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多UAV地面控制站监控系统
摘要
本文介绍了一种地面控制站开发的平台，该平台用来监控多无人机。这个应用软甲完全基于开源库，它已经被设计作为一种强健、分散化的系统。它允许操作者动态的分配不同的任务给无人机，并且在3D虚拟环境中实时的显示它们的操作信息。地面站已经被设计在具有挑战性的管理多无人机系统任务方面来协助操。作人员，试图来减少其工作负载。多无人机监测系统已经被使用装有可视化相机的两个四旋翼无人机现场试验所证实可行了。
关键词 多UAS平台、地面控制站、离散结构、图形界面
介绍
小型化技术的发展、以及新的传感器、嵌入式控制系统和通信方式的出现促进了许多新的小型的低成本的无人机的发展。然而，一些约束条件例如功耗、重量、尺寸在无人机的性能中起着重要的作用，尤其是一些小型的轻型的低成本的无人机。多无人机的结合是许多应用中最合适的方法。装备有大量不同传感器的不同模式的单个强大的飞行器在任何时间都被限制到单个视点。然而，一队的无人机则可以同时收集来自多个位置的信息，并利用从多个不同点导出的信息来构建可用于作出决定的模型。团队成员可以交换传感器信息，协作识别和跟踪目标，并在其他任务之间执行检测和监控活动。因此，例如，一组飞行器可用于勘探，检测，精确定位，监测和测量自然灾害的演变，如森林火灾。此外，多无人机方法导致冗余解决方案，提供更大的容错能力和灵活性。
高效的用户友好的地面控制站是任何基于平台的无人机系统的重要组成部分。地面控制站集中了所有的关于无人机状态的信息，并且允许根据一些特殊的任务发送相应的指令。值得注意的是，大多数基站都包含了一组公共的组件，例如人造视野、电池和IMU指示器以及最新的3D环境，这些都是操作者普遍接受的有用的元素。
操作者的工作量随着平台上运行/飞行的无人机数量呈指数级增长。由于无人机的关键性能需要不断的努力来提高地面控制站管理多无人机的能力。多模态技术的使用在当前的地面控制站中开始变得普遍了，该模式涉及了几种模式，例如位置声音，语音识别，文本到语音合成或头部跟踪等。操作者和地面控制站之间的交互水平随着信息通道的数目增加而提高，但这些渠道应该妥善安排，以避免操作者过载。
在一些新兴的人机交互投入模式（HCI）中，提出了将其从各个层面综合起来的基本问题 - 从早期的“信号”层面到中间的“特征”层面和晚期的“决策”层面。介绍了可以在不同层次的模态集成中应用的不同计算方法，并简要回顾了几个演示的多模式HCI系统和应用。
参考文献提供了有关方面的调查，例如与无人机操作员接口相关的知觉和认知问题，包括应用多模态技术来补偿可用的感官信息的缺乏。在听觉信息（3D音频），语音合成，触觉反馈和触摸屏上添加操作者的反应时间的减少被分析。
可以找到多UAV系统的商业GCS，范围从波音公司的高级专有和封闭解决方案，用于X-45到开源解决方案，如QGroundControl或所用的Paparazzi系统。
本文介绍了地面控制站，开发了由多个平台组成的平台，无人机在现场实验中展示了监视任务。该应用程序完全基于开放源代码库，它被设计为一个强大而分散的系统。它允许操作者动态的分配不同的任务给无人机，并且在3D虚拟环境中实时的显示它们的操作信息。
多UAV监控系统架构
该系统用于验证地面控制站是由一组无人机，一个地面摄像机网络以及控制站本省组成。系统的整体软件架构如图1所示，该图可以看出不同的独立过程能被识别。由于YARP库提供的通信功能，每个软件组件都可以在同一机器或不同的计算机中透明地执行。唯一的例外是无人机位置/方位控制器必须在其对应的随行计算机上执行。
图1
（图1：分散软件架构。盒和椭圆分别代表地面和飞行段过程，在每个无人机中，有两个主要级别：自动决策级别（ADL）和专有级别（EL），灰色箭头表示XBee通信链接。最后，基于YARP的通信是由黑色（视频传输）和白色（非视频）箭头。）
在每个无人机中，有两个主要级别：自动决策级别（ADL）和专有级别（EL）。前者负责高层决策，后者负责执行所谓的基础工作（降落，起飞和转向）。在两个级别之间的接口中，ADL发送任务请求并接收每个任务的执行状态和无人机状态。对于分布式决策，需要不同无人机的ADL之间的相互作用。最后，位置/方向控制器是运行在无人机的硬件上。对这种架构的主要内容进行了描述，在其中概述了每个层面赋予的功能。
地面控制站允许用户指定执行的任务和任务平台，还要监视执行任务状态和不同的状态平台的组件。另一方面，地面摄像机网络提供来自感兴趣区域的图像以用于监视目的。
系统的有用功能是在模拟模式下运行的可能性。EL和ADL可以模拟一个被地面站控制的真正的无人机。从地面控制站和操作者的角度来说，无论是真正的无人机或是用计算机模拟出来的无人机都是透明的。在模拟的模式下，操作者在设计和执行监视任务期间可以使用地面控制站和平台来增加他的技能，提高他的反应时间和环境意识。下一章节集中讲述地面控制站的设计和应用以及与其余组件的互动。
3、地面控制站设计和实施
GCS设计的主要目标是简化多无人机监控系统的命令和控制，以保持操作员的工作量低于一定水平。该系统被设计为单个用户来控制的，该用户必须能够命令几个相互作用的无人机以完成协调任务。此外，以下几个方面也要在设计中考虑：
- 地面控制站应自动检测系统中无人机的接入或移除，遵循即插即用模式。
- 地面控制站应该提供视觉警报作为在操作系统期间可能发生的不同事件的回应，例如电量不足或地面摄像机视频传输问题。
- 地面站应该展示所有的需要了解的每个无人机的状态信息。但是，信息必须仔细筛选，以避免操作者过载。
- 每个无人机都有一定程度的决定性自主权（见第2节），因此用户不应该一直关注系统中所有无人机的状态。
图2
图2：地面控制站主要布局。 四个主要领域已经编号：1 UAV选择器、2详细无人机信息、3地图区域和4标签小部件
图2中描绘了地面站的布局结果，它的四个主要区域已经被标记出来了：
- 无人机选择器。点击无人机的标识符（或其快捷方式）选择无人机，更新图2中的区域2及其信息，并自动缩放地图上的位置。当前版本地面站的布局已被设计为在选择器，快捷方式等方面支持四台无人机。但是，该软件可以轻松调整为支持更多无人机，作为操作者的工作量同时也是关于地面站能处理的无人机的最大数目。
- 所选无人机的详细信息。这些指示器显示了在地球任何一点上本地化所选UAV所需的所有信息。它包含有关GPS纬度，经度和高度，航向，气压高度以及无人机搭载控制器所使用的可用GPS卫星数量的信息。无人机状态显示其当前的运行模式以及电池状态（电压和强度）。当电池达到临界水平并红色LED打开时，视觉/声音报警器会被触发。另外，它显示来自惯性测量单元（IMU）的信息。
- 地图区域。这是一个交互式地图，它能显示一些重要信息，例如无人机的位置，报警或运动任务。
- 标签小部件。除了地图小部件以外它包含了应用程序的所有小部件（日志记录，传感器可视化等）。
常见的操作周期很简单。在初始设置（检测地面站屏幕，激活声音等）之后，每十秒执行一次自动更新处理，以便检测系统中组件（例如无人机组和摄像机）的添加或提取。如果检测到一个新的组件，一个线程则以10Hz速率的刷新显示它的信息，与此同时地面站更新不同的小部件。整个过程如图 3所示。
图3
图3：地面控制站软件主执行环路的方案。不同的事件或任务在其特定的对待插槽，与主循环执行并行。
实现软件使用的库的选择标准是基于一下几个原因：
- 在通信和可靠性方面广泛使用的对比
- 有文档的API
- 开源
- 多平台
- 基于C
根据这些先决条件，在设计中做出了以下决定:
- 图形用户界面（GUI）是使用Qt库开发的,这允许用户使用一种简单的方法开发图形界面，因为它是采用信号和槽的连接机制。它提供自己的IDE，并能够轻松与其他C 库集成。
- 视频图像处理基于英特尔OpenCV库，是数字图像处理中的一个事实标准。
- 使用大理石库解决了地图的整合问题，这个库提供了一个完全兼容的Qt小部件。
- 使用OpenSceneGraph和OSG地球库开发了一个逼真的3D环境。
- 最后，使用YARP库来解决进程间通信。YARP是一个开源代码框架，能够跨平台，几乎全用C 编写，它以非常有效的方式支持分布式计算。
在软件开发阶段，主要的难点在于系统中具有多个UAV，任务和相关事件的异步性质。除此之外，少数几个涉及不同库之间的整合问题需要解决。
最后，应该提到的是，地面站的设计和实现对于无人机的数目没有限制。在本文中，截图对应到由四个无人机组成的平台，但是再起其界面的布局中 可以轻松的直接配置数量更高的无人机。在这一点上，处理更多的无人机的限制在于操作人员的能力上。
在以下的小节中描述了地面站的几个主要的小部件以及操作者是如何使用它们来控制几个无人机的。
3.1 大理石地图小部件
在任何的地面站软件中地图小部件都是一个很重要的组成部分，它在一个地图上显示了无人机的位置和方向并且实时更新数据。他还显示了一些其他的信息，例如感兴趣的区域，入侵者，航点，轨迹，以及来自无人机的视频流等等。
这个小部件是基于大理石库，地理信息由开放街道地图项目提供。与Google地图相比，这种组合已被证明是一个有趣的选择，具有一些重要的优势：在操作该系统的期间不需要访问互联网（它可以将感兴趣的领域提前缓存在磁盘中）。
地图窗口小部件是完全交互的，用户可以执行不同的操作：放大/缩小，移动，按照选择的无人机生成任务和路径，选择要显示的元素（无人机，航点，相机投影，入侵者或监视区域），获取坐标等。
3.2 SVG小部件
一些信息组件例如电池电量就是典型的使用SVG部件（见图4左）以模拟驾驶舱环境，对与操作人员这更加直观。这些小部件是基于QT嵌入窗口例程。
图4
图4：左边是在地面控制中使用的SVG小部件的示例。右边的控制面板集成了对应不同任务的按钮，以及一个迷你的HUD和一个经典的任务计时器。
3.3 OSG地球小部件
OSG Earth小部件显示了3D的实际大小的地球模型，其地理信息也由开放街道地图项目提供。在地球模型中，系统将UAV和其他相关元素绘制到任务中，例如航路点，从UAV到下一个预定航路点的线，垂直于地球表面的平面显示剩余轨迹等。
可以在地形上显示建筑物，桥梁，纪念碑等的其他3D模型，以增加环境的现实性，并提高远程操作员的情境意识。可以从COLLADA模型加载这些对象。图5显示了这个小部件的截图。
图5
图5：在地面控制站使用的OSG地球小部件的屏幕截图。相机可以配置为由操作员控制或从追逐或俯视图自动跟随无人机。也可以切换到任何虚拟视图可用的地面摄像机。
3.4 多UAV控制面板小部件
当将一个无人机添加到系统时，将使用唯一的颜色代码标识符创建新的UAV控制面板小部件。控制面板显示无人机的编号并且通过一个LED灯显示通信状态。还有八个按钮将以下任务发送到无人机（从左到右依照图4，右）：
- 第1行：起飞，降落，返航，转向
- 第2行：监管，等待，取消，补充
强调指令按钮和信息的配置对简化操作人员的工作是很重要的。控制面板上的任务按钮允许构建基于不同任务结合的复杂的任务。此外，无人机上的ADL和EL（参见第2节）检查不同的指定任务，以防止不一致和不安全的轨迹。
最后，开发并集成了具有经典人造视野水平的迷你平视显示器（HUD）。它显示了无人机相对于地平线的方向，以及高度，航向和速度。如果可得到，这些信息将覆盖在装在无人机上相机拍的图片上。
3.5 图表小部件
图形小部件能够实时绘制所选的无人机上不同传感器的数据。其中可用的测量值有偏航角，俯仰角，翻滚角以及速度矢量和电池电量。它还在笛卡尔坐标系[x，y]中绘制了无人机所遵循的轨迹（如图6所示），因此在执行任务期间，操作员可以跟踪其飞行路径。
图
图6
图6：图形小部件在笛卡尔坐标[x，y]中显示无人机所遵循的轨迹的一个例子。
3.6 OSD通知和警报
在执行任务期间可能发生的不同事件以不同的方式通知操作员。入图7所示，在顶层，创建了一个OSD系统在部分透明的窗口中向用户弹出通知。
如图12所示，具有较高优先级的事件或操作员需要交互式应答的事件将显示在弹出窗口中。声音也可以链接到两种类型的报警。
3.7 日志播放小部件
对于任务通报目的日志播放小部件是一个用来重新显示以前的飞行和实验数据的非常有用的工具。操作员只需要选择与之前任务对应的日志文件，即可使用通用的多媒体控制（播放，停止等）来重播。
图7
图7：OSD通知系统的一个示例，其使用部分透明的窗口来使操作者了解不同的事件。
4、实地实验中的地面站测试
地面控制站于2011年11月在塞维利亚进行实地试验。以前描述的多无人机监视系统结构加上已经开发好的的地面站一起被用在两种类型的任务中，并具有两个定制的四旋飞行器。
4.1 硬
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