)相結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)給當(dāng)時(shí)提供了無(wú)窮的便利。這個(gè)階段的理論是控制理論與其他的學(xué)課相輔相成所形成的，第三代控制理論的主要內(nèi)容就是大系統(tǒng)理論以及智能控制理論。3航天測(cè)控?zé)o人系統(tǒng)3.1測(cè)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)航天測(cè)控通常分為遙控型和遙控自主復(fù)合型。所謂遙控是指地面操縱人員在視距范圍內(nèi)操縱無(wú)人機(jī)起飛、飛行和著陸，而自主飛行則不需要人為的參與，飛機(jī)在飛控系統(tǒng)的控制下按規(guī)劃好的航跡自主飛行。本文所述的屬于具有半自主能力的遙控自主復(fù)合型無(wú)人機(jī)。飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)由兩部分組成：機(jī)載飛控系統(tǒng)和地面測(cè)控系統(tǒng)。3.2無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)硬件無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)電臺(tái)及地面天線、操縱桿、發(fā)電機(jī)、1臺(tái)測(cè)控計(jì)算機(jī)、2臺(tái)終端顯示計(jì)算機(jī)、1臺(tái)外景監(jiān)視計(jì)算機(jī)、1個(gè)USB視頻采集卡、1個(gè)無(wú)線視頻接收裝置和一輛測(cè)控車(chē)組成，整套系統(tǒng)采用裝車(chē)形式。其中發(fā)電機(jī)和天線安裝在車(chē)外，發(fā)電機(jī)提供220V交流電源給測(cè)控車(chē)內(nèi)設(shè)備供電，地面天線選用高增益全向垂直極化天線，為保證較遠(yuǎn)的傳輸距離，天線頂端的架設(shè)高度應(yīng)保證在4.5m以上，饋線采用低損耗同軸電纜。機(jī)載CCD攝像機(jī)將拍攝到的實(shí)時(shí)地面圖像交由USB視頻采集卡采集，然后由外景監(jiān)視計(jì)算機(jī)來(lái)顯示，其余設(shè)備全部安裝在車(chē)廂內(nèi)。指令控制系統(tǒng)主要通過(guò)操縱桿和人機(jī)界面上的指令盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，操縱人員通過(guò)操縱桿和指令盤(pán)分別發(fā)出相應(yīng)的連續(xù)指令和離散指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止和狀態(tài)切換控制以及對(duì)無(wú)人靶機(jī)的前飛控制、高度控制、起降控制、航向控制和側(cè)飛控制。操縱人員同時(shí)也可通過(guò)終端顯示計(jì)算機(jī)1和終端顯示計(jì)算機(jī)2的顯示界面獲得無(wú)人靶機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)和實(shí)時(shí)航跡。這終端顯示計(jì)算機(jī)可以對(duì)來(lái)自飛控計(jì)算機(jī)的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，無(wú)人靶機(jī)的飛行姿態(tài)方位角、飛行高度、航向、飛行坐標(biāo)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、飛機(jī)機(jī)載電壓等參數(shù)通過(guò)虛擬的飛行儀表界面顯示，同時(shí)繪制過(guò)程曲線圖形，便于地面操縱人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解無(wú)人靶機(jī)的飛行狀態(tài)。連續(xù)指令的發(fā)送是通過(guò)地面操縱人員手動(dòng)控制操縱桿來(lái)施加連續(xù)的控制量，經(jīng)地面測(cè)控計(jì)算機(jī)接收處理后，通過(guò)上行鏈路發(fā)送至飛控計(jì)算機(jī)。圖1操縱桿右圖為右手桿，右手桿的前傾和后仰可以控制無(wú)人靶機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)，左傾和右傾可以控制無(wú)人靶機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)，左旋和右旋可以控制無(wú)人靶機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)，操縱桿還配備了4個(gè)離散指令功能鍵，為應(yīng)急、桿量保持、剎車(chē)、回收，可根據(jù)操縱人員的握法對(duì)右手桿上的按鈕進(jìn)行功能設(shè)置。左圖為油門(mén)桿，油門(mén)桿前推可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)加大，后推可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)減小，油門(mén)桿配備了2個(gè)離散指令功能鍵，為手動(dòng)油門(mén)和自動(dòng)油門(mén)，和右手桿一樣，也可進(jìn)行其他功能的設(shè)置。3.3航天測(cè)控軟件功能架構(gòu)地面測(cè)控系統(tǒng)是對(duì)無(wú)人靶機(jī)控制與測(cè)試的指揮中心，而指揮功能都是通過(guò)地面測(cè)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本文設(shè)計(jì)的地面測(cè)控軟件應(yīng)具備如下功能：完成地面測(cè)控計(jì)算機(jī)與無(wú)線數(shù)據(jù)電臺(tái)間的接口，實(shí)現(xiàn)測(cè)控信號(hào)以12.5Hz的傳輸周期實(shí)時(shí)通訊；提供各種信號(hào)的輸入界面，并提供操縱控制信號(hào)、各地面設(shè)備與測(cè)控計(jì)算機(jī)間的信號(hào)接口；提供地面操縱人員對(duì)無(wú)人靶機(jī)進(jìn)行操縱與控制的接口，使地面操縱人員能通過(guò)操縱桿和人機(jī)界面上的指令盤(pán)完成對(duì)無(wú)人靶機(jī)飛行動(dòng)作的操縱與控制；以圖形方式和過(guò)程曲線方式實(shí)時(shí)顯示飛行狀態(tài)參數(shù)和來(lái)自地面操縱人員的指令信號(hào)，這可以通過(guò)虛擬的飛行儀表界面來(lái)實(shí)現(xiàn)；能夠?qū)崟r(shí)采集無(wú)人靶機(jī)發(fā)回地面的視頻圖像，并實(shí)現(xiàn)圖像的預(yù)覽，完成圖像的保存；可根據(jù)需要載入不同地形的地圖，地面操縱人員可以通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)點(diǎn)擊來(lái)縮放移動(dòng)地圖，并可實(shí)時(shí)編輯航點(diǎn)、設(shè)計(jì)航線以保證無(wú)人靶機(jī)的機(jī)上航跡重規(guī)劃；完成飛行歷程數(shù)據(jù)的保存及后期處理。3.4航天測(cè)控軟件操作無(wú)人靶機(jī)地面測(cè)控軟件的功能主要由處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪b控遙測(cè)模塊和無(wú)線視頻圖像的傳輸模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。遙控遙測(cè)模塊又劃分為多個(gè)小的功能模塊。遙控遙測(cè)模塊通過(guò)無(wú)人靶機(jī)與地面操縱人員之間的人機(jī)交互界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)和機(jī)載攝像機(jī)將傳感器信息和地面圖像傳送到地面，地面操縱人員通過(guò)人機(jī)界面向無(wú)人靶機(jī)發(fā)送遙控指令，直觀地了解無(wú)人靶機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)和曲線以及實(shí)時(shí)航跡，并通過(guò)地面數(shù)據(jù)電臺(tái)發(fā)送上行遙控指令完成對(duì)無(wú)人靶機(jī)的操縱與控制。地面測(cè)控軟件的人機(jī)交互界面包括以下幾個(gè)部分：主控制界面。這個(gè)界面包括指令盤(pán)、當(dāng)前無(wú)人靶機(jī)狀態(tài)參數(shù)以及系統(tǒng)其他部分的功能入口。地面操縱人員可以控制無(wú)人靶機(jī)飛行，同時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人靶機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)；動(dòng)態(tài)曲線界面。動(dòng)態(tài)曲線界面通過(guò)二維曲線顯示無(wú)人靶機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢(shì)。地面操作人員通過(guò)這個(gè)趨勢(shì)圖掌握無(wú)人靶機(jī)當(dāng)前的飛行狀態(tài)和飛行趨勢(shì)，以供分析和判斷，必要時(shí)通過(guò)操縱桿或離散遙控指令人為干預(yù)無(wú)人靶機(jī)的飛行狀態(tài)；航跡—高度界面。該界面顯示了無(wú)人靶機(jī)整個(gè)飛行過(guò)程中的高度變化與航跡。主要用來(lái)分析遙測(cè)數(shù)據(jù)及衡量飛行效果；曲線回放界面。該界面用來(lái)回放飛行過(guò)程中的某項(xiàng)參數(shù)曲線。圖形界面的繪制作為一個(gè)低優(yōu)先級(jí)、同時(shí)也是比較消耗CPU時(shí)間片的任務(wù)，測(cè)控軟件將其放在一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的線程中執(zhí)行。這樣如果整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比較空閑，就能夠有更多的時(shí)間來(lái)刷新界面圖像，保持一個(gè)較高的圖像刷新率。在這樣的刷新率之下，測(cè)控軟件可以向地面操縱人員提供平滑的視覺(jué)效果。而如果系統(tǒng)比較繁忙，圖形繪制與刷新線程得不到足夠的CPU時(shí)間片，那么唯一的影響僅僅是圖形界面的視覺(jué)效果不夠平滑而已，不會(huì)影響到遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)與分析這類核心任務(wù)，最大限度的保證了測(cè)控軟件的可靠性。3.5測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理圖主線程不斷的從輸入模塊讀取用戶輸入，然后調(diào)用飛行控制模塊控制無(wú)人靶機(jī)飛行，并同時(shí)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與維護(hù)模塊讀取飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳送給飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理線程監(jiān)視串口和USB接口，使用串口通訊模塊和圖像傳輸模塊接收RS232位數(shù)據(jù)及無(wú)線視頻圖像信息，并整合成幀數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與維護(hù)模塊。圖像繪制線程不斷從飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊獲得飛行狀態(tài)并顯示在屏幕上。3個(gè)線程各司其職，互不干涉，只通過(guò)靜態(tài)模塊之間的接口進(jìn)行交互，大大增強(qiáng)了測(cè)控軟件的可靠性。圖1測(cè)控軟件示意圖測(cè)控系統(tǒng)是通過(guò)串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)與無(wú)人靶機(jī)的遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)模詫?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)地面測(cè)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈的串口通訊。測(cè)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)一般采用串行通訊的方式傳輸，其實(shí)時(shí)性和可靠性對(duì)于控制性能有著至關(guān)重要的作用，直接影響到直升機(jī)的操縱性及安全性，因而接收程序?qū)儆趶?qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)，需要考慮通訊速度、數(shù)據(jù)傳輸距離、信道品質(zhì)、數(shù)據(jù)量等多種因素。因此，在編程時(shí)采用中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)串行通訊接收程序，就是在串行口接收中斷服務(wù)子程序中直接進(jìn)行數(shù)據(jù)幀識(shí)別、接收，為了不影響上行遙控指令的計(jì)算，接收數(shù)據(jù)后將串口接收標(biāo)志位置位，在程序主循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和處理?？偨Y(jié)本文展現(xiàn)了測(cè)控系統(tǒng)，著重從軟件軟件方面設(shè)計(jì)了無(wú)人靶機(jī)測(cè)控軟件各個(gè)主要局部。本測(cè)控軟件很好的將不同級(jí)的遙控遙測(cè)技術(shù)和航跡規(guī)劃技術(shù)融合到了飛機(jī)測(cè)控軟件的設(shè)計(jì)中，在機(jī)載硬件的支持下，這種飛機(jī)的自主控制級(jí)別約達(dá)到了2—3級(jí)之間的自主水平。

參考文獻(xiàn)[1]周輝峰,姜忠武,廖清森.基于箭載GNSS+BDS定位的測(cè)控設(shè)備自引導(dǎo)技術(shù)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2020(06):91-94.[2]劉培杰,焦義文,劉燕都,趙騰飛.天地一體化測(cè)控網(wǎng)中的隨遇接入測(cè)控方法[J].電訊技術(shù),2020,60(11):1278-1283.[3]閆建華,李小梅,張濤.ETSI衛(wèi)星測(cè)控標(biāo)準(zhǔn)與商業(yè)衛(wèi)星測(cè)控體制研究[J].遙測(cè)遙控,2020,41(06):20-29.[4]劉帆,趙明旭,王鵬飛,饒江濱,張寶年,白銀山,黃笠.航天測(cè)控裝備分布式組網(wǎng)跟蹤測(cè)量技術(shù)研究[A].國(guó)防科技工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試創(chuàng)新中心、中國(guó)航空工業(yè)技術(shù)裝備工程協(xié)會(huì)、中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院院士工作站、航空工業(yè)測(cè)控技術(shù)發(fā)展中心、中國(guó)航空學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)分會(huì)、飛行試驗(yàn)測(cè)試航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.2020中國(guó)航空工業(yè)技術(shù)裝備工程協(xié)會(huì)年會(huì)論文集[C].國(guó)防科技工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試創(chuàng)新中心、中國(guó)航空工業(yè)技術(shù)裝備工程協(xié)會(huì)、中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院院士工作站、航空工業(yè)測(cè)控技術(shù)發(fā)展中心、中國(guó)航空學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)分會(huì)、飛行試驗(yàn)