項目六

無人機地面站飛行操控《無人機飛行操控技術(shù)》DRONES項目引入

隨著科技的不斷進步，無人機市場正在迅速崛起，其應用的領(lǐng)域和適用行業(yè)也愈發(fā)的廣泛，而地面站系統(tǒng)作為無人機的交互媒介，其涉及的原理和技術(shù)對無人機的發(fā)展具有十分重要的意義。地面站作為無人機系統(tǒng)不可缺失的一部分，是無人機系統(tǒng)的操縱中心，主要用來實時接收并處理無人機遙測的飛行數(shù)據(jù)，不定時地向無人機發(fā)送控制指令（如起飛、懸停）控制無人機的飛行，并負責完成無人機在飛行過程中的多種任務。無人機地面站操作的技術(shù)水平和操作效率很大程度影響著無人機的整體飛行過程，通過不斷優(yōu)化和提升無人機地面站操作的精準度，有助于減少操作誤差和操作風險，推動無人機技術(shù)的發(fā)展和應用，實現(xiàn)無人機技術(shù)的革新。學習目標了解無人機地面站的功能；能夠采用DJIPilot2地面站軟件對經(jīng)緯M300多旋翼無人機進行地面站任務規(guī)劃和飛行任務執(zhí)行的相關(guān)操作；能夠采用極智UAVGCS地面站軟件進行垂直起降固定翼無人機地面站任務規(guī)劃和飛行任務執(zhí)行的相關(guān)操作；能夠?qū)ι珊洼敵龅某晒募M行檢查；掌握無人機地面站自主飛行應急操作的方式方法。思政要點無人機技術(shù)的發(fā)展應關(guān)注社會發(fā)展的需求，為社會提供更加便捷、高效、安全的服務，用技術(shù)的力量造福社會，推動社會的可持續(xù)發(fā)展。職業(yè)教育要求培養(yǎng)學生的社會責任感，在進行無人機相關(guān)專業(yè)知識的教學過程中引導學生認識社會責任的重要性，強化學生為社會發(fā)展和為人民服務的責任意識。最終，學生能夠通過所學知識和技能推動無人機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為國家經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻。CONTENTS目錄01地面站功能介紹02多旋翼地面站飛行操控03垂直起降固定翼地面站飛行操控04自主飛行應急操作地面站功能介紹01Partone地面站定義無人機地面站，又叫無人機控制站，是具有對無人機飛行平臺和任務載荷進行監(jiān)控和操縱能力的設備，是整個無人機系統(tǒng)重要的組成部分，是地面操作人員直接與無人機交互的渠道。它集控制、通信、數(shù)據(jù)處理于一體，具有任務規(guī)劃、任務回放、實時監(jiān)測、數(shù)字地圖、通信數(shù)據(jù)鏈等功能，是整個無人機系統(tǒng)的指揮控制中心。地面站通過下達任務給無人機，并根據(jù)下達的任務控制飛行平臺和任務載荷自主完成飛行，飛行過程中地站面可以實時查看無人機的工作狀態(tài)。地面站設備一般由遙控器、計算機、視頻顯示器、電源系統(tǒng)、無線電臺等設備組成，大多數(shù)無人機都是單點地面站，通常只有一臺電腦、一個無線電臺和一個遙控器，電腦裝有控制無人機的地面站軟件。地面站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無人機地面站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括導航數(shù)據(jù)庫、用戶界面、地圖導航、串口通信等模塊。無人機與地面控制站通過無線數(shù)傳電臺通信，按照通信協(xié)議將收到的數(shù)據(jù)解析并顯示，同時將數(shù)據(jù)實時存儲到數(shù)據(jù)庫中，在任務結(jié)束后讀取數(shù)據(jù)庫進行任務回放。導航數(shù)據(jù)庫是無人機地面站系統(tǒng)中極其重要的一部分。航點及航線信息、任務記錄信息、系統(tǒng)配置信息、歷次飛行數(shù)據(jù)等都保存在數(shù)據(jù)庫中。導航數(shù)據(jù)庫用戶界面模塊是地面控制人員與無人機交互的窗口。通常包含地圖操控控件、虛擬航空儀表控件、菜單和基本控件等模塊，界面友好，使用方便。用戶界面地圖導航模塊是根據(jù)無人機下傳的經(jīng)緯度和高程信息，將無人機的當前位置標注在地圖上，同時標注無人機的飛行軌跡。地圖導航功能還支持無人機居中、在地圖上攝取航點、地圖的放大、縮小、漫游等功能。地圖導航串口通信模塊采用第三方串口通信類。地面站中實現(xiàn)了多線程、多串口的全雙工通信，實時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。串口通信無人機地面站功能無人機地面控制站軟件的功能通常包括飛行監(jiān)控、航線規(guī)劃、任務回放、地圖導航等。無人機通過無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路，下傳無人機當前各狀態(tài)信息。地面站將所有的飛行數(shù)據(jù)保存，并將主要的信息用虛擬儀表或其他控件顯示，供地面操縱人員參考。同時根據(jù)無人機的狀態(tài)實時發(fā)送控制命令，操縱無人機飛行。飛行監(jiān)控根據(jù)無人機任務需求，在地面站電子地圖上，手動或自動添加航點，為無人機規(guī)劃規(guī)劃最優(yōu)的航路，將航線上傳到無人機飛控后，無人機可以按照規(guī)劃的航路執(zhí)行飛行動作。航線規(guī)劃根據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中的飛行數(shù)據(jù)，在任務結(jié)束后，使用回放功能可以詳細地觀察飛行過程的每一個細節(jié)，檢查任務執(zhí)行效果。任務回放根據(jù)無人機下傳的經(jīng)緯度信息，將無人機的飛行軌跡標注在電子地圖上。同時可以規(guī)劃航點航線，觀察無人機任務執(zhí)行情況。地圖導航多旋翼地面站飛行操控02Parttwo多旋翼無人機地面站軟件介紹DJIPilot2是深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司開發(fā)的一款地面站軟件，專為大疆旗下無人機和云臺相機等產(chǎn)品設計，集成多種專業(yè)功能，操作簡單高效。DJIPilot2擁有非常強大的畫面監(jiān)控能力和航線規(guī)劃能力，通過使用該款軟件可以有效配合大疆行業(yè)無人機實現(xiàn)自動作業(yè)，簡化工作流程并提升工作效率。此外，DJIPilot2還具有固件升級和飛行記錄查看功能，這里以經(jīng)緯M300地面站軟件DJIPilot2為例，對多旋翼無人機地面站飛行操控方法進行說明。多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行短按一次遙控器電源按鍵，再長按2秒以開啟遙控器，打開DJIPilot2地面站軟件，點擊主界面的“航線”選項進入航線規(guī)劃。開啟無人機先短按再長按2秒無人機電源按鍵開啟無人機。01步驟一：開啟無人機和遙控器開啟遙控器02多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行進入創(chuàng)建航線界面后可以選擇“創(chuàng)建航線”或“航線導入（KMZ/KML）”選項，選擇“創(chuàng)建航線”可在衛(wèi)星地圖上創(chuàng)建航線，使無人機完成自主化航線飛行。選擇“航線導入”則可導入已創(chuàng)建好的航線內(nèi)容。這里我們點擊“創(chuàng)建航線”進入創(chuàng)建航線界面。進入創(chuàng)建航線界面先短按再長按2秒無人機電源按鍵開啟無人機。01步驟二：創(chuàng)建航線多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行DJIPilot2提供航點飛行、建圖航拍、傾斜攝影、航帶飛行四種航線類型，可以根據(jù)任務需求及任務環(huán)境進行選擇創(chuàng)建，航線類型選擇界面如圖所示，這里以航點飛行為例進行航線創(chuàng)建，航線類型選擇需求如下：航點飛行：適用于規(guī)劃單條航線，讓無人機沿著航線飛行并進行拍照或錄像。建圖航拍：適用于對一片區(qū)域進行下視影像采集，再進行二維重建。傾斜攝影：適用于多相機多角度對一片區(qū)域進行影像采集，再進行三維重建。航帶飛行：適用于對河道、公路、鐵路等帶狀區(qū)域進行下視影像采集，獲取影像數(shù)據(jù)。航線類型選擇02步驟二：創(chuàng)建航線多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行航點飛行的規(guī)劃方式包含地圖選點和在線任務錄制兩種。地圖選點可通過在地圖界面中添加并編輯航點以生成航線。在線任務錄制則在飛行過程中記錄無人機打點位置、拍照等信息以自動生成航線。點擊航點飛行即可對規(guī)劃方式進行選擇，這里采用地圖選點的規(guī)劃方式。航點飛行規(guī)劃方式選擇03步驟二：創(chuàng)建航線編輯航線04點擊地圖界面，逐一添加航點并生成航線。多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行在參數(shù)列表中編輯航線名稱和高度模式，選擇無人機和負載類型，這里采用M300RTK搭載H20N。參數(shù)主頁01步驟三：設置航線參數(shù)航線設置02航線設置包括安全起飛高度、傾斜爬升至起始點的開關(guān)、速度、高度、無人機偏航角模式、航點間云臺俯仰角控制模式、航點類型、完成動作，航線參數(shù)設置對航線所有航點生效。多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行點擊地圖界面中的航點，也可點擊“<”或“>”切換航點，便可進行單個航點設置。如圖所示，航點設置包括無人機速度、高度、無人機偏航角模式、航點類型、無人機旋轉(zhuǎn)方向、云臺俯仰角、航點動作、經(jīng)度和緯度等。單個航點設置03步驟三：設置航線參數(shù)儲存航線04當完成航線規(guī)劃后點擊儲存按鈕進行航線儲存，可在航線界面查看儲存航線，多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行點擊左側(cè)

按鍵，進入“飛前檢查”列表，用戶可檢查參數(shù)及無人機狀態(tài)并進行航線完成動作和航線失聯(lián)行為設置。飛前檢查01步驟四：任務飛行上傳航線02點擊“上傳航線”，上傳完成后點擊“開始執(zhí)行”即可執(zhí)行當前航線任務。執(zhí)行航線任務類型時，當無人機飛到航線起始點以及航線結(jié)束點會自動加減速一段距離；飛行過程出現(xiàn)黃燈快閃時，無人機進入失控保護；飛行過程出現(xiàn)紅燈慢閃或快閃時，代表無人機進入低電量返航狀態(tài)。提示多旋翼無人機地面站任務規(guī)劃與執(zhí)行飛行任務結(jié)束后，安全降落并關(guān)閉無人機，關(guān)閉無人機時先短按再長按2秒無人機電源按鍵即可。關(guān)閉無人機01步驟五：關(guān)閉無人機和遙控器關(guān)閉遙控器02短按一次遙控器電源按鍵，再長按2秒以關(guān)閉遙控器。取出負載的SD卡，將SD卡插入電腦，檢查新生成文件數(shù)量、日期是否正確。生成文件檢查03垂直起降固定翼地面站飛行操控03Partthree垂直起降固定翼無人機地面站軟件介紹UAVGCS地面站是基于航測用戶設計的垂直起降固定翼無人機航測任務規(guī)劃軟件，具有理想的人機交互界面和智能的地面站航線規(guī)劃算法，能夠?qū)骄€規(guī)劃操作步驟進行優(yōu)化并一鍵生成測繪航線，在保證數(shù)據(jù)采集精度的基礎(chǔ)上減少數(shù)據(jù)采集量，大幅度優(yōu)化了航線里程，給使用人員帶來高效的航測體驗。垂直起降固定翼無人機地面站任務規(guī)劃垂直起降固定翼無人機任務規(guī)劃基本流程包括設置航測區(qū)域、設置航測參數(shù)、自動生成航點和導出任務幾部分流程。選擇地圖源，這里以“高德地圖”為例。在地圖中使用“UAV”選項卡中“搜索位置”功能查找航測區(qū)域。查找航測區(qū)域01建立航測區(qū)域02如左圖所示，單擊右側(cè)航測選項卡，在地面站地圖顯示區(qū)會自動生成一個多邊形的陰影區(qū)域，單擊多邊形的邊可對多邊形的頂點進行添加，通過拖動多邊形的頂點即可對航測區(qū)域的范圍及形狀進行調(diào)整，如需整體調(diào)整航測位置可長按鼠標左鍵拖動陰影區(qū)域。垂直起降固定翼無人機地面站任務規(guī)劃在航測選項卡中按航測要求對分辨率、飛行高度、航線角度與重疊率等參數(shù)進行設置。設置航測參數(shù)03無人機飛行高度與分辨率互為影響，飛行時飛行高度越高，獲得的圖像中每個像素所代表的地面距離就越大，單次作業(yè)面積也就越大；默認航向重疊率為75%，旁向重疊率為60%，若成果質(zhì)量要求較高時，建議航向重疊率不低于80%，旁向重疊率不低于65%。提示垂直起降固定翼無人機地面站任務規(guī)劃垂直起降固定翼無人機地面站任務規(guī)劃自動生成航測任務04完成航測參數(shù)設置后，可在航測信息數(shù)據(jù)欄中對航測作業(yè)相關(guān)信息進行查看，確認無誤后，點擊“生成航點”即可自動規(guī)劃生成航測任務。垂直起降固定翼無人機地面站任務規(guī)劃導出或加載任務05點擊UAV菜單欄中的“導出任務”選項，即可將航測任務保存在指定的路徑。同理，選擇“加載任務”即可加載已有航測任務直接進行使用。提前在地面站軟件中將作業(yè)區(qū)域地圖進行預存，并在電腦中提前將航線進行規(guī)劃和保存，可以有效減少外場任務作業(yè)時間。但實際作業(yè)時，需根據(jù)實際地形地勢及周邊建筑物、人畜活動等情況對航線進行合理調(diào)整。垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行在起降選項卡中可對起飛盤旋點高度、起飛盤旋點方向、起飛盤旋點半徑、起飛高度和起飛角度等起飛參數(shù)進行設置。起飛參數(shù)設置01步驟一：起降設置起飛盤旋點位置設置02進行起飛盤旋點位置設置時，直接在地面站地圖顯示區(qū)拖動起飛盤旋點至適合的位置即可。由于逆風飛行將更有利于無人機平穩(wěn)的飛往起飛盤旋點，因此可將起飛盤旋點設置在起飛點逆風方向的200-300米距離內(nèi)；為提升無人機爬升效率，盡可能將盤旋點半徑設大；將機頭方向朝向起飛路徑放置，并在地面站中檢查機頭方向是否與規(guī)劃路徑起飛方向無較大偏差，防止出現(xiàn)因?qū)龅胤较虿皇煜е碌钠鸾捣较蛞?guī)劃錯誤。提示垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行在起降選項卡中可對降落盤旋點高度、降落盤旋點方向、降落盤旋點半徑等參數(shù)進行設置。降落盤旋點參數(shù)設置03步驟一：起降設置降落盤旋點位置設置04降落盤旋點位置設置方式與起飛盤旋點位置設置方式相同，拖動降落盤旋點即可進行位置和降落方向設置，該點可作為返航的安全盤旋點，也可作為無人機飛行緊急狀況下的安全盤旋位置。垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行步驟一：起降設置降落盤參數(shù)設置05在起降選項卡中可對降落的直線距離、垂起轉(zhuǎn)換高度、降落進場速度等參數(shù)進行設置。降落時，垂起轉(zhuǎn)換高度被分為兩個階段并自動執(zhí)行無人機垂直降落，第一階段速度較快，默認為3.5m/s。第二階段將以較慢速度緩慢靠近降落點正上方，默認高度為6米，速度為0.5m/s。垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行給無人機通電，無人機將自動校準各傳感器并自主進行駕駛儀檢測，此時切勿晃動無人機，否則將導致陀螺儀校準失敗或造成誤差。通電自檢01步驟二：飛機連接連接飛機02點擊UAV菜單欄中“連接飛機”，地面站軟件將自動連接無人機并上傳航測任務。如果出現(xiàn)連接失敗，可做以下操作重新進行連接：手動選擇串口；給無人機重新上電并將數(shù)傳USB斷開重新進行連接；嘗試更換數(shù)據(jù)線；重啟或更換電腦；重裝安裝正版Windows系統(tǒng)。提示垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行無人機連接成功后，可通過無人機指示燈實時監(jiān)測無人機狀態(tài)，指示燈不同顯示下的無人機狀態(tài)如下表所示：無人機狀態(tài)顯示05步驟二：飛機連接指示燈狀態(tài)無人機狀態(tài)備注紅燈快閃無人機進入IMU校準

紅燈慢閃無人機校準完畢，進入等待定位

綠燈慢閃無人機定位成功，等待解鎖起飛前通過UAV地面站解鎖綠燈快閃無人機解鎖成功，等待起飛垂直起降無人機將怠速5秒后自動起飛垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行點擊地面站底部控制欄的“檢查”選項彈出檢查列表窗口，如圖所示，按列表順序逐一進行檢查并勾選，完成所有檢查后點擊“下一步”。步驟三：飛行前檢查垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行完成檢查后，“檢查”按鈕變?yōu)椤霸O置降落點”，將無人機置于降落點后點擊地面站底部控制欄的“設置降落點”，如圖所示，在彈出的窗口點擊“確定”即完成降落點設置；降落點設置01步驟四：飛行實施垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行完成“設置降落點”后，“設置降落點”按鈕變?yōu)椤敖怄i（起飛）”按鈕，通過地面站右側(cè)飛行選項卡的飛行儀表顯示或無人機的指示燈變化情況判斷無人機的狀態(tài)。當航燈狀態(tài)為綠色慢閃或地面站飛行儀表顯示“準備就緒，可以解鎖”時，點擊“解鎖（起飛）”，按彈出警告檢查無人機，檢查完成后點擊“確定”，地面站將彈出任務信息預覽窗口，預覽完成后點擊“確定”即可，如圖所示。解鎖02步驟四：飛行實施垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行當航燈顯示綠燈快閃或地面站飛行儀表區(qū)顯示解鎖成功時，垂直起降無人機將怠速5秒后自動起飛，無人機將垂直爬升至設置的起飛高度，保持當前航向并自動切換成固定翼模式，再按原定起飛航線飛往起飛盤旋點。到達起飛盤旋點后，將默認盤旋爬升至任務高度，再飛往任務航點1。起飛03步驟四：飛行實施垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行通過地面站可實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)。地圖區(qū)域無人機圖標旁的狀態(tài)面板顯示飛行空速、高度、模式、電量及信號等情況，無人機圖標旁邊的小箭頭及數(shù)值表示風向大小及方向，另外可在右側(cè)飛行選項卡中查看更詳細的飛行數(shù)據(jù)。飛行監(jiān)控01步驟五：監(jiān)視及控制垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行在地面站地圖區(qū)可直接拖動航點控制飛行路徑。另外，無人機的路徑點、航測點及飛行路徑保存在無人機飛行控制系統(tǒng)內(nèi)，若無人機與地面站失去聯(lián)系，無人機將默認按原航測計劃執(zhí)行飛行任務。飛行控制02步驟五：監(jiān)視及控制步驟六：降落完成航測任務后，無人機將默認回到降落盤旋點并自動啟動著陸程序，按照原設定的降落路徑在降落點上方設定高度自動垂直降落，降落完成后，無人機將自動關(guān)閉電動機并鎖定。無人機著陸期間用戶有責任確保無人機的飛行安全，因此，必須保持監(jiān)視無人機的飛行降落，確保降落凈空區(qū)域無障礙物。提示將相機SD卡通過讀卡器插入電腦，通過數(shù)傳連接或USB將電腦、飛控進行連接。如圖所示，點擊UAV菜單欄中“導出POS數(shù)據(jù)”選項。設備連接01步驟七：POS數(shù)據(jù)及照片導出成果輸出02在彈出的窗口中選擇SD卡中的照片路徑，勾選對應的飛行記錄，選擇POS輸出格式并確定輸出目錄，設置完成后點擊“導出POS”，地面站將自動匹配POS記錄及照片并將有效圖像數(shù)據(jù)更名后復制到指定輸出目錄。垂直起降固定翼無人機地面站飛行任務執(zhí)行檢查輸出的POS數(shù)據(jù)及照片的文件數(shù)量、日期是否正確。成果檢查03自主飛行應急操作04Partfour自主飛行應急操作①若無人機未起飛，進行磁羅盤校準或更換到磁場干擾較