文章目录
- 1.一种铁路巡线无人机充系统（专利）
- 2.基于高速公路违章检测的无人机地面站的设计实现（C++）
- 地面站
- 地面站的功能
- 无人机地面站的不足
- 该课题的优势
- 软件模块设计
- 软件模块的需求分析
- 软件模块的实现
- 开发环境
- 开发工具
- QGroundControl 地面站软件
- Qt Creator
- jMAVSim
- 3.多旋翼无人机的手机监管系统设计与开发（IOS）
- 植保/航拍模式
- 客户端各模块的功能
- Xcode软件平台开发
- 航迹规划模块
- 植保模式航迹规划算法
- 航拍模式航迹规划模块
- 4.*民用无人机管控系统的设计与实现（Java）
- 无人机跟踪算法
- 无人机预警算法
- 国外无人机监管系统
- 国内无人机监管系统
- 无人机实名登记与飞行计划申报子系统
- 逻辑架构与功能架构
- 开发方案
- 数据库模型
- 无人机飞行监控子系统
- 逻辑架构与功能架构
- 开发方案（Mission Planner 地面站）
- 5.基于无人机的高速公路违章管理软件系统的设计与实现（与2是同一个课题）
1.一种铁路巡线无人机充系统（专利）
在该系统中，无人机完成的主要工作是代替传统人工巡线模式，以提高巡线效率。但同时无人机存在续航时间短的局限性。实现该系统的同时还需要解决无人机续航时间短的问题。
该系统包括电能发射模块、电能接收模块、定位模块、通信模块以及辅助检测设备。
电能发射模块：负责给无人机提供电能，由设置于铁路沿线的多个相同的电能发射子模块构成；
电能接收模块、定位模块、辅助检测设备：设置于无人机上，并分别与该无人机的飞行控制模块连接；
无人机的飞行控制模块：载入预设定铁路巡线路径、电能发射子模块位置以及选取距离最近电能发射子模块的充电方案。
通信模块：所述无人机和每个电能发射子模块上均安装有通信模块，用于电能发射子模块和无人机之间的通信。无人机上的通信模块与飞行控制模块连接，电能发射子模块上的通信模块与电能发射子模块的电能发射电路连接。
辅助检测模块：包括摄像头及超声波探伤仪或电磁扼探伤仪，用于检查铁路的实时状况。
定位模块：设置GPS模块和陀螺仪模块于无人机上，用于确定无人机位置。
2.基于高速公路违章检测的无人机地面站的设计实现（C++）
本文根据高速公路违章检测的应用需求，使用 C++和 Qt 语言，在LINUX 操作系统中，对无人机地面站进行了功能的设计与软件开发工作。
地面站
使用无人机进行高速公路的车辆违章检测离不开地面站的指挥和控制，地面站是无人机系统的核心和灵魂。
无人机地面控制站(Ground Control Station)也称任务规划与控制站或指挥控制站，简称为“地面站”（GCS），地面站有车载等多种方式，具有任务规划和指挥控制等主要功能。
地面站的功能
无人机地面控制站的几个典型的功能：
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无人机的飞行姿态控制 无人机硬件系统中的各种传感器能够获得飞行的状态信息，然后通过无人机与地面站之间的数据链路将飞行状态信息传回地面站。地面站解析出信息之后，根据不同的飞行姿态算法，形成控制参数和控制指令，再通过数据链路传送回无人机，从而实现对无人机飞行姿态的控制。
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任务规划
2.1 实现无人机的位置监控
地面站通常具有地图显示功能，能够通过无人机传送到地面站的 GPS
信息，在地面站中具体位置显示。
2.2 实现无人机的自主飞行
在地面站中设置航线，通过数据链路上传到无人机，然后通过指令形式，使无人机按照设置的航线飞行。 -
校准无人机 无人机在起飞之前通常会进行机翼等部位的校准，无人机地面站在与无人机连接的情况下可以对无人机进行校准，减少了无人机飞行障碍问题。
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目标定位功能 目标定位与无人机的导航技术联系密切
4.1 实现目标位置的精确计算 当地面站接收到无人机发送的距离、高度以及方位角等数据时，也接收到其附加的时间信息，将无人机的瞬时位置数据和这些量相结合，从而实现目标位置的精确计算。
4.2 精确确定目标位置 而为了精确确定目标位置，需掌握飞行器的位置、无人机至目标的短矢量角度和距离，这时需要导航技术。
无人机地面站的不足
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通信功能完善
无人机地面站一般都可以通过无线通信控制无人机的飞行姿态，但对于特定的应用场景，无人机地面站的已有通信功能不能满足要求，可以根据具体需求，在已有的通信基础上进行通信功能拓展；另一方面，无人机地面站可以顺应时代
的发展，增加与服务器端的通信功能，间接的将地面站与目前应用非常广泛的浏览器和微信联系起来，以此拓展地面站的应用功能。 -
无人机地面站地图功能完善
无人机地面站在国内只能访问一些特定的地图类型，国外的地图无法访问，可以对地图功能进行开发，增加可选择的地图类型。 -
对无人机的实时控制
通常通过实体遥控器实时控制无人机飞行，地面站软件对无人机的实时控制不灵活，可以应用实体遥控器的原理，针对地面站对无人机的控制功能进行开发。 -
其他功能完善
无人机在特定的应用场景下会增加传感器，可以根据无人机新增的传感器（该课题新增了超声波传感器），然后在地面站中进行对应的功能开发与实现，也可
以根据具体应用需求，对地面站进行功能开发，如完善界面设计、显示信息等。
该课题的优势
本课题则着重于其中的无人机地面站技术的研究与开发，使其在高速公路违章检测系统中具有如下优势：
- 利用无人机空中巡检，无人机地面站进行控制，能够节省人力、增加违章检测的灵活性。
- 地面站作为无人机控制的核心，实时接收无人机检测到的具体路段车辆违章信息，通过地面站进行违章信息管理，不仅提高检测的效率、增强了检测的实时性，而且能更加直观的观测违章情况。
- 通过地面站将违章信息存储到数据库，能够提高违章数据的复用性，数据库将违章信息通过微信推送给用户，增强了实用性，使用户能够更快速清楚的了解自己的违章信息。
软件模块设计
- 地面站系统通信链路的研究与实现
1.1 研究了地面站与服务器端数据库间的通信协议，设计了通信消息帧、通信程序、通信界面，实现了将地面站接收到的无人机传送的违章信息以及飞行状态信息发送到数据库存储；
1.2 实现了在地面站中访问浏览器网页的功能，通过访问服务器端的管理系统模块（网页形式）间接访问数据库中存储的车辆违章历史数据。 - 无人机地面站软件功能的设计与实现
2.1 对课题开发所基于的地面站进行了汉化工作；
2.2 研究了电子地图并增加了谷歌中国地图；
2.3 根据无人机检测到的车辆违章信息在地面站软件地图中的对应违章位置动态有序的标记违章点，并在文本框中显示和违章点序号对应的具体违章信息；
2.4 设计了对应于不同功能需求的可视化界面；
2.5 为实现由地面站完全操控无人机，节省实体遥控器的成本以及无人机端硬件模块的体积，在地面站中设计并实现了虚拟遥控器。
软件模块的需求分析
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地面站与服务器通信
一方面需要将车辆违章信息、无人机飞行状态信息等发送到服务器端的数据库存储，使得更多的无人机信息和违章信息能够存储下来，便于数据分析；另一方面服务器端管理系统以浏览器网页的形式管理数据库中的信息，在连接网络的情
况下，需要地面站软件中直接通过请求浏览器网页，间接的访问数据库中的违章历史数据等。
所以需要实现地面站与服务器的通信功能。 -
地面站软件功能需求
主要从控制无人机、界面的设计、电子地图、数据显示、违章信息点、虚拟遥控器的设计部分展开。地面站软件是地面控制枢纽，需要实现对无人机的控制；地面站也是可视化界面：与数据库端的通信需要通信界面，访问管理系统需要显示界面，设计虚拟遥控器需要虚拟遥控器界面；电子地图能够显示无人机的位置，无人机的飞行姿态，设置航点，航线等，也需要进行功能的开发；车辆违章信息需要在地面站中地图的具体位置标记出违章点，并在文本框中显示出违章点对应的违章具体信息。
软件模块的实现
开发环境
该课题地面站系统的开发基于的操作系统应该具有较强的移植性、稳定性、完全性，比较 Windows 操作系统和 Linux 操作系统的特性，最终选择 Linux 操作系统进行地面站系统的开发工作。所以先在 PC 机中安装了 Linux 操作系统，再进行地面站开发所需的软件环境的搭建。地面站软件工程是使用 Qt 和 C++语言进行的开发。同时地面站的一些功能的调试，需要无人机，考虑到调试的可行性，在 Linux 操作系统中需要安装无人机的仿真软件，便于地面站的调试工作。
开发工具
QGroundControl 地面站软件
QGroundControl 是目前比较流行的地面站软件，是开源的，比较容易获取源码。可以先对其进行研究，利用其已有的功能，再在此基础上针对课题的功能需求进行开发，这样既可以实现本课题的应用要求，也可以减少一部分的工作量。
该课题最终确定使用QGroundControl作为本课题的地面站软件开发。
Qt Creator
Qt 是一种面向对象的开发框架，允许组件编程，而且容易扩展，可以通过代码生成一些
扩展和宏。另外，Qt 适用于跨平台的 C++图形用户界面的应用程序开发，包括 GUI 程序的开发和非 GUI 程序的开发，例如服务器和控制台工具的开发。 Qt Creator 作为轻量级跨平台集成开发环境，适用于 Qt 的开发，其提供了支持跨平台开发的集成开发环(IDE)，IDE不仅支持 Linux 操作系统，还支持 Mac OS X 以及 Windows 操作系统，跨平台性能良好。
jMAVSim
为了便于在地面站中调试飞控，使得效果更加的明显，安装了飞控端的仿真软件，可以
模拟飞控实际的飞行状态，并在地面站中实时的显示。
jMAVSim是一款简单的四旋翼仿真机，可以让你在模拟世界中运行固件为 PIXHAWK 的四旋翼飞行器，比较容易设置，可用来测试你的飞行器基本的起飞，飞行，着陆，并对各种状况（例如 GPS 故障）做出适当响应。
3.多旋翼无人机的手机监管系统设计与开发（IOS）
本文根据自主研发的无人机飞行控制系统设计了基于 iOS 的无人机监管系统。本监管系统根据实际需要分为两款移动端 APP：调参软件和管控软件。调参软件用于设置无人机飞行参数、校准遥控器及查验无人机参数，管控软件用于规划路径、上传指令及对无人机进行实时监控。本系统通过 Xcode 软件平台开发，使用 Objective-C 语言实现全部功能需求。
植保/航拍模式
如图 4.2、4.3 分别为四旋翼植保无人机和六旋翼航拍无人机。植保无人机配备药检设备和水泵设备，在自主作业时，其喷洒区域应尽量覆盖作业区域。航拍无人机携带拍照设备，其自主作业时的航点参数信息需要设置，例如飞行高度、悬停时间等。
客户端各模块的功能
Xcode软件平台开发
Xcode 是运行在操作系统Mac OS X上的集成开发工具（IDE），由Apple Inc开发。Xcode是开发 macOS 和 iOS 应用程序的最快捷的方式。Xcode 具有统一的用户界面设计，编码、测试、调试都在一个简单的窗口内完成。
本系统通过 Xcode 软件平台开发，使用 Objective-C 语言实现全部功能需求。Xcode 开发平台为此提供了iPhone 5S 到 iPhone XR 之间所有型号的手机模拟器。
航迹规划模块
无人机有着植保和航拍两种不同的作业模式，不同模式下，航迹规划的方法有所不同。
植保模式航迹规划算法
以如图 4.23 所示不规则图形作为作业区域，首先确定植保机飞行的初始航线，找出与该航线相距最远的边界点。过该点做初始航线的垂线，分割作业区域。根据喷洒幅度，计算出每个部分边界线上的航迹转折点。对航点重新遍历，按照“S 形”的飞行轨迹，将航点依次存入数组。
航拍模式航迹规划模块
在航拍模式下，作业模式分为多点模式和即点即飞模式。多点模式是在地图上设置多个航点，航点连接而成的航迹就是任务方案，方案可以被保存。即点即飞模式则是在地图上只能选取一个航点，航点的经纬度和无人机飞行速度可设置。
4.*民用无人机管控系统的设计与实现（Java）
该课题主要研究了无人机的跟踪算法和预警算法。
且该课题涉及两个子系统：无人机实名登记与飞行计划申报子系统和无人机飞行监控子系统
无人机跟踪算法
针对传统无人机跟踪算法定位精度不高，不同运动模式、机动强度适应性不强等问题，根据不同运动模型及跟踪算法的特点，通过将改进的常速模型（CV）、“当前”统计模型（CS）附加卡尔曼滤波算法（KF），3D 固定圆心常速率常转向率模型（CSCTR）附加无迹卡尔曼滤波算法（UKF），提出了一种基于三维空间的交互式多模型无人机跟踪算法，仿真对比实验表明该算法具有良好的定位滤波精度及鲁棒性。
无人机预警算法
由于无人机运行过程中缺乏检测禁飞区域的有效手段且实时危险预警能力较差，在分析临时禁飞空域建模规则及拓扑关系的基础上，采用基于位置和速度方向的航点矢量约束方法，对无人机禁飞空域预警算法进行了研究；利用数字高程模型，结合双线性高程内插算法，通过对无人机当前位置与最小离地高程曲面进行实时匹配，对无人机近地预警算法进行了研究。
国外无人机监管系统
国内无人机监管系统
无人机实名登记与飞行计划申报子系统
逻辑架构与功能架构
开发方案
该子系统基于 Eclipse 平台，采用 B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，使用 Java EE 企业应用级 SSM（Spring+Spring MVC+My Batis）框架搭建。通过将系统后台装载到 Tomcat 服务器，实现用户前端到后台服务器 Web 资源的访问。系统使用MySQL 数据库管理系统中的所有数据和表单，并在服务器端采用了 MyBatis 持久层框架与数据库进行连接与数据交互。无人机实名登记与飞行计划申报子系统是一个具有前后端开发架构、设计合理、功能完整的 Java Web 项目。
数据库模型
无人机飞行监控子系统
逻辑架构与功能架构
开发方案（Mission Planner 地面站）
无人机飞行监控子系统基于 Visual Studio 集成开发环境.NET 平台及.NET Framework 4.6.2 框架，以满足系统桌面应用可视化展现、系统*专用性特点为导向，采用 C/S（Client/Server，客户机/服务器）模式，利用 C#语言及 Win Form 桌面应用开发技术实现系统开发。
Mission Planner 地面站（以下简称 MP 地面站）是一种适用于无人机固定翼、多旋翼、无人车等多种自动车辆的地面端控制软件，提供了包括 Ardu Pilot、PX4 等多种无人机固件的支持，并且具有载具配置、调整性能、任务规划、监控飞行等多种功能。MP地面站在 1.3.50 以后版本的代码不支持 Windows7 操作系统，考虑到编译的便捷以及系统支持性，本文采用 1.3.49 版本在 VS2017 中进行编译。
5.基于无人机的高速公路违章管理软件系统的设计与实现（与2是同一个课题）
本课题以设计与实现基于无人机的高速公路违章管理软件系统为目标，通过对无人机记录的数据进行分析和分析高速公路违章管理的业务模式，合理的设计数据库存储、违章查询以及信息推送方案，实现可以使用的软件管理系统。