: 10． 3969 / j． issn． 1003 － 3106． 2015． 01． 03 doi 引用格式: 王 鑫，王 超，彭演兵，等 ． WPF ］ 技术在无人机地面控制站中的应用［ J ． 信息系统与网络 无线电工程， 2015 ( ， 45 1 ) : 9 － 12 ， 39． WPF 技术在无人机地面控制站中的应用 王 鑫，王 超，彭演兵，邓宏彬 ( 北京理工大学 机电学院，北京 100081 ) 摘 要 新一代 呈现基础 ( Windows Windows Presentation Foundation 力而备受瞩目，并广泛应用于图形处理和界面设计上 了当前国内无人机地面站设计中的不足和 探讨了 处理技术 需求 技术在无人机地面控制系统关键领域中的设计 WPF 通过飞行仿真系统测试以及野外试飞试验，验证了应用 WPF WPF 在 。 。 。 技术相对于传统技术的优势 WPF ， WPF ) 技术以其丰富的界面表现力和功能扩展能 分析 针对国内无人机地面站发展的技术特点，详细 图像视频 技术所设计地面站系统满足无人机地面站的功能 的视频处理上，创新性地融入了 DirectShow 技术 WPF 。 。 针对某小型无人机，在地面控制站的设计中应用了 。 关键词 无人机; 中图分类号 V279 WPF ; 地面站; 视频流 文献标识码 A 文章编号 1003 － 3106 ( ) 2015 01 － 0009 － 04 Application of WPF Technology in UAV Ground Control Station WANG Xin ， WANG Chao ， ( ， PENG Yan-bing ， DENG Hong-bin School of Mechanical Engineering Beijing Institute of Technology Beijing 100081 ， ， ) China Abstract Next-generation Windows presentation foundation WPF technology is attracting more and more interests for its rich ( ) interface expression ＆ functional scalability and is widely used in graphics and interface design． In this paper design of a small UAV． The current UAV ground station design deficiencies of China and the advantage of WPF technology compared with traditional technology are analyzed． According to the characteristics of the development of UAV ground station in China of WPF technology in the key areas of UAV ground control system is discussed in detail． In WPF video processing ， WPF is used for the GCS ， the design ， DirectShow video processing technology is used innovatively． Flight simulation system test and field test flight verify that the UAV ground station based on WPF technology meets the functional requirements of UAV ground station． ; ; ; WPF ground station video streaming Key words UAV 0 引言 。 。 航迹规划 、 无人机地面控制系统即地面站，是无人机系统 的指挥控制中心，可以完成针对无人机的飞行遥控 、 地图导航 视频监控和数据状态显示等功 、 目前，对于无人机地面站的相关技术研究已经 能 成为国际上的一个研究热点，如人机交互 导航定位 、 一些著名的大学和研究机构都将其 和虚拟仪表等 作为一个重要的研究领域，如斯坦福大学成功实现 了通过地面站控制无人机声纳传感器来返回高度信 ］; 加利福尼亚大学伯克利分校在无人机地面 息［ ， 2 站中采用了基于视觉的地图定位和导航系统［ ］ 3 。 在国内对地面站的研究也在不断深入，在功能扩展 的同时，很多问题也随之而来 例如文献［ ］中提 4 的地面站的设计，实现了数据传输 出了基于 和虚拟仪表等，但是没有涉及到视频显示功能 文 VC + + 。 1 。 献［ ］提出了基于 地图控件的地面站控制软 5 件设计，其地图控件的兼容性存在一定问题，并且二 次开发的时间较长 MapX 。 本文利用新兴的 WPF 技术实现和改进了无人 虚拟仪表和数据显示等基 机地面系统的地图显示 、 本功能，提高了开发效率 同时解决了国内无人机 地面站设计中存在的一些难题，如视频传输显示 动 、 画功能和控件兼容等 。 。 1 WPF 技术 是 WPF Windows 为下一代显示系统的窗口显示设计技术 序的开发，提供了丰富的 了矢量图形 呈现基础，由微软推出，被称 对应用程 界面设计框架，集成 视觉效果和 丰富的流动文字支持 、 ． NET 、3D 。 收稿日期: 基金项目: 国防基础科研基金资助项目 2014-09-26 。 2015 年 无线电工程 第 45 卷 第 1 期 9 

所示［ ］ 9 。 信息系统与网络 动画模型框架 。 处理，前台使用 台使用 条理清晰，简单明确 于多种数据访问接口，方便与第三方软件集成［ 在开发过程中界面和逻辑控制分开 语言作为界面构建语言，后 等高级语言作为控制语言，应用程序开发 具有多种编程模式，适 。WPF XAML C# ］ 6 目前，无人机地面站的研究大多是基于 LabVIEW 成熟，例如 Basic、Visual C + + 、Borland C、Labwindows / CVI Visual 和 等开发工具和技术设计地面站，技术相对 而 操作系统推 技 语言，对初学者或者想短时 WPF 广才逐步流行的一门新兴技术 术需要运用 间内完成程序的开发者具有一定的难度 已经有 技术是最近几年随着 多年的开发历史 而且，由于 Win7、Win8 VC + + XAML WPF 和 C# 20 。 。 。 。 然而，把 技术引入到地面站控制系统中， WPF 却比传统技术拥有独特的优势［ ］: 6 图形界面技术可以将间断的数据以动 ① WPF 画的方式呈现给用户; 简单的串口和网络通信程序类库，方便对数 据实时采集传输; 特定的第三方地图控件，功能强大，操作简 单，不需要进行二次开发就可以直接使用; ② ③ ④ 图技术对仪表进行绘制; 自带视频处理控件，缩短了视频监控开发 时间 ⑤ 。 2 地面控制站系统及其功能 2． 1 小型无人机地面站系统 ］ 7 现代无人机地面站系统集通信测控 数据处理 、 、 地图导航和视频显示等技术于一体，是无 仪表显示 、 本文针对某小型无 人机体系的核心部件之一［ 人机的地面站系统，通过与无人机机载通讯模块建 立双向通信链路，地面站实时接收无人机下传的飞 行状态信息，或发送对飞机控制的命令，实现小型无 小 人机的飞行状态实时监控与飞行过程干预［ 型无人机系统如图 所示 。 。 ］ 8 1 。 图 1 小型无人机系统 2． 2 小型无人机地面站系统功能 设计的 无 人 机 地 面 控 制 站 系 统 功 能 如 图 10 2015 Ｒadio Engineering Vo1. 45 No. 1 2 在 WPF 制作虚拟仪表时不用繁琐的利用计算机绘 通过地面站可以设定飞机的飞行模式: 程控或 图 2 地面站系统功能 数据监控 2． 2． 1 无人机的一些状态量通过数据传输最终反映到 纬度和螺旋桨 、 界面，包括无人机的姿态参数 转速等信息［ 经度 、 ］ 9 。 地图导航 2． 2． 2 地图可以说是地面站的标配，地图的功能是地 地图 操作地图，可以在地图上绘制航迹点， 、 面站软件最重要的功能，也是最直观的功能 控件可显示 实时显示飞行航迹 飞行遥控 。 。 2． 2． 3 遥控; 设定干扰模式: 通讯干扰或 干扰 。 GPS 2． 2． 4 视频监控 视频监控通过无线传输显示无人机摄像头所拍 到的画面，并可进行视频的存储和回放 。 2． 2． 5 通信连接 无人机与地面控制站的通信分为串口通信和网 络通信 地面控制站可以通过串口或者网络通信的 方式 与 无 线 传 输 模 块 连 接，进 而 与 无 人 机 进 行 通讯［ 。 ］ 10 。 3 WPF 在地面站关键技术中的应用 3． 1 地图设计 地图显示是地面控制站中的核心，也是难点 。 现在大部分地面站所用到的地图技术都是在界面中 嵌入第三方地图控件，如 等，然 ArcGIS 这样做延长了 后对其进行二次开发使其兼容［ 11 开发时间，运行起来也占用了大量 Arc- 等地图控件在现有的最新操作系统中 GIS 未必兼容，其界面效果与现在的 技术相差甚 远，十分简单 粗糙，一些功能还需在软件中进行再 、 开发才能显示 或者 ］ CPU。 而且 MapX MapX WPF 和 。 。 中 地 图 控 件 的 开 发 不 再 繁 琐 利 用 。 

开发工具，在创建了 开发，加入显示地图的 WPF 应用程序后，打开 代码，方 XMAL VS2010 前台的 法如下: WPF : ＜ telerik ＲadMap Name = " radMap1" …… ＞ : ＲadMap ＞ WPF ＜ / telerik 其中 telerik 是 为控件名 。 ＲadMap 所用控件的专用提供商， 与传统的地图开发相比，具有以下优点: 不用进行特殊的二次开发使控件与开发工 ① 具兼容; 不需要进行大量复杂的编码，只需要改变控 件某些属性，就可达到地图的所有功能与操作; 界面显示比传统的控件更加美观大方，符合 ② ③ 现代的显示设计 。 对于飞行航线，可以通过获取经纬度坐标定位 到地图上某点，然后直接在地图上绘制 对于航迹 规划，采用点输入的方式发送给无人机，并通过后台 地图控件上无人机飞过的 语言显示到地图上 。 C# 一段航迹显示如图 。 所示 3 信息系统与网络 代码，一个虚 XAML 在前台的 WPF 拟仪表就可以创建 设计中加入 方法如下: 。 : ＜ telerik ＲadialScale Min = "0" Max = "360" Name = " ＲadＲadialGauge1 …… ＞ : ＲadialScale ＞ ＜ / telerik 通过改变控件属性，可以对仪表的数值范围 大小和位置等参数进行调整 、 形 、 针对无人机所制 所示，集各种参数于一体，方便 。 状 作的虚拟仪表如图 4 直观地显示飞机姿态 。 。 图 4 WPF 虚拟仪表 图 3 无人机飞过的航线显示 3． 2 虚拟仪表设计 虚拟仪表是无人机地面站所必备的显示部分， 可以直观地 模拟显示和反映出无人机当前的状态 、 。 传统的虚拟仪表设计相当复杂，比如目前研究比较 多的基于 GDI 绘图技术进行虚拟仪表的绘制，需要获取设备环境， 进行坐标的映射，调用函数进行绘制 设计的地面站，利用复杂的 VC + + 。 GDI 利用 创建仪表就很好地避开了传统仪表 WPF 等绘图技术，不用获取坐标，直接采用拖 繁琐 动控件形式放置仪表，利用控件属性进行设计，设计 另外，还可加入动画展现出更加绚 方法简单快捷 丽的效果，使仪表显示更为生动 。 。 3． 3 动画技术设计 WPF 。WPF 创建真正的动态效果 计时器事件处理代码，不需要编写后台代码 过在控件中插入一个故事板( 画并能 将 自 身 无 缝 的 集 成 到 普 通 提供了构建矢量动画能力，通过动画可以 动画技术不需要使用 它通 ) 来加入动 窗 体 中 。 动画技术绘制的是像素而不是控件，它的帧速 StoryBoard WPF 。 WPF 率是固定的 。 加入动画方法如下: ＜ Storyboard x : Name = " storyboard" ＞ ＜ DoubleAnimation ＜ Storyboard． TargetName = " marker" …… ＞ ＜ / DoubleAnimation ＞ ＜ / Storyboard ＞ 其中 DoubleAnimation 属性定义了要实现动画 的对象名字 对面属性和动画持续时间等属性 、 3． 4 视频设计 。 视频技术是地面站控制系统中不可缺少的一部 处理和呈现视频流是关键也是难点 、 分，如何获取 。 2015 年 无线电工程 第 45 卷 第 1 期 11 

信息系统与网络 WPF 在视频处理的优势在于: 利用 强大的媒体显示设备，可使用 接显示不同格式的视频和音频，包括 技术拥有 控件直 和 语言可以方便地引用各种程序 MediaElement WMV、AVI WPF 等; 后台的 MPEG 集，拓展各种功能 C# 。 为保证流畅和实时的视频，地面控制软件应用 技 术 了目 前 处 理 视 频 流 功 能 强 大 的 DirectShow 。 的组成部分，使用 Filter Graph DirectShow 的模型来管理整个数据流的处理过程［ ］ DirectX 是 12 。 DirectShow 因此，成功地把 技术嵌入 程序中，是实现视频功能的关键点，也是 应用中的一个突破 。 以后，将其直接呈现在 应用 技术 所示，成功获取视频流 视频界面中［ 如图 WPF WPF 5 ］ 13 WPF 。 图 5 WPF 视频显示 4 地面站系统功能验证和实验 4． 1 数据显示与传输功能验证 WPF 利用 技术开发完成地面站软件后，首先对 半 半实物仿真系统进行数据显示和传输功能验证 机载通 实物仿真验证系统由无人机飞行仿真系统 、 无人机飞行 讯模块 大气和环境等的参数; 地面通 仿真系统模拟无人机 、 讯机和机载通讯机之间实现无线高速高带宽数据链 在进行半实物仿真前，测试并保证除地面站 通信 以外其他系统部件均稳定 地面通讯模块和地面站组成 、 。 。 。 。 的地面站控制软件功能测试主要 对基于 个方面进行测试: WPF 从 4 能否在地图上显示飞机航迹 飞机经纬度坐 、 标以及飞机的当前确切位置; 能否有效地对导航电子地图进行放大 缩小 、 和漫游等操作; ① ② ③ 能否按照任务要求进行航迹规划，并将航迹 规划点信息正确地发送给机载通讯机; 能否正确显示实时接收到的无人机飞行姿 ④ 12 2015 Ｒadio Engineering Vo1. 45 No. 1 态信息，并准确地反应到虚拟仪表上 显示是否有错误，是否带有动画效果 虚拟仪表的 。 依据上面的功能测试内容，逐一对各项功能进 行验证，结果都能成功实现，并反映到地面站控制软 件中，效果如图 因此所设计地面站满足了 无人机地面站对应的功能性需求 所示 。 6 。 。 图 6 地面站效果 4． 2 视频功能验证与试飞实验 。 外出实验主要在开阔 远离市区和人流量少的 、 地区进行，在顺义的郊区田地已经进行了多次试飞 野外实飞主要验证视频传输功能，保证其能 实验 流畅的处理视频，并实时地在地面站上显示 实验 采用航模飞机作为无人机载体，在其上固定摄像头 以及数据发射机 在地面通过无线高速宽带视频接 收模块与地面站载体笔记本相连接，来接收无人机 传回的视频数据 。 。 WPF 根据多次无人机调试与实验，利用 的视频 显示技术能够成功地显示机载摄像头所拍视频数 据，并且由于融合了 技术对视频流的处 理，保证了视频流畅实时的显示，实现了无人机地面 站对视频的功能需求 起飞前对机载视频的调试和 起飞后传回来的视频数据如图 DierctShow 所示 。 7 。 。 图 7 起飞前视频调试和起飞后图像显示 ( 下转第 39 页) 

［ ］ 路后兵，李永亮 6 ． 一种高效的宽带数字信道化接收方 ］ 法［ J ． ［ ］ 陈迎春 7 无线电工程， 2011 ( ， 36 2 ) : 33 － 35． 群信号信道化技术实现方法的仿真与分析 ． ］ ［ J ． 电视技术， 2008 ( ， 48 5 ) : 69 － 73． ［ ］ 辛守庭 8 ． ］ 余弦调制滤波器组的设计及应用研究［ D ． 兰 州: 西北师范大学硕士学位论文， 2009． ［ ］ 岳 田，李 辉，米 健 9 ． 全数字可配置信道分路技术 ］ 的设计方法［ J ． 无线电工程， 2013 ( ， 43 12 ) : 25 － 28． ［ ］ 10 HOANG P ， Filter Banks VAIDYANATHAN P P． Nonuniformmultirate : ∥IEEE Int． Symp． ［ ］ C Theory and Design : ， Portland on CAS ， NGUYEN T Q LI J ， 1989 ， Oregon ， TANTAＲATANA S． A Simple Design 371 － 374． ［ ］ 11 Method for Near － perfect Ｒeconstruction Nonuniform Fil- ［ ］ J ter Banks ( ) : 8 2 105 － 2 109． ． IEEE Trans． on Signal Processing ， 1997 ， 45 测控遥感与导航定位 ［ 12 ］ 张子敬，焦李成 ． M ( ) : 电子学报， 2001 1 84 － 86． ］ 带余弦调制滤波器组的设计［ J ． ［ ］ 王浩波，黄 伟，刘存才 无线信道干扰概率对网络性能 13 ． 影响分 析［ ］ ． J 无 线 电 通 信 技 术， 2012 ， 38 ( 1 ) : 10 － ， 45． 11 ABU-AI-SAUD W A ， STUDEＲ G L． Efficient Wideband ［ ］ 14 Channelizer for Software Ｒadio Systems Using Modulated ) : ， ， ( ． IEEE Trans． SP 2004 52 10 PＲ Filterbanks ［ ］ J 2 807 － 2 820． HELMUT． Oversampled Filter Banks : Optional Noise ［ ］ 15 ， Shaping ， and Noise Analysis ］ ［ C ∥ Design Freedom ， 1997 2 453 － 2 456． : I CASSP 作者简介 张春晖 男，( 1990— ) ，硕 士 研 究 生 。 主 要 研 究 方 向: 卫 星 通信 。 张俊祥 男，( 1963— ) ，研究员 。 主要研究方向: 卫星通信 。 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 浙江: ( 上接第 12 页) 5 结束语 ］ 无人机地面站软件的设计与实现［ D ． ［ ］ 肖征宇 5 浙江大学， 2010． ． ［ ］ 6 Matthew MacDonald． WPF 德才，译 北京: 清华大学出版社， ． 2012． 编程宝典 C#2010 版［ M ］ ． 王 ［ ］ 柴立功，樊甫华，董世友，等 7 ． 无人机群通用控制站的技 术需求分析［ ］ ． J 无线电工程， 2013 ( ， 43 10 ) : ， 39． 1 － 3 ］ 宁金星，卢京潮，闫建国 ［ 8 基于 的无人机飞控 VC + + ． 计算机测量与控制， ( ) : 3 2007 ］ 地面站软件的开发［ J ． 596 － 598． ［ ］ 孔令涛，汤 浩 9 ］ 战术通信无线传播研究［ J ． 无线电 通信技术， 2011 ( ) : 3 26 － 29． ． ， 37 ［ ］ 周祥生 10 无人机测控与信息传输技术发展综述［ ］ ． J ． 无 线电工程， 2008 ( ， 38 1 ) : ［ ］ 李红雨，华 宇，于 静 11 30 － 33． 基于 ． MapX 的散射通信链路 分析系统的开发［ ］ ． J 无线电通信技术， 2011 ， 37 ( 1 ) : 53 － 55． ］ 张睿萍 ［ 12 基于 ． 的数字视频监控系统的研究 DirectShow 武汉: 武汉理工大学， 2008． ［ ］ 汪春杰，李明禄，吴 凡 13 基于 ． 计算机工程， 的虚拟摄像 DirectShow ) : ( 2009 16 253 － 255． ］ 头开发框架［ J ． 作者简介 王 鑫 男，( 1988— ) ，硕士 。 主要研究方向: 嵌入式 计算机 、 应用 。 邓宏彬 男，( 1975— ) ，教授 。 主要研究方向: 武器系统设计 、 机器人技术 系统建模 、 。 2015 年 无线电工程 第 45 卷 第 1 期 39 WPF 利用 技术进行设计 针对某小型无人机，在地面控制站系统中成功 技 应用了新兴的 术，实现了无人机地面控制站所涉及的基本功能，解 同时，地面控制 决了地面站面临的关键技术难题 站的开发效率得到提高，人机交互界面得到优化 。 通过仿真实验和野外实验的验证，所设计的地面站 可以满足无人机对地面控制站的功能需求 WPF 。 。 。 ? ［ ］ 1 HOFFMANN G M ， TOMLIN C J． Decentralized Cooperative 参考文献 Collision Avoidance for Acceleration Constrained Vehicles ［ ］ ， C ∥The 47th IEEE Conference on Decision and Control Cancun ， : 2008 4 357 － 4 363． ［ ］ 2 HOFFMANN G M ， HUANG H ， WASLANDEＲ S L． Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control : Theory and Experiment ∥ The 2007 Guidance ［ ］ C ， Navigation Carolina TISDALE J : ， 2007 ， ＲYAN A 1 － 20． ［ ］ 3 tecture of the Berkeley UAV Platform ， ZENNAＲO M． The Software Archi- ［ ］ C ∥ The 2006 ， IEEE International Conference on Control Applications Munich ［ ］ 解龙龙 4 : ， 2006 ］ 无人机群控系统中的地面站设计与实现［ D ． 1 420 － 1 425． ． 北京: 北京理工大学， 2011． and Control Conference and Exhibit Hilton Head ， ， South 与实现［ ］ ． D