無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

郭 杰，王曉銀，滑亞慧

(西安航空學院計算機學院，西安 710077)

0 引言

無人機又稱作無人駕駛飛行器，它能夠按照精確打擊、零傷亡的目標，被廣泛用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭之中，開創(chuàng)具有非接觸的新型戰(zhàn)爭模式。無人機在執(zhí)行任務環(huán)節(jié)，展現(xiàn)出準確、靈活等特性，受到國內(nèi)外多數(shù)機構(gòu)、組織的廣泛研究。航跡規(guī)劃作為無人機開展自主導航的重要技術(shù)，主要用于賦予飛行器一定智能，順利實現(xiàn)無人機自主導航，促使飛行員由高度緊張地飛行中解放出來。航跡規(guī)劃必須考慮一系列物理及環(huán)境約束，也一度自手動規(guī)劃發(fā)展成為計算機規(guī)劃。最早開展航跡規(guī)劃旨在對單機單目標展開，隨著研究的逐漸深入，已有任務更為復雜，包含單機多目標、多機單目標等不同類型的任務［1］。航跡規(guī)劃除去任務規(guī)劃則是依據(jù)不同的任務需求，明確無人機數(shù)據(jù)及飛行策略。尹高揚，周紹磊等人研究表明，挑選快速隨機搜索樹算法當做跡規(guī)劃航算法主體，并根據(jù)Dijkstra算法獲得改進的RRT算法，順利設(shè)計出合理的最小航跡代價飛行軌跡［2］。劉世一，趙曉林等學者研究指出，因執(zhí)行任務階段無人機有可能面臨諸多不確定因素，依次創(chuàng)建無人機機載慣性單行系統(tǒng)無償模型、防空威脅模型等，詳細介紹導航精度對無人機航跡規(guī)劃產(chǎn)生的影響，并基于導航精度約束視角下無人機航跡仿真操作，仿真結(jié)果證實，光學偵察荷載校正點設(shè)定方式，對確保無人機偵察任務順利實現(xiàn)具有重要的應用價值［3］。基于此，本文介紹設(shè)計無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原則、各層次及模塊設(shè)計情況，并對系統(tǒng)展開測試，測試結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)達到無人機飛行任務實際需求，能夠為后續(xù)研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則及總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計遵循原則

本次所設(shè)計的無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)在深入分析使用者需求基礎(chǔ)上，嚴格按照下列原則完成設(shè)計:①可持續(xù)性原則:設(shè)計的系統(tǒng)要具有較好的延續(xù)性及可擴展性，系統(tǒng)建設(shè)以前，實施長時間的宏觀規(guī)劃，以此滿足新需求發(fā)展要求，可以向著復雜的工作形式上延伸［4］。②模塊化:系統(tǒng)要按照“模塊化”的原則展開設(shè)計，依據(jù)使用者的實際要求展開配置，安裝相對簡單、結(jié)構(gòu)靈活的系統(tǒng)，各基礎(chǔ)及業(yè)務模塊均可以任意組合，全方面滿足已有或未來系統(tǒng)個性化應用需求［5］。③易操作性原則:設(shè)計友好、方便操作的界面，有助于用戶開展各模塊的功能，進而提升系統(tǒng)工作效率。因此，本次設(shè)計系統(tǒng)時，要設(shè)法減少使用者的記憶負擔，加大數(shù)據(jù)自動輸入，確保界面展現(xiàn)良好的預見性，防止發(fā)生用戶輸入錯誤數(shù)據(jù)的狀況。④可擴展性:各個程序及接口必須設(shè)計統(tǒng)一的標準，確保系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的可移植性。此外，配置具有開放性特點的接口，方便及時進行拓展和應用。

1.2 系統(tǒng)總架構(gòu)設(shè)計

按照系統(tǒng)設(shè)計原則，為全面了解系統(tǒng)各功能模塊之間的層次機構(gòu)，有效進行軟件的整體設(shè)計，其主要劃分為用戶控制、通信傳輸及數(shù)據(jù)管理三層，其中，用戶控制層主要任務是確保軟件界面各模塊功能得以實現(xiàn)，包含控制臺、監(jiān)控及航跡規(guī)劃模塊。其中，監(jiān)控模塊主要任務接收數(shù)據(jù)并將其展示在虛擬儀表和設(shè)備監(jiān)控上實施監(jiān)控;控制臺模塊包括地圖顯示、界面搭建等功能;航跡規(guī)劃模塊，就是依據(jù)使用者設(shè)定的航跡規(guī)劃參數(shù)，用于規(guī)劃單機目標軌跡。通信傳輸層旨在與飛行仿真平臺之間實現(xiàn)通信連接、數(shù)據(jù)分析等操作，為有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行預處理操作。數(shù)據(jù)管理層旨在進行實時接收航跡跟蹤的信息等操作。系統(tǒng)分層結(jié)果見圖1。

圖1 系統(tǒng)分層架構(gòu)示意圖

2 各層及模塊設(shè)計

2.1 用戶控制層

該層主要是用來實現(xiàn)人機交互的設(shè)計，而一個具有良好用戶界面的設(shè)計，能促使使用者獲得良好的體驗，靈活執(zhí)行各項操作。無人機任務規(guī)劃和監(jiān)控系統(tǒng)在界面設(shè)計中，常出現(xiàn)的兩種狀態(tài)如下:(1)飛行監(jiān)控環(huán)節(jié)顯示相關(guān)信息:如:地圖顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示、飛機航跡顯示等;也能完成飛機控制命令。(2)航跡規(guī)劃階段，這個時期，飛行器并未開啟，界面處在能夠編輯的狀態(tài)，可利用航跡規(guī)劃算法生成相應的航跡，并執(zhí)行局部調(diào)整航點操作。

2.1.1 控制臺模塊

本次設(shè)計的系統(tǒng)用戶控制層所提到的兩個狀態(tài)均需在二維或者三維地圖上實現(xiàn)，在飛行監(jiān)控環(huán)節(jié)，航跡會及時展示在地圖上。而任務規(guī)劃時也必須在地圖上顯示相應的航點信息或航線。因此，進行界面設(shè)計過程中，應支持不改變界面狀態(tài)，確保兩種狀態(tài)之間能夠相互切換，促使界面操作顯示人性化特點。控制臺界面見圖2。

圖2 系統(tǒng)界面設(shè)計簡圖

地圖窗口設(shè)置在界面中部，使用MapX軟件當做地圖控件，從而展示二維矢量地圖。系統(tǒng)界面右邊是依托虛擬實現(xiàn)的三維地圖，采用鼠標對地圖進行縮放、拖動、瀏覽等操作。虛擬儀表窗口設(shè)計在正下方，包含那些簡單的航空儀表，使用依托DirectX圖形驅(qū)動繪制相應的航空儀表，從而為空速、偏轉(zhuǎn)角等信息提供直觀地數(shù)據(jù)顯示出來，左下角展示飛行器內(nèi)不同設(shè)備運行情況。設(shè)備監(jiān)控窗口設(shè)計在左下角，通過虛擬LED燈，在飛行監(jiān)控操作中，監(jiān)測飛行器機械設(shè)備運行狀況。當系統(tǒng)正常開啟后，挑選航跡規(guī)劃狀態(tài)，用戶能夠在當前界面內(nèi)地圖中挑選任務航點，隨之通過航跡規(guī)劃算法求得初步航跡，用戶可依據(jù)實際需求對生成軌跡點完成編輯操作。菜單欄包括控制臺上的各項操作，包含網(wǎng)絡(luò)配置連接、地圖讀取、數(shù)據(jù)保存等功能。狀態(tài)窗口設(shè)計在地圖下方，用來提供時間信息等數(shù)據(jù)。

2.1.2 航跡規(guī)劃模塊

該模塊必須實施單機航跡規(guī)劃，并由用戶完成相應的任務。使用者依據(jù)選擇任務內(nèi)有待考慮的目標位置、禁飛區(qū)、著陸點等一系列模型，上述模型數(shù)據(jù)根據(jù)預處理傳送至航跡規(guī)劃模塊完成解析操作，獲得相應的航跡，并把航跡展示在地圖界面內(nèi)。用戶能夠依據(jù)需求給予恰當?shù)恼{(diào)整，該模塊框架如圖3所示。

圖3 任務規(guī)劃模塊具體架構(gòu)

該模塊作為系統(tǒng)最主要的模塊，涉及單機航跡規(guī)劃內(nèi)的關(guān)鍵航點等基本元素建模，順利完成界面內(nèi)能夠任意加載上述元素;航跡規(guī)劃算法必須考慮獲得最優(yōu)航跡，并利用三維空間內(nèi)的高程信息對算法實施優(yōu)化。航跡規(guī)劃算法就是結(jié)合二維、三維內(nèi)的高程信息，具體規(guī)劃操作中，必須考慮地形數(shù)據(jù)、飛行約束等條件，依據(jù)航跡算法對整體航跡實施規(guī)劃處理，還應由用戶給予適當?shù)恼{(diào)整，從而局部優(yōu)化威脅航跡的地形，規(guī)劃一條最佳的航跡［6］。航跡規(guī)劃操作流程見圖4。

圖4 航跡規(guī)劃操作流程

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

本文設(shè)計的無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)和仿真平臺間通過網(wǎng)絡(luò)實施數(shù)據(jù)傳輸，可靠的通信網(wǎng)絡(luò)能確保數(shù)據(jù)正確的傳輸。網(wǎng)絡(luò)通信模塊旨在解決關(guān)鍵問題，確保該模塊的通行性。依據(jù)組件化思想，把網(wǎng)絡(luò)通信當做動態(tài)鏈接庫形式得以實現(xiàn)。先創(chuàng)建一個通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并把封裝當做動態(tài)鏈接庫，并用于各客戶端，順利實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，防止出現(xiàn)重復開發(fā)的情況。網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)見圖5。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)簡圖

2.3 數(shù)據(jù)管理層

所設(shè)計系統(tǒng)是把人由繁雜的數(shù)據(jù)內(nèi)解放出來，運用計算機高效率的運算能力，順利完成航跡規(guī)劃操作。與此同時，運用虛擬儀表基數(shù)展示繁多的飛行數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)庫完成管理操作。數(shù)據(jù)庫配置高效的讀寫能力，能提升航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)的運行效率。數(shù)據(jù)管理模塊功能見圖6。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

圖6 數(shù)據(jù)管理架構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)庫是無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲中心，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量直接影響整個系統(tǒng)實際運行狀況。因此，配置合理的數(shù)據(jù)庫不僅能提升數(shù)據(jù)存儲效率，也可以保障信息的完整性及安全性。所設(shè)計系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)庫好壞，具體表現(xiàn)在它是否可以提供相對齊全的功能、系統(tǒng)是否具有優(yōu)越的性能等方面，而以往所用的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，若存在部分問題或突發(fā)狀況，會使得數(shù)據(jù)出現(xiàn)永久性丟失［7］。因此，對數(shù)據(jù)庫及其接口編程展開設(shè)計，必須嚴格遵循規(guī)范化、低耦合性、安全性等要求，在詳細分析各用戶對系統(tǒng)功能需求基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)的設(shè)計和處理，進而保證數(shù)據(jù)的一致性。

系統(tǒng)對飛行器飛行狀況進行監(jiān)控時，能夠及時接收飛行包發(fā)送的各類信息，包含飛行狀態(tài)、航點等。對航點實施規(guī)劃時，任務航點及其生成的航跡點等數(shù)據(jù)均會保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。在研發(fā)無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵與核心部分，應該依照邏輯結(jié)構(gòu)、需求以及物理結(jié)構(gòu)展開，用戶端不用設(shè)置專用軟件，可以促使系統(tǒng)維護更為便捷。數(shù)據(jù)庫E－R模型依據(jù)用戶的需求，主要包含以下類型:主要包含起落架、發(fā)動機、航跡點、緯度等，如圖7所示。

圖7 飛行航點E－R模型圖

對航跡進行規(guī)劃操作時，任務航點及其產(chǎn)生的航跡點當做兩個實體，以此當做一次規(guī)劃操作的結(jié)果，從而組成相應的任務。航跡規(guī)劃E－R圖如圖8所示。

在上述主要關(guān)系要素內(nèi)，編號均是其中的關(guān)鍵，也是對象的唯一索引。飛行器及航跡點外鍵均為航跡編號，任務航點及其所產(chǎn)生的外鍵則是任務編號，以此組成完成完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。航跡時間及其規(guī)劃時間依次為航跡保存、航跡規(guī)劃完成的系統(tǒng)時間，并依據(jù)時間及時條用某一個時間區(qū)間內(nèi)的任務及航跡。

圖8 航跡規(guī)劃環(huán)節(jié)E－R圖

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 測試流程分析

測試工作要嚴格按照相關(guān)測試流程，各流程嚴格根據(jù)計劃執(zhí)行情況，且撰寫的測試文檔要具有規(guī)范化的特點，確保測試結(jié)果的準確性，測試執(zhí)行流程見圖9。具體流程如下:(1)對于使用者的需求，對測試需求及測試方案進行評審;(2)依據(jù)測試需要的結(jié)果，設(shè)計具體的測試計劃及用例，并對測試用例展開細致的審查;(3)把測試的各單元模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)整合和集成測試，進而檢驗整個系統(tǒng)是否正確，判斷系統(tǒng)能否達到用戶的實際需求。完成系統(tǒng)的整合，進行系統(tǒng)集成測試，驗證系統(tǒng)功能情況，詳細記錄各項測試結(jié)果。同時，將測試環(huán)節(jié)不足之處進行維護，確保所設(shè)計系統(tǒng)最終能交付使用。

3.2 測試用戶控制層

該層主要包含控制臺、航跡規(guī)劃等模塊，主要針對上述模塊展開測試。系統(tǒng)運行操作中具體步驟如下:(1)開啟飛行仿真平臺，設(shè)定該平臺處在等候起飛環(huán)節(jié);(2)開啟飛行包軟件，設(shè)計初始值以后，將仿真平臺下的無人機定位至指定的機場;(3)開啟軟件系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)連接打開，確保各監(jiān)控窗口處在初始狀態(tài)［8］。

3.2.1 測試控制臺模塊功能

控制臺作為顯示使用者各項操作功能的界面，軟件界面包括8個分隔窗體，通過DockPanel配置文件存儲在相對應的布局信息。如果窗體布局發(fā)生改變，需要重新保存相應的配置文件。軟件再次開啟以后，加載依然是上次存儲的配置文件。為檢測分隔窗體能否支持隨意拖動，可改變二維及三維兩個窗體的位置，檢測結(jié)果見圖10。

該模塊功能測試時，針對控制臺各功能響應狀況展開測試，控制臺主要包括界面內(nèi)的工具欄、菜單欄、各窗口等，先對各控件是否正常響應實施檢測。由于控制臺內(nèi)使用者開展操作的控件比較多，旨在對關(guān)鍵功能控件展開測試，結(jié)果證實，各控件均可以正常執(zhí)行相應的功能，根據(jù)控件測試時間，可知各控件執(zhí)行效率比較高，平均響應時間均處在50 ms之內(nèi)。

圖9 系統(tǒng)測試操作流程

圖10 分隔視圖變化后界面顯示效果

3.2.2 測試航跡規(guī)劃模塊功能

對這個模塊展開測試，就是依據(jù)用戶配置的無人機及其威脅信息等數(shù)據(jù)規(guī)劃相應的航跡，并在二維及三維航跡模塊內(nèi)展示出來。航跡規(guī)劃操作中，必須配置無人機各項操作、威脅物等信息。依據(jù)使用者配置的無人機參數(shù)、起飛位置等數(shù)據(jù)信息，存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，依據(jù)航跡數(shù)據(jù)展開航跡規(guī)劃操作，無人機參數(shù)見圖11。

依據(jù)配置的各項信息，設(shè)計3個禁飛區(qū)域，一個規(guī)則的長方體障礙物，通過標準網(wǎng)格100*100空間網(wǎng)絡(luò)內(nèi)規(guī)劃整體航跡。實際進行航跡規(guī)劃時，必須在三維GIS內(nèi)，生產(chǎn)相應的航跡點，通過經(jīng)緯度形式存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。數(shù)據(jù)庫航點信息見圖12。

3.2.3 測試狀態(tài)監(jiān)控模塊功能

圖11 航跡規(guī)劃具體參數(shù)

圖12 數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲的航點信息

該模塊旨在對虛擬儀表、數(shù)字儀表等是否正確顯示傳輸數(shù)據(jù)。依據(jù)這方面的要求，利用仿真飛行包傳送指定數(shù)據(jù)，時刻觀察該模塊不同儀表是否展示正確的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)見表1。

表1 飛行監(jiān)控模塊傳送數(shù)據(jù)

所傳送的數(shù)據(jù)部分為定量數(shù)據(jù)，包含發(fā)動機、起落架、雷達等，只需設(shè)定一個標志位，就能明確其實際工作狀態(tài)。例如:滾轉(zhuǎn)角、經(jīng)緯高數(shù)據(jù)等作為連續(xù)數(shù)據(jù)，可能在設(shè)定范圍內(nèi)處于時刻變化狀況。因此，依托仿真飛行包遵循一定時鐘頻率發(fā)送。仿真飛行包所傳送的數(shù)據(jù)如圖13所示。

借助網(wǎng)絡(luò)通信連接，系統(tǒng)能夠接收的數(shù)據(jù)傳送至各個儀表窗口，查看數(shù)據(jù)顯示和傳輸數(shù)據(jù)是否保持一致。見圖14、15。

圖13 仿真飛行包傳送的數(shù)據(jù)

圖14 數(shù)據(jù)儀表窗口顯示信息

圖15 設(shè)備監(jiān)控窗口顯示信息

根據(jù)上面兩幅圖可知，這兩個窗口均可以正常接收飛行包傳送的數(shù)據(jù)，并正常顯示各項信息。而航跡回放模塊功能，旨在由數(shù)據(jù)庫內(nèi)挑選相應的數(shù)據(jù)信息再現(xiàn)飛行過程，挑選數(shù)據(jù)條件要以時間段為主要限制，也支持挑選一整條航跡。航跡恢復則依托配置窗口實現(xiàn)控制，依托進度條挑選實施航跡回訪的信息，并依托設(shè)定讀取數(shù)據(jù)速度，進而加快、放慢回放操作。航跡恢復控制窗口見圖16。

依據(jù)配置文件選定時間段對數(shù)據(jù)實施回放操作，二維及三維航跡所顯示的地圖僅僅是一部分數(shù)據(jù)，航跡回放操作顯示的軌跡見圖17。

4 結(jié)束語

圖16 航跡回放控制效果

圖17 二維地圖內(nèi)回放軌跡

綜上所述，基于無人機飛行檢測與控制需求，設(shè)計相應的航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)得以實現(xiàn)導航參數(shù)及時獲取、飛行控制參數(shù)實施在線調(diào)整、數(shù)據(jù)分析與存儲等功能，并為規(guī)劃長距離飛行提供有利的保障。通過分析發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能達到無人機信道傳輸大數(shù)據(jù)的要求，也滿足信道控制參數(shù)高精度、可靠性的要求，有助于實現(xiàn)飛行機執(zhí)行的各項任務。