GCS与无人机自动驾驶仪

第四讲：GCS与无人机自动驾驶仪

★这一讲的内容，基本以YS09自驾的基本内容来展开。

1.GCS的引进

光看视频监视器，依然不能直观地了解飞机的实时位置信息。这时候可以引入简单的地面站软件系统，利用便携式电脑而不是小电视来显示遥测数据。

有了GCS，就能扩展许多新功能，比如：

功能一：更直观地显示飞机的实时位置。即载入电子地图，显示飞机的实时飞行轨迹；

功能二：指哪飞哪。即，在地图上选定一个点，让飞机飞往该点并绕之盘旋。实际上是盘旋功能的扩展。此外，还有定点盘旋、到达航点后盘旋、云台锁定目标盘旋等扩展方式。

功能三：显示更多有用数据。便携式电脑上能以仪表、数据选项卡（位置可复用）等形式来加强数据显示功能。

功能四：航线功能

有了GCS后，自驾系统可以进一步扩展出一个航线功能。在地图上选定几个航点，根据映射关系知道这几个航点的经纬度数据，然后给每个点预设一个飞行高度，就能生成一条目标航线。把航线数据上传到自驾上，就能让飞机以更精确的方式来执行航拍任务了。

2．航模与无人机有什么关系？

(1)RC发射机手动控制与GCS自动控制

简单来理解，无人机尺寸比航模大，载重比航模多，通信距离比航模远，自动化程度比航模高。其中最重要的区别，就是无人机的高度自动化的工作方式。

在航模中，RC发射机是最主要的命令发信源，手动模式是最基本的飞行控制模式，在无人机中，带GCS（Ground Control Station，即地面站软件）的便携式电脑，是最主要的命令发信源，而自动模式才是最基本的飞行控制模式。所谓自动模式，就是，用户在电脑上发出命令，然后通过数据链路（GCS->串口->地面数传电台->机载数传电台->飞行控制器）传到飞机上，由飞机上的飞行控制器分析处理后，再去驱动各执行设备（如舵机）的工作。

可以认为，GCS自动控制是RC发射机手动控制的扩展和延伸。还可以做其他的类比：GCS的遥测数据监视，是OSD的扩展和延伸；GCS的通信协议，是PWM规则的扩展和延伸；GCS的参数设置，是舵机通道感度旋钮的扩展和延伸；等。

(2)有三种通过GCS发出控制命令的方法：

①直接点击某个按钮或菜单，如“开伞”功能，GCS就自动按照专用的通信协议产生一条数字命令；

②先以键盘输入、鼠标动作、RC发射机动作等形式向GCS录入一个或一组数据，然后

由GCS按照专用的通信协议打包成一条数字命令；

③先进入某种状态，然后使用鼠标或键盘持续操作，如拖动某个滚动条或在电子地图上点击不同的点，鼠标或键盘的每次操作，都会使GCS按照专用的通信协议产生一条对应的数据命令。

（3）通信协议

百度百科解释：“通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。”

上图是FY21AP通信协议中的一个指令，用于向自动驾驶仪上传定高飞行的高度参数。假设在GCS中设置的高度为100米，换成十六进制就是Ox64(100=16*6+1*4)，于是高位data2=0x00,低位data3=0x64 。指令字长是5位，于是data0=0x05,指令功能识别号为0xb1,于是data1=0xb1。然后是校验码，把data0-data3加起来等于5+177+0+100=282，除以256后余数为26，即0x1a，于是data4=0x1a。

于是要上传的完整指令就是：“0xa5-0xa5-0x05-0xb1-0x00-0x64-0x1a-0xaa”。自驾收到指令后按照通信协议进行解读，首先连读到两个“0xa5”，知道是一条指令的开始标识，接着读到一个“0x05”，知道这条指令有效字长为5，接着读到“0xb1”的功能识别号，知道这是一条设置高度的指令，然后是“0x00-0x64”，知道高度为100米，然后已经来到有效数据的最后一位，就把前面的四个数字累积并求余，得到一个数字，拿这个数字来和“0x1a”进行对比，如果两者相等，则校验成功，如果不相等，则视为无效数据直接丢弃。

（4）无人机、自驾与航拍

自驾与无人机的典型应用就是航拍。

即按预设航线自主飞行，按预定方式采集有用的图像资料。也就是说，YS09自驾在无人机上的主要功能就是，使飞机平稳的压线飞行，可以实时增删航点、修改航点信息，可以实时调整飞行参数，可以实时飞往任意点(包括预设航点和临时兴趣点)，并调整飞行高度，在此基础上，控制云台转动，驱使照相机和摄像头进行拍摄。

做个简单类比，说明云台的作用。摄像头好比人的眼睛，可以用来看风景，云台就好比人的头部，可以转动到不同角度来看周围的风景。一般而言，拍照时很少使用云台，或只使用正射云台（镜头一直垂直向下，当飞机偏离水平位置时，自驾会发出增稳信号使镜头回到垂直向下的状态）。拍视频时，基本上都要用到云台，一般是目标锁定云台（它的高级用法是“凝视”，即飞机绕目标点盘旋，而镜头始终对准地面目标。）

3.从功能升级的角度简述自主飞行与航拍的关系

1）无人机航拍的基本内容

自主飞行与图像采集。本文主要讲解固定翼无人机的测绘级航拍（以YS09自驾为例）。2）自主飞行的内容

需要进行姿态测量与位置测量，还有最终全都转化为舵机控制的姿态控制与位置控制。3）图像采集的内容

分成两类：自动照相与录像。分三种情况：离线回收或实时回传，或两者兼有）。

4）YS09自驾需要对以下设备进行操作：

①简单分为五组：电池、自驾、RC链路设备（RC发射机与RC接收机）、数据链路设备（数传电台、USB-串口转换器和便携式电脑），以及舵机。

②地面控制设备：

RC发射机、地面数传电台、USB-串口转换器、便携式电脑、12V地面电台电池。

③机载飞行设备

RC接收机、机载数传电台、12V自驾电池（同时还直接给机载电台供电）、6V舵机电池（或由其他途径获取6V电源）、自驾、GPS、气压计导管、马达、机体、飞行舵机（AIL/ELE/RUD）、电调（电动飞机专用，油动飞机还是使用舵机）、降落伞舵机等。

④机载图像采集设备

云台舵机（最多三轴）、照相机（利用快门线信号）、摄像头（若能调焦）。

5）与YS09无关的其他设备

①地面图像设备：图传接收机，视频监视器，以及DVR。

①机载图像设备：图传发射机，OSD。

6）无人机自驾的等级分类

可简单分为FPV级、普通航拍级与测绘级。

因为无人机自驾里的大部分功能都集成在GCS中，因此，可以根据GCS功能的完备性来区分无人机自驾的等级。甚至可以认为，不带GCS的自驾，根本就不是无人机自驾。7）FPV级自驾（当前市场参考价为1500-5000人民币）

过去，FPV自驾能控制增稳和自动回航，但很少提供GCS功能。随着技术门槛不断降低，也有不少FPV自驾开始提供GCS操作，不过一般只有数据监视而不支持实际控制，或允许输入少数航点进行简单航线飞行（但压线效果很差，即多航点功能与压线飞行完全是两码事）。

如果一款FPV自驾能支持GCS航点输入与简单航线飞行，那么它就可以归类为FPV级无