无人机地面站分析

无人机地面站分析（精选5篇）

无人机地面站分析篇1

[摘要]主要介绍了无人机地面站的发展，包括无人机地面站典型的配置、功能及其关键技术。并展望了未来无人机地面站发展趋势。

1、概述

20年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面控制站(GCS: Ground Contrul Station)将具有包括任务规划，数字地图，卫星数据链，图像处理能力在内的集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大:不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群:地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的功能模块实现功能扩展;相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。

地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括:飞行器的飞行过程，飞行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据，接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。

2典型地面站的配置和功能概述

2.1地面站的典型配置

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。其相互间的关系如图1所示。

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)数据分发系统。用于分析和解释从无人机获得的图像。

(5)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: —用于给飞行器发送命令和有效载荷;—接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。

(6)中央处理单元:包括一台或多台计算机，主要功能如下: —获得并处理从UAV来的实时数据: —显示处理;—确认任务规划并上传给UAV;一一电子地图处理;—数据分发: —飞行前分析;—系统诊断。

2.2地面站的典型功能

GCS也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指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。地面站系统应具有以下几个典型的功能:(1)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。

(2)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。

(3)任务规划、飞行器位置监控、及航线的地图显示。任务规划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。飞行器位置监控及航线的地图显示部分主要便于操作人员实时地监控飞行器和航迹的状态。

(4)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。目标定位是指飞行器发送给地面的方位角，高度及距离数据需要附加时间标注，以便这些量可与正确的飞行器瞬时位置数据相结合来实现目标位置的最精确计算。为了精确确定目标的位置，必须通过导航技术掌握飞行器的位置，同时还要确定飞行器至目标的短矢量的角度和距离，因此目标定位技术和飞行器导航技术之间有着非常紧密的联系。

(5)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。随着计算机和网络技术的发展，现行的通信链路主要借助局域网来进行数据的共享，这样与其他组织的通讯不单纯的是在任务结束以后，更重要的是在任务执行期间，通过相关专业的人员对共享数据进行多层次的分析，及时地提出反馈意见，再由现场指挥人员根据这些意见，对预先规划的任务立即做出修改，从而能充分利用很多资源，从战场全局对完成任务提供有力的支持和合理的建议，使得地面站当前的工作更加有效。

2.3国外典型地面站的配i与功能

美国“捕食者”无人机地面站的部分配置如图 2所示。

图2中示出的是无人机操作员和任务载荷操作员进行操控的方舱内的一部分。

2.3.1“捕食者”无人机地面站组成及装备

(1)捕食者，无人机主要由飞行控制站、任务载荷控制站和合成孔径雷达控制站组成，分别由无人机操作员(AVO)、任务载荷操作员(P0)和合成孔径雷达操作员((SARO)三人进行操控。AVO:负责对无人机进行操控，包括起飞、着陆、飞行中姿态控制等。

SARO:负责控制和监视无人机的雷达，并对其图像作有限处理。操作员的操控包括对TV相机、红外相机、内置雷达等，雷达可同TV相机或红外相机同时操作。

(2)“捕食者”无人机的配置。地面控制站安装在长lOm的独立拖车内，内有遥控操作的飞行员、监视侦察操作手的座席和控制台，三个波音公司的任务计划开发控制台、两个合成孔径雷达控制台，以及卫星通信、视距通信数据终端。

地面站可将图像信息通过地面线路或“特洛伊精神”数据分派系统发送给操作人员。“特洛伊精神”采用一个5.5m Ku波段地面数据终端碟形天线和一个2.4m数据分派碟形天线。

“捕食者，无人机可以在粗略准备的地面上起飞升空，起飞过程由遥控飞行员进行视距内控制。典型的起降距离为667m左右。任务控制信息以及侦察图像信息由Ku波段卫星数据链传送。图像信号传到地面站后，可以转送给全球各地指挥部门，也可直接通过一个商业标准的全球广播系统发送给指挥用户，指挥人员从而可以实时控制“捕食者” 进行摄影和视频图像侦察。

2.3.2“捕食者”无人机地面站功能

“捕食者”无人机的地面站功能包括飞行监控、导航、任务载荷、任务规划、一个C波段可视数据链或者一个超视距用的Ku波段的卫星数据链等。其中任务规划功能如下:(1)点击用户接口;(2)实时地图漫游;(3)应急航路规划;(4)支持多无人机规划:

(5)显示经纬度或UTM中的坐标:(6)基于航路点的无人机性能自动校验;(7)对地形间隔快速检验;(8)视线和卫星可见性检测:(9)一个C波段可视数据链或者一个超视距用的Ku波段的卫星数据链。

3关键技术及典型解决方案

3.1友好的人机界面

为更好地控制无人机，地面控制站采用了各种形式的GCS，以便对无人机的飞行状态和任务设备进行监控。GCS为操作员提供一个“友好”的人机界面，帮助操作员完成监视无人机、任务载荷及通信设备的工作，方便操作员规划任务航路、控制无人机、任务载荷及通信设备。

人机界面的设计原则:(1)一致性。提示、菜单和帮助应使用相同的术语，其颜色、布局、大小写、字体等应当自始至终保持一致。

(2)允许熟练用户使用快捷键。(3)提供有价值的反馈。

(4)设计说明对话框以生成结束信息。操作序列划分成组，每组操作结束后都应有反馈信息。(5))允许轻松的反向操作以减轻用户的焦虑，鼓励用户大胆尝试不熟悉的选项和操作。(6)支持内部控制点。某些有经验的用户可以控制系统，并根据操作获得适当与正确的反馈。(7)减少短时记忆。由于人凭借短时记忆进行信息处理存在局限性，所以要求显示简单。

3.2操作员的培训

当代无人机操控回路的主导者仍然是人，为此人一机完善交互是UAV有效执行任务的重要环节，操控者必须能在紧急时刻快速、正确地发出操控指令，稍误，则丧失战机或引发事故，因此，操控人员的素质与技能水平培训也是一个关键问题。UAV 操控人员的培训无法像有人军机那样通过飞行训练和实弹演习完成，而需要依靠一系列仿真技术来实现，其中重点要研究解决的仿真技术项目有:

(1)虚拟座舱及操控设备。重点要解决的是虚拟现实环境的构成、系统建模仿真技术和数字传输的快捷、准确、可靠和畅通。操控人员使用类似有人驾驶飞机的同种仪表设备(包括按钮、手柄、开关等)和软件，以体验同样的感观效果;(2)人为仿真故障和误差的设置、建模与注入技术;(3)创立实时逼真飞行动画技术、全息显示技术;(4)人一机权限与功能分配，任务规划和任务管理方法研究与训练。

(5)实时评价技术包括对飞行性能、导航定位、飞行品质、作战效果以及电磁信号等确定明确的评估标准。操控人员要熟练掌握，做到判断正确，操控实时、准确。

3.3一站多机的控制

地面站目前正向一站多机的方向发展，即指一个地面站系统控制多架、甚至是多种无人机。未来无人机地面站将朝着高性能、低成本、通用性方向发展，所以一站多机是发展趋势，这也对地面站的显示和控制提出了更严格的要求。

3.4开放性、互用性与公共性

(1)“开放性”指的是不必对现有系统进行重新设计和研制就可以在地面控制站中增加新的功能模块。这种开放性的定义和要求使得模块化的设计和实现方法成为地面控制站设计和实现的最佳途径。各模块间的功能具有一定的独立性而组合在一起，又能实现整个系统的功能。这种设计思路不仅可通过增加新的模块来扩展功能，也可以根据任务的不同对模块进行实时的添加或者屏蔽。

可以美国海军的通用无人机地面控制站的 TCS战术控制系统为例(如图3所示)来说明。its 战术控制系统提供了一个开放式体系结构软件，能够控制多种不同类型的海上I岸上计算机硬件，实现任务规划、指挥与控制以及情报数据接收和分发等功能。

(2)“互用性”指的是地面控制站能控制任何一种不同的飞行器和任务载荷，并且能够接入连接外部世界的任何一种通信网络。互用性现在己经成为各国发展无人机系统的一个重要思考点。随着网络中心战思想的提出，无人机群的任务必须配合并融入整体作战任务之中，“互用性”的思想正是对这一发展趋势的指导。

(3)“公共性”指的是某个地面控制站与其它的地面站使用相同的硬件及部分或者完全相同的软件模块。提出公共性的目的在一定程度上也是为了实现地面站的资源通用，便于维护修复。地面站作为整个无人机系统中最隐蔽的子系统，是很少受到破坏的，但是，一旦受到破坏，整个无人机系统可能陷于瘫痪，所以公用性的提出可以提高整个无人机系统的维修性和保障性，从而更加合理地利用已有的地面站资源。

上述三个概念并非相互独立。在多数情况下，它们是从不同角度，以不同的方式对同一对象进行描述。开放性的结构通过容纳新的软件和硬件使得 “互用性’和“公共性，得以提高。作为无人机系统的神经中枢，地面控制站要全力地建立开放性、互用性和公共性。

3.5地面站对总线的需求

随着无人机技术的不断发展，无人机航空电子系统与地面站系统之间的通信量越来越大，这就要求地面站系统的无线通信、任务处理、图像处理能力不断增强，因而采用高带宽、低延迟的总线网络实现各部分之间的互连成为必然趋势。从目前的发展来看，只有Gbps级的互连总线网络才能满足未来地面控制站发展对总线的需求。鉴于光纤通道(Fc)具有高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构和服务类型、支持多种上层协议和底层传输介质以及具有流控制功能，因此可采用光纤通道(FC)来实现其需求。FC己经成功应用于F-35 JSF高度综合化和开放式的航空电子系统结构中，相信FC一定能很好地满足地面站的要求。3.6可靠的数据链

发展安全、可跨地平线、抗干扰的宽带数据链是无人机的关键技术之一。近年来，射频和激光数据链技术的发展为其奠定了基础。

除了带宽要增加外，数据链也要求可用和可靠。数据链的可用是指一特定星群的覆盖区域和范围。可靠是指信号的健壮性。对于不可避免的电子干扰，数据链需要采用复杂的信号处理和抗干扰技术(如扩频、调频技术等)，并能够确保在数据链失效的情况下，飞机能安全返回基地。4无人机地面站发展的趋势

无人机地面站技术具有以下发展趋势:(1)发展通用地面站。美军无人机发展思路是:由陆海空根据各自的需要分别重点开发战术无人机、垂直起降战术无人机和中稿空长航时无人机;最大限度地使用通用的机载设备，避免重复研制:实现地面控制系统的标准化。当前，美国国防部正考虑如何将各层次的无人机综合到系统中。为确保各情报侦察系统间能毫无障碍地传输图像和数据，美国国防航空侦察和国家图像测绘局共同拟定了一项‘通用图像地面接口系统”，并确定一套通用的图像存储与传输的协议，以解决各层次无人机之间的地面站和数据的接口标准问题。

(2)重视一站多机的地面站的设计，包括硬件结构及友好的人机界面。这种地面站的设计可同时操控多架无人机、使用较少的操作员操纵更多的无人机，这样既提高了操作效率，也减少了人力成本。(3)逐步发展无人作战飞机地面站的设计。是利用现有的飞机还是研究一个全新的飞机现尚无定论，但是先研究地面站的人机界面设计是必要的。

(4)发展可靠的、干扰小的、宽带宽的数据链路，提高数据传输效率。其涉及的关键技术有: 数据链路的抗截获、抗干扰的编码、加密、变频、跳频、扩频与解扩技术和图像压缩与传输解压以及高速信号处理技术等。

(5)发展人工智能决策技术。该技术涉及无人机的自主程度问题，尤其是针对无人战斗机。这需要一些智能的、基于规则的任务管理软件来驱动安置在无人机上的综合传感器，保证通信联接，完成无人机与操纵人员的交互，使无人机不仅能确保按命令或预编程来完成预定任务、对己知的目标作出反应，还能对随机突现的目标作出相应反应。

(6)发展无人机操控的安全、告警与防错技术。

(7)发展无人机通信中继。地面站与无人机之间的中继用以提高作战半径和地面控制站的安全性。关键技术包括超衫旅巨中继转发与传输、多通道大容量实时信息中继复合传输、军民共享卫星链路和中继载体与无人机协调问题等技术。

参考文献

无人机地面站分析篇2

轮式车辆的转向形式有多种,其中就包括有差速转向。差速转向常用于履带式车辆中,但近年来将会越来越多的运用于轮式战术车辆中。因为很多轮式战术车辆要求质量轻,机动灵活,便于搭载等特点,这就在外形尺寸上有严格的控制,总体设计时需要采用差速转向。轮式车辆的差速转向结构紧凑,重量轻,只需要很少的几部分组成,不需要专门的转向机构,制造成本低。差速转向和普通轮式车辆转向有很大不同,差速转向的两侧车轮独立驱动,通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原位转向。

1、差速转向的应用分析

当车辆的驱动力超过轮胎地面间的附着力时,轮胎与地面间将发生滑动。导致这一现象的原因有多种,如车辆加速或制动时的纵向惯性力或者高速小半径转向时的横向惯性力过大,以及车辆本身的设计等。

大多数轮式车辆有转向轮,如传统车辆的前轮为转向轮、叉车的后轮为转向轮、在一些地面移动机器人车辆和跑车中,前轮和后轮均为转向轮。多轴车辆中,情况更加复杂,几个车轮可以同时作为转向轮,这类车辆多是军用轮式装甲车辆或车载起重机。

首先,车辆转弯时为减少轮胎滑磨要遵循阿克曼几何学,就是要满足各个车轮作无滑移的纯滚动。这就要求在转向机构上实现全部车轮绕同一瞬时转向中心行驶。以两轴车辆为例,当车辆以低速转弯行驶,如果忽略离心力的影响,并且假设轮胎是刚性的,此时若各车轮绕同一瞬时转向中心进行转弯行驶,则两转向前轮轴线的延长线,交在后轴延长线上,这一几何关系称为阿克曼几何学,如图1所示。但是对于多轴车辆(多于两轴)一般不能完全的遵循阿克曼几何学(如图2),所有车轮有一个共同的转向中心,因为这要求非转向轮也要有一定的偏转。比如半拖挂车转向不能遵循阿克曼几何学,这样对于非转向轮的轮胎将产生很严重的滑磨。其次,车辆的转向系统必须与其他传动系统和悬挂系统是兼容的、互不干涉的,这也就增加了机械装置的复杂性。最后通过转向轮转向的车辆一般不能实现原地转向(转向半径为零),因为对于转向轮需要很大的转向角,这就使其在设计上很复杂,并且高速转向时不稳定,容易翻车。

由于以上原因,一些轮式战术车辆采用差速转向,如Mobile robot Pioneer 3 AT和Amphibian ATV Oasis LLC MAX 6×6。这类车辆能够在恶劣的越野地面上稳定可靠的行驶和进行转向。差速转向过程中,车轮不再是沿着转向轨迹曲线的切线方向,而是发生横向滑动。

2、差速转向运动学分析

四轮车辆的动力学模型经常用线性二自由度模型代替,即把同一根轴的两个车轮等价于在轴中心位置的一个车轮,这种情况是假设几何转向半径足够大和侧偏角极其微小。对于某6×6无人地面车辆,其在实际转向过程中转向半径不是很大,侧偏角大小不可忽略,因此这种假设对此6×6车辆不成立。

该6×6无人地面车辆不是完全对称的,即车辆的几何中心与重心不在同一个位置。该车是在发动机提供的驱动力和轮胎与地面滑动摩擦产生的侧向力共同作用下实现差速转向的。当侧偏角d1不超过10°时,侧向力Fr与d近似成线性关系。侧向力超过这个临界值会有一个过渡区域,轮胎也开始在地面上侧向滑动。图3表明侧向力Fr的大小与地面法向反作用力F2有关,Fr随着F2的增加而增大。对于该车辆来说,每根轴上的载荷不同,每个车轮的侧偏角不同,从而各个车轮上的侧向力也会不同。

图4为该车差速转向运动学模型,图中C点和G点分别为该车的几何中心和重心,O点为转向中心,R为转向半径。其中Fsa和Vsa中的s指的是内侧轮(internal wheel)或者是外侧轮(external wheel),a指的是第几根轴。K点是转向中心O在局部坐标系Xc轴上的投影点。作用于车辆的地面反作用力Fsa有两部分组成,一部分是纵向地面变形力Fxsa;另一部分是侧向阻力Fysa,也就是轮胎侧向滑动产生的地面摩擦阻力。内侧车轮的驱动力Fxia必须比外侧车轮的驱动力Fxea小,这样才能产生绕KZc轴的正转矩,Fxia可以是负值。车轮的纵向驱动力与发动机提供的转矩有如下关系:

式中τi和τe分别为给内外侧车轮提供驱动力的发动机的驱动转矩,r为车轮半径。

假定该车转向时侧偏角不大于10°,一般内侧车轮的侧偏角要大于外侧车轮,所以内侧车轮的侧偏力要大于外侧车轮。在K点之前(Xc轴的正方向为前)的车轮所受到的侧偏力方向是指向转向轨迹的外侧,相反的在K点之后的车轮所受到的侧偏力指向转向轨迹的内侧。若所有的车轮给定同样的垂直载荷,则车轮中心点Csa与K点在Xc轴上的投影距离越大,那么该车轮的侧偏角和侧偏力也就越大。在差速转向过程中外侧车轮的速度比内侧车轮的大,各个车轮中心点Csa所走过的轨迹也是不同的。

每个车轮的侧偏角dsa可以表示为:

假定车辆以恒定的速度进行差速转向,绕OZO轴的转向角加速度为0,并且忽略该车传动系统的损失,由绕OZo轴的力矩平衡得:

从式(5)中可以看出,要提高差速转向效率,可以通过减小侧偏力Fysa的值,从而减小所需要的发动机功率。

3、提高差速转向效率模型分析

提高多轴车辆的差速转向效率,一种解决办法是改变该车的质量分布,可以通过增加一些质量块或者移动该车上的固有组件或负载的位置;另一种简单的解决办法是调整悬架装置。下面介绍通过调整前后悬架来提高转向效率的简化模型分析。

3.1 悬架装置调整前的车辆模型分析

该车的三个悬架简化为三个等同的弹簧,如图5a所示。当车辆在地面上,由于重心位置与几何中心不重合,得到一个新的平衡,如图5b所示。起初每个弹簧的长度为la0,达到新平衡后弹簧的长度变为la。

由图6b可知,车轮中心Ca仍在一条直线上,同时T1、T2、T3也在同一条直线上,则

等价于

当车辆达到平衡位置时有:

xG在坐标系中为负值,其中弹簧的刚度为k,则

将式(10)代入式(8)、式(9)得：

假设未加载荷前弹簧的长度la0均相等,并等于l0,联立式(7)、式(11)和式(12)得

由上可知,在悬架未调整前,Fz3≥Fz2≥Fz1>0。Fz3的值最大,在差速转向过程中产生的较大的侧偏力FY3。

3.2 悬架装置调整后的车辆模型分析

为了改善差速转向的效率,必须减小地面作用于车辆前轮和后轮的法向反作用力,可以通过对悬架装置进行稍许调整达到所需要的效果。图6为悬架装置调整后的车辆模型,等价弹簧在不承受任何载荷时的长度改变为l'a0,其中前轮和后轮的弹簧长度比悬架装置未调整前的弹簧长度la0减少了Δl。当车辆静止与水平地面上达到平衡位置时,每个弹簧的长度变为l'a,地面作用于每个车轮的法向反作用力为F'za。其中l'10=l10-Δl=l0-Δl l'20=l20=l0,l'30=l30-Δl=l0-Δl。

式(7)、式(11)和式(12)同样适用于悬架装置调整后的车辆模型,同理可求出:

由上式可知每个弹簧的压缩量都增加了,从而可知车身的倾斜角度γ没有改变,即γ=γ'。由式(10)、式(15)可求出:

虽然总体的垂向合力没有改变,但是前轮和后轮的法向反作用力F'z1和F'z3均减少了,侧偏力F'y1和F'y3也随之较少,从而通过调整悬架装置改善了差速转向的效率。

为了了解验证通过上述调整悬架装置的方法能否达到提高差速转向的效率,法国克莱蒙特大学的J.-C.Fauroux等人对Kokoon车辆进行了试验,Kokoon是6×6全地形电动车辆。该车的悬架装置可以通过调整达到上述简化模型的效果,并且在悬架调整前后的两种情况下分别进行了直线行驶、半径为3m和6m的转向行驶进行对比分析。试验表明悬架调整后车速转向的总驱动力降低了43.5%左右,转向时间也缩短了。在转向半径为6m时前轮和后轮的侧偏力分别减少了28%和36%,这意味着差速转向消耗的能量减少了,充分说明总体的转向效率提高了。

4、结论

本文对某6×6无人地面车辆的差速转向建立了简化的平面运动学模型,分析得出了驱动转矩与车轮侧偏力的关系式。同时对该车悬架装置调整前后的模型进行静力学分析对比,得出了前后轮法向反作用力以及侧偏力的变化。通过对悬架装置做稍许调整便可以提高车辆的差速转向效率。这种方法实际上也相当于改变了车辆的质量分布,但是不用移动车辆本身质量块或负载物,可以在多轴无人地面车辆上推广并运用。在将来的研究中可以涉及到在车辆发生转向时让悬架装置自动进行调整,以达到减少能量消耗提高转向效率的目的。

参考文献

[1]Fauroux.J.C.,Vaslin P.,Modelling,Experimenting and Improving Skid-Steering on a 6×6 All-Terrain Mobile Platform.Journal of Field Robotics 27(2),107—126(2010).

[2]熊光明,龚建伟等.轮式移动机器人滑动转向综述;机床与液压2003(6)

[3]余志生,夏群生等.汽车理论.北京:机械工业出版社,2008: 136～138

[4]汽车工程手册-设计篇.北京:人民交通出版社.2001.6: 582～589

[5]Shamah,Benjamin.Experimental comparision of explicit Vs.skid steering for a wheeled mobile robot.Master thesis,Carnegie Mellon University,Robotics Instirute,August 1998

[6]李伟,王天颖,贾鹏等.6×6无人地面车辆差速转向运动学分析;军事交通学院学报:2011(1)

无人机地面站分析篇3

摘要：地面无人作战系统是一种涉及机器人、车辆、机械、通信、自动控制、人工智能、定位导航、计算机等多种学科与技术的新型武器。地面无人作战系统正在越来越多地走向战场。地面无人作战平台以其减少人员伤亡、执行特种作战任务的超群能力，正越来越多地受到军方的青睐。未来地面无人作战系统将具有更强的任务执行能力和更好的环境适应能力。

关键词：地面无人作战系统技术应用发展动态

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在未来战争中，人们预测无人机与有人飞机将占据同样重要的作战地位，在硝烟弥漫的天空中并肩作战。当我们将目光从天空返回地面时会发现，地面无人作战系统正在协助士兵在不断变化的战斗空间探测敌人，开拓视野，在避免人员损伤的同时执行侦察、核生化武器探测、突破障碍、反击狙击手和直接射杀等任务，从而提高作战人员的生命力、灵活性和战斗力。

一、地面无人作战系统的组成及军事需求

（一）地面无人作战系统的组成

地面无人作战系统是由无人作战平台、任务载荷、指挥控制系统，以及空—天—地信息网络组成的综合化作战系统，是武器装备机械化和信息化相结合的产物，能够为步兵提供急需的战场感知能力和多样化打击手段，增强步兵的战斗力和战场生存能力。系统通常采用开放式体系、模块化结构设计，各分系统在结构上相互独立，方便调试、升级和更换，并根据作战需求可以选装不同的武器载荷或侦察载荷。操控终端和作战平台之间采用无线方式通信，图像和数据分别采用不同的通道。作战平台内部及各分系统间采用总线通信模式，有利于模块增减和功能扩展。平台分系统和载荷分系统之间采用方便拆卸的机械和电气接口，有利于不同功能任务载荷的整体更换或升级。同时作为人体感觉器官（耳、目等）和行为器官（四肢等）的延伸与扩展，地面无人作战系统可在人不能到达的地域里、在人体不能承受的条件下，执行步兵所要完成的作战任务，如抵近战术侦察、目标定位、效果评估、火力引导，或是敌火下的火力支援压制、伴随保障以及突防攻击等。20世纪以来，西方军事强国对地面无人作战系统的研究愈加重视，尤其是进入新世纪以来，便携式无人装备、伴随型无人装备、武装化无人装备成为发展热点。

（二）军事需求及技术特点

地面无人作战系统作为具有侦察、运输、搜救以及火力打击等功能的执行军事任务的系统，是无人作战平台家族的重要成员，能够在战场上协助作战人员并与之互补，最适合完成危险性的作战任务。

1.军事需求

地面无人作战系统能满足城市、山地等复杂战场环境和高危环境作战需求。随着全球城市化进程加快，城市作战越来越受到世界各国军队的高度重视。近几次局部战争表明，争夺最为激烈的战场环境都在城市及周边地区。而城市作战面临战场通视范围小，武器直射距离受限等影响。此外，在边境上多为山地、丘陵地形，尤其在高原山地条件下，机动和保障都较为困难，这些复杂的作战环境对步兵的近距离战场感知能力和打击手段提出了较高的要求，在目前现役的有人装备难以解决，尤其在人员无法到达的有毒有害气体、生化污染、核污染等高危险环境中无法完成特定任务的情况下，地面无人作战系统能有效满足复杂战场环境和高危环境作战的迫切需求，拓展单兵和分队的感知范围，增加打击手段，大幅减少人员的伤亡。

地面無人作战系统能增强单兵和分队综合作战能力。目前，轻武器发展面临诸多困难，现有装备的改进及已有手段的突破基本上已达到一个瓶颈，很难实现质的提升。无人化装备的发展，从另一个方面拓展了轻武器能力。首先，地面无人作战系统能够进行非视距侦察和打击，延伸单兵和步兵班组的作战范围，提高单兵或步兵班组间接作战能力；其次，能够执行火力突击、诱敌等极可能付出生命代价才能完成的任务，拓展单兵和班组作战手段；再次，可以控制武器射频，消除人为因素对射击的影响，还能对关键目标和区域进行火力引导，提高精确打击能力；第四，操作员不亲临最残酷的作战现场，不会产生因恐惧、厌战、伤病等导致的心理生理问题及非战斗减员；最后，能够在全天候环境下不间断地工作，协助单兵或分队完成枯燥乏味的作战任务，最大限度减少士兵的任务强度等。

2.技术特点

地面无人作战平台是在无人地面系统的基础上发展而来的，最突出的特点就是可以在没有人员现场参与的前提下执行武装作战任务。其技术特点是配置了相应的光电探测装置和无线通信设备，进而选配了适合需要的武器系统，士兵可以通过遥控操纵，指挥其执行相应的攻击作战任务。毫无意外，平台的机动性、数字通信能力与抗干扰性、目标探测与识别能力、远距离操控能力以及地面无人作战平台本身的智能化控制能力，都将是其技术研究领域的重点。

二、中、外军地面无人作战系统发展动态及特点分析

地面无人作战系统是一个高度集成的武器装备，系统复杂，综合了底盘、执行器、动力、自主、载荷、人机交互等多个学科的技术，尤其还涉及到多学科的交叉技术。近年来，以美国为代表的西方军事强国对地面无人平台的发展十分重视，不仅制订了雄心勃勃的研发计划，而且率先将无人平台应用于实战。目前，美、英、德、以色列等国陆军已经形成了较为完备的地面无人作战平台体系，并借助长期的技术积累和信息技术的快速发展，不断拓宽地面无人作战平台的任务功能领域，推动无人作战平台朝着自主化、智能化的方向发展。

2013年无人作战系统展在美国华盛顿会议中心举行，展会分为主旨演讲、展示会、宣传研习等环节，共有500余家研发生产无人机、无人车、无人船及相关产品的企业展示了其最新产品，参加展会的人数近8000人，其中欧洲参展者占41%，亚洲参展者占26% ，北美参展者占24% 。“网状”无线网络技术可以将各种无人地面车连接起来，实现超视距操作，每部无人车均可作为独立的节点和通信中继站。实验表明，在800米范围内，只需4台110型迷你无人车即可组建“网状”无线网络，并实现对该范围内无人地面车的控制。澳大利亚联邦科学与工业研究组织最近开发出一种可以在地球陆地表面漫游的无人驾驶观测车，这种观测车被取名为“内陆漫游者”，主要用于采集土壤、矿产、植被等的观测数据，并与地球观测卫星的数据进行比对，以对其精确性进行修正。美军已经开发了几十种远程控制的无人地面系统，2015年前其三分之一的战斗力将由机器人构成。机器人由美国波士顿动力公司设计制造，可背负400磅重物听从语音指令紧随前方指挥人员以78公里每小时的速度行进，此外它还可以作为移动充电站，在行进过程中为作战人员的电池充电。为了降低作战人员在战场上的风险，国防高级研究计划局要求波士顿动力公司设计制造静音性能更好、防弹性能更强的改进版机器人，该机器人已从2015年开始参与相关军事演练。

我国对无人作战系统相关技术研究起步较晚，在无人作战平台总体技术、任务载荷专用设计技术等方面研究针对性不强，存在总体集成度低、移动速度慢、自主化程度低和环境适应性差等问题，平台的机动性、数字通信能力与抗干扰性、目标探测与识别能力、远距离操控能力，以及地面无人作战平台本身的智能化控制能力，都将是技术研究领域的重点。

三、现役军用地面无人作战系统存在的问题与不足

从近几场局部战争和军事行动中军用地面无人作战系统实际使用情况看，由于技术成熟度不够、研发与使用结合不够紧密、使用环境多变等因素，造成目前军用地面无人作战系统存在许多问题和不足：第一，标准化、通用化和系列化程度较低。由于各种设计规范还未明确和统一，美国现役地面无人作战系统个性设计特征明显，采用各种封闭式架构，需要独立的操作控制单元和后勤保障以及复杂的升级流程，这不利于军用地面无人作战系统的快速发展与应用，不仅使用与维修成本过高，还使得同一领域军用无人作战系统之间以及不同领域军用无人作战系统之间缺乏有效载荷互换、信息互通和互操作能力。第二，感知能力不足。现役军用地面无人作战系统车载摄像机的深度认知能力不足。第三，通信能力不足。存在通信距离短、信号抗干扰能力差、带宽有限、网络通信能力不足等问题，尤其带宽的限制使军用地面无人作战系统无法集成自主能力或提供三维数据等先进功能。第四，自主能力不足。现役军用地面无人作战系统主要以遥控为主，仅少数具备半自主能力，操纵臂灵敏度低且自由度有限，其任务实施主要依靠士兵操控，使用成本较高，不能满足新时期军事作战需求。

四、地面无人作战平台发展的几点思考

（一）地面无人作战平台研制的必要性

从基于信息系统体系作战任务看，"极危险、极恶劣、极枯燥、大纵深"等特种作战任务，需要地面无人作战平台的研发和使用；从基于信息系统体系作战模式看，“非对称、非接触、非线式、零伤亡”等新型作战战法，凸显了地面无人作战平台的应用优势；从基于信息系统体系作战能力看，“侦察预警、指挥控制、火力打击、网点对抗、综合保障”等各个环节，提供了地面无人作战平台发挥能力的广阔空间。在传统意识中，人力优势是我军的显著特点，因此，替代人工、减少伤亡的地面无人作战平台曾有过一段不受重视的时期。但是，随着近年来无人装备的广泛应用，人们逐渐意识到，减少伤亡并不是地面无人作战平台优势的全部，在未来战场上，应用地面无人作战平台夺取战场的主动权、克敌制胜才是其最值得我们关注的实质。地面无人作战平台必将成为未来的重要作战装备，切实发展陆军地面无人作战平台，对于陆军提高基于信息系统的体系作战能力和新型作战力量建设具有重要意义。

（二）发展不同规模的地面无人作战平台

不同的军事需求和军事任务对地面无人作战平台也提出了不同的要求。我军地面无人作战平台的需要为各级指战员、各类作战单元提供战略、战役、战术层面的支持。这些需求幅度广、难度大，同样需要有针对性地发展大、中、小三种不同规模的作战平台，拓展执行任务的范围，为陆军战斗力的提升提供切实的支持。

（三）优先发展半自主地面无人作战平台

目前，完全脱离人的地面无人作战平台从理论和技术实现上难度较大，一方面由于计算机科学、认知科学、心理学等学科的一些理论瓶頸尚未突破，技术要求太高；另一方面，战争是一项具有不确定性的艺术，人的指挥和决策作用仍是决定战争胜负的重要因素。因此，采取半自主操控方式是目前较为合理、有效的技术途径。半自主操控方式的优点在于，将人类的智能和机器的智能有机地结合在一起，以便最大限度地发挥地面无人作战平台的战技效能。从美军研制地面无人作战平台数十年的发展历程中也可以看出，由完全依赖机器智能逐渐转向重视半自主的操控模式是一个非常明显的趋势。

五、展望

地面无人作战系统正在越来越多地走向战场。据不完全统计，美军装备的各类地面无人作战平台已达上万台。毫无疑问，配置有武装无人地面平台的小规模战术部队将拥有双重作战优势：其一，可以在一定程度上延伸战场；其二，可以提供目前还必须由士兵负责的火力支援，如此可以避免或尽量降低士兵暴露在非常危险的环境中的概率一一随着高科技战争成本攀升，训练有素且能熟练操作、维护先进技术装备的士兵日益成为军队的重要财富，从这一点考虑，武装无人地面系统的战术意义将更加深远。地面无人作战系统以其减少人员伤亡、执行特种作战任务的超群能力，正越来越多地受到军方的青睐。未来地面无人作战系统将具有更强的任务执行能力和更好的环境适应能力。

参考文献：

[1]郭胜伟.无人化战争[M].北京：国防大学出版社，2011.

[2]付梦印等.军用无人地面车辆技术的发展[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]沈林成等.移动机器人自主控制理论与技术[M].北京：科学出版社，2011.

无人机地面站分析篇4

地面站是无人机系统的重要组成部分,它的任务是监测飞机的飞行状态和机载有效载荷的工作状态,使地面操作人员能够有效的对飞机和有效载荷实施控制。主要功能包括对无人机飞行数据的监测、接收、存储和回放。

从实际出发,利用VC++6.0开发环境,给出地面站系统的组成和软件设计。

2 系统结构和功能实现

系统主要分为通信、数据解析、数据显示、数据存储和历史数据回放五个模块。系统主界面如图1所示。

2.1 通信模块

2.1.1 通信协议

无人机系统使用的通信设备是9XStream(900MHz)无线数传电台。无线数传电台进行透明式数据传输,因而只需实现地面站与数传电台的通信,其通信协议如下:

波特率:57600bps;

通信端口:RS232;

数据格式:无校验位,8位数据位,1位停止位;

数据帧包括帧头、遥测信息和校验位,格式如下:

一帧包含54字节:

帧头占1个字节;

遥测信息包括无人机的姿态信息、位置信息等,共占52个字节;

校验和占1个字节。

2.1.2 功能实现

由于地面站与无人机的通信不仅仅是遥控、遥测数据的发送接收,还包括有效载荷数据的传送,会涉及到多线程和多串口。因此,本设计选用了第三方通信类Cserial Port Ex,它更适用于地面站下一步的开发工作。Cserial Port Ex类是一个基于多线程的类,其工作流程是:当接收数据时,首先设置好串口参数、然后开启串口监测工作线程、串口监测工作线程监测到串口接收到的数据、流控制事件或其他串口事件后,就以消息方式通知主程序,激发消息处理函数来进行数据处理;发送数据时,可直接向串口发送。

在Cserial Port Ex类中有多个串口事件可以响应,只需处理WM_COMM_RXCHAR消息,添加消息处理函数。在主界面的头文件CGCSView.h中加入该响应函数的声明:

接着在主界面的源文件CGCSView.cpp中加入函数的实现,就可以对接收到的数据进行处理了。

2.2 数据解析模块

按照通信协议,把接收来的数据包解析为与显示界面匹配的数据格式。

2.3 数据显示模块

将解析后的数据送予航空仪表、电子地图等控件,进行飞行状态、飞行轨迹等信息的显示,以便地面操作人员对无人机进行可靠和有效的控制。数据显示分为图形显示和文本显示。图形显示具有直观,形象的特点,容易使用户有一种身临其境的感觉,但由于屏幕范围所限,这里只显示了一些相对重要的参数,如无人机的高度、速度、俯仰角、航向、飞行轨迹、电池电压等。

2.3.1 航空仪表

航空仪表使用世纪飞扬公司的试用虚拟仪表控件。只需掌握几个属性的使用和一些参数的设置,即可实现飞行数据的显示。

2.3.2 电子地图

无人机当前位置和飞行轨迹的显示主要通过电子地图来实现。电子地图显示采用Map Info公司提供的Map X控件。在Visual C++中即导入Map Xh.和Map X.cpp两个文件,调用Map X类。然后在视图中载入电子地图,它是一个扩展名为*.gst的文件,可以通过Map Info地图软件来生成。最后运用Map X对象的属性和方法,实现地图的放大、缩小和漫游等基本功能。本设计中是用接口函数实现这些功能的,只需调用接口函数,并确定相应的参数就能达到操作地图的目的。

地图放大:m_ctrl Map X.Set Current Tool(miZoom In Tool);

地图缩小:m_ctrl Map X.Set Current Tool(miZoom Out Tool);

当前位置居中:m_ctrl Map X.Set Current Tool(mi Center Tool);

地图漫游:m_ctrl Map X.Set Current Tool(mi Pan Tool)。

轨迹显示的实现主要通过调用地图/屏幕坐标转换函数,将接收过来的经纬度(即地图上经纬度坐标)转换为窗口中对应的坐标值(即屏幕上设备坐标),再根据屏幕上的设备坐标绘制出飞行航迹。

地图/屏幕坐标转换函数的原型如下:

添加航迹显示函数,在视图的头文件中加入响应函数的声明:

在视图的源文件中加入该消息映射:

接着在视图的源文件中加入On Tool Trace()函数的实现,就可以实现飞行航迹的显示功能。无人机飞行轨迹在电子地图上的显示是通过增加新的层,并把新层设置为活动层,然后在新层上增加新的特性,新的特性的颜色、形状、大小可以按照自己的要求定义,最后把它显示在地图上来实现的。在无人机运动过程中,根据接收到的不同信息,可以将无人机定位到不同的位置,然后刷新地图就能实现无人机的移动。

2.4 数据存储模块

利用Access数据库,将实际飞行的数据进行存储。设计中采用可以使用SQL语言的ODBC接口将数据保存到数据库中。将实际飞行的数据进行存储后,可以在实时飞行结束之后,通过数据回放,用户可以更加仔细地研究这些数据,从而找到改进系统的方案。

2.5 历史数据回放模块

在选择了数据回放功能后,系统按照回放要求重新初始化程序,在初始化结束后,通过弹出对话框的方式供用户选择要回放的数据块。选择结束后,系统从数据库中读出所选择的数据,并将数据显示在界面上,供用户分析,讨论结果。

3 测试及验证

以上程序已通过自行编制的地面站测试程序的验证,该地面站系统完成了如下功能:数据的实时接收、处理、显示、存储、回放、电子地图与实际航线的同步显示与配准等功能,清楚地显示了无人机的重要飞行参数。测试结果表明此地面站可以较好地进行无人机飞行参数的监测,工作稳定,可靠。

结束语

介绍了VC++环境下无人机地面控制站的设计与实现,并且对设计中的一些关键技术进行了验证。无人机地面站可以较好的监测无人机的飞行状态,这为今后进一步的研究打下了基础。此外,无人机地面站在实际应用中要与飞行区域的电子地图相匹配,因此还需要通用的数字地图库。这些问题是下一步努力的方向。

参考文献

[1]刘栋.某型无人机地面飞控站的设计与实现[D].西北工业大学硕士论文.2007.3[1]刘栋.某型无人机地面飞控站的设计与实现[D].西北工业大学硕士论文.2007.3

[2]王倩.基于GIS的电子导航图和任务规划[D].西北工业大学硕士论文.2007.3[2]王倩.基于GIS的电子导航图和任务规划[D].西北工业大学硕士论文.2007.3

分析油田地面工程节能技术的运用篇5

前言：科技的进步，经济的发展，虽然是我国建设的首要问题，但是，近年来，在发展经济的同时，对环境的破坏日益严重，资源的紧缺以及不合理的使用浪费也对我国的可持续发展产生了很多不良影响。石油工业作为我国经济的基础产业，是我国经济的命脉所在。因此石油经济发展必然会带领我国的经济走向更高的程度。

一、油田生产能耗分析

1.资源分为：不可再生资源和可再生资源两种。石油是一种不可再生的资源，也就是说，石油的数量是一定的，不合理的开采和浪费，只会加速石油枯竭的速度。近年来，我国油田的产油量日益下降。开发新的油田是必然的，这样一来，工程对于各种能源的消耗就又会增加。工程的产油量是工作的首要问题，为了保证油田的产油量，地面开采设备会随之增多，能量消耗也必然增加。油田在开发的过程中，外围油田所产生的消耗也在不断的增加，由于外围油田的开采难度较大，地面工程设施经多年使用，已经老化，因此不能最大限度的利用资源，降低了资源的利用率。

2.耗气分析

由于大庆油田主要采用的是掺水保温、单井计量的密闭集油流程，油田中的生产耗气以天然气为主，其消耗主要集中在油气集输系统的转油站和脱水站上。二者相比，转油站的耗气量较大，大约占80%。通过对地面工程的生产状况分析，造成耗气量增加主要有以下几方面原因：由于长年开采，油田地面工程在老区几经加密，而外围油田的产油量较低，都造成了产油效率的下降；此类油井井口的出油温度偏低，为了对其进行保温，增加了集输吨油耗气；随着产油量的减少，与产油量相关的地面设备长期处于低负荷运行状态；油田地面工程中老化和技术落后的设备较多，由于长年疏于维护且尚未更新，造成这些地面设备效率较低，耗气量偏大，导致能耗加剧。

3.耗电分析

在油田施工中，地面工程对于电能的消耗不可避免。其中消耗电量最高的是石油开采。其次是油田注水耗电，再次是集输耗电，相对较低的是线路损耗以及天然气耗电。但由于油田对于产油量要求的不断提高，导致集输和吨油处理的耗电量不断的提高；根据具体的工程施工情况减少生产能量的消耗。要合理加热，加压，提高热能以及电能的利用率，在油气集输过程中，密封输送，避免与大气接触而产生逸散，降低损耗。还要在油田中进行对油气的初加工处理，回收易挥发气体，并加以利用。使其物尽其用。

二、油田地面工程节能的措施

1.不加热集输处理技术

现在我国油田的形势是，大多数油田处于高含水后期开发阶段，其中以大庆油田最具有代表性，它含水率高达90%，这种情况非常不利于加热输送，会导致土质的疏松，土质不够坚实，原油粘度下降以及输送管壁结蜡量的降低。在这种情况下，我们就要运用不加热集输处理技术，降低供热时对气的损耗。提高整体的经济效益。

1.1单管深埋集油工艺

该工艺主要用于多井串联进入集油阀组间，管线埋入约2m深，从而确保在冻土层以下。通过在转油站及集油阀组间建设采暖管道，在解决阀组间采暖的同时保证了集油干线的输运，降低了掺水所需的电能，使得能耗大幅降低。

1.2“丛式井干管”集油工艺

以丛式井为主的区块单元，在井组至计量站之间可以采用单干管掺水热洗或单干管集油的工艺流程。在产量较高时或夏季可以采用双管出油或不加热集油。采用这种方法可以有效减少管线的用量，从而起到节能降耗的效果。

1.3单管通球工艺

该工艺技术可以应对高寒地区大产液量、高含水率、大黏度、高含蜡量的油井不加热集输需求，从而可以大幅节省耗电量和耗气量，有效提高经济效益。其主要类型包括单井单管通球、单管多井树状通球和单管多井串接通球。

1.4采出液处理技术

通过采用不加热的集油破乳剂、变强度反冲洗和气水反冲洗的污水处理技术和油管解堵技术，使得采出液的处理后温度下降到原油凝固点温度附近，适用于高寒地区的高凝原油采出液集输处理。

2.注水节能技术