無人機(jī)隨艦飛行時的航路勾徑偏移

吳波

（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210016）

0 引言

無人機(jī)系列產(chǎn)品是南京模擬技術(shù)研究所眾多模擬訓(xùn)練產(chǎn)品中的一類，海用型無人機(jī)系列產(chǎn)品是眾多無人機(jī)系列產(chǎn)品中的一類。海用型無人機(jī)具備陸地和艦上起飛、海上回收、伴艦飛行、協(xié)同編隊(duì)等能力。海用型無人機(jī)伴艦飛行時，飛行航線會跟隨艦船移動的方向和速度實(shí)時移動，始終保證航線相對艦船的方向、位置不變。

為了滿足訓(xùn)練時無人機(jī)飛行航路對艦勾徑變化的需求，需要在飛行時調(diào)整某段航路的位置。調(diào)整飛行航路，就需要修改無人機(jī)存儲的飛行航線。首先在測控軟件上修改本機(jī)航線的位置，再通過遙調(diào)功能修改無人機(jī)的航線信息。一種方法是手動調(diào)整本機(jī)航線段，再依次將調(diào)整的位置、高度等信息反饋給無人機(jī)。但是手動調(diào)整本機(jī)航線的位置等信息，計(jì)算復(fù)雜，精度較低，且手動反饋的速度太慢。另一種方法是自動化調(diào)整，開發(fā)自動調(diào)整航線對艦勾徑的功能。該功能在選擇好相對的艦船和偏移的航線段后，輸入最終的勾徑值，按照此勾徑值對該段航線整體偏移，重新繪制，并將航線變化的位置等信息反饋給無人機(jī)。無人機(jī)再調(diào)整飛行航路，進(jìn)而達(dá)到勾徑偏移的效果。鑒于實(shí)際任務(wù)需要，設(shè)計(jì)了“航點(diǎn)勾徑偏移”（即“航路勾徑偏移”）功能。

1 功能描述

當(dāng)無人機(jī)測控軟件收到無人機(jī)和艦船的數(shù)據(jù)后，接入該架無人機(jī)的遙控、遙調(diào)控制權(quán)限。通過界面顯示的“艦船回傳計(jì)數(shù)”信息，可以確保無人機(jī)收到艦船數(shù)據(jù)。之后上傳本機(jī)航線信息至無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。無人機(jī)起飛后，進(jìn)入航線自動飛行。無人機(jī)飛行至待調(diào)整勾徑航線段前時，打開“航點(diǎn)勾徑偏移”對話框，如圖1所示。

圖1 航點(diǎn)勾徑偏移

具體內(nèi)容介紹如下：

（1）艦船編號。艦船的編號信息。飛行航線調(diào)整時，計(jì)算偏移航線位置信息使用的艦船編號。

（2）本地航線號。無人機(jī)測控軟件主視圖界面上顯示的飛行航線編號。

（3）上傳航線號。向無人機(jī)發(fā)送航點(diǎn)數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)包的航線信息識別碼（數(shù)據(jù)包包含航線信息識別碼、航點(diǎn)信息識別碼）。

（4）起始點(diǎn)。偏移的起始航點(diǎn)。

（5）終止點(diǎn)。偏移的結(jié)束航點(diǎn)。

（6）勾徑值。偏移后的航線段距離艦船的垂直距離。

選擇完起始點(diǎn)、終止點(diǎn)后，軟件會自動計(jì)算并在下方顯示該航線段當(dāng)前的對艦勾徑值。以計(jì)算出的當(dāng)前勾徑值為參考，輸入調(diào)整后的勾徑值（例如5000）。點(diǎn)擊“確定”按鈕，測控軟件會自動將該段航線調(diào)整至勾徑值為5000 m 處，重新繪制航線，并將調(diào)整的航線段信息發(fā)送給無人機(jī)。發(fā)送成功后，無人機(jī)會按照調(diào)整后的航線伴艦飛行。

2 算法實(shí)現(xiàn)

航線段起始點(diǎn)高斯坐標(biāo)P（1a1，b1），終止點(diǎn)高斯坐標(biāo)P（2a2，b2），艦船高斯坐標(biāo)P（3a3，b3），調(diào) 整 后 的 勾 徑 值 dfGoujing （PI =3.1415926535897932）。

圖2 算法示意圖

起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)經(jīng)過的直線方程Ax+By+C=0。 計(jì)算得A=（b2-b1），B=（a1-a2），C=（a2×b1-a1×b2）。艦船高斯坐標(biāo)點(diǎn)與直線的垂足坐標(biāo)為P（4x，y），可得：

x=（a3×B×B-b3×A×B-A×C）（/A×A+B×B）

y=（b3×A×A-a3×A×B-B×C）（/A×A+B×B）

由艦船坐標(biāo)P3和垂足坐標(biāo)P4

計(jì)算艦船當(dāng)前勾徑：

double dfDistance = sqrt（（x-a3）*（x-a3）+（yb3）*（y-b3））

需要調(diào)整的勾徑值double dfOffsetDis=dfGoujing-dfDistance;

計(jì)算艦船相對直線的方向：

為了預(yù)防艦船剛好出現(xiàn)在航線段上的特殊情況：

計(jì)算航點(diǎn)P（1a1，b1）與航點(diǎn)P（2a2，b2）的方向?yàn)閐fDirectionLine（與計(jì)算艦船相對直線的方向的方法相同）。當(dāng)dfDistance<1 m時，始終計(jì)算

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 航點(diǎn)信息處理

測控軟件與無人機(jī)之間通信如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸

地面測控站作為工作電腦與無人機(jī)的中繼站，與個人工作電腦通過網(wǎng)絡(luò)連接，與無人機(jī)之間通過電磁波通信。

（1）個人工作電腦運(yùn)行測控軟件。操作人員操作測控軟件，執(zhí)行指令。測控軟件將指令打包成數(shù)據(jù)幀后通過網(wǎng)線發(fā)送給地面工作站。由于指令發(fā)送對速度、實(shí)時性要求較高，所以測控軟件與地面測控站之間使用了UPD傳輸協(xié)議。

（2）地面測控站通過天線設(shè)備向無人機(jī)發(fā)送指令數(shù)據(jù)幀。無指令觸發(fā)時，地面測控站以固定頻率持續(xù)發(fā)送空指令。當(dāng)?shù)孛鏈y控站接收到個人工作電腦通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的指令，則將指令裝載后發(fā)送給無人機(jī)。

（3）無人機(jī)接收到指令后，會以校驗(yàn)數(shù)據(jù)包的形式回傳指令信息。校驗(yàn)數(shù)據(jù)包通過天線反饋給地面測控站，地面測控站再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給個人工作電腦。運(yùn)行在個人工作電腦上的測控軟件接收到校驗(yàn)數(shù)據(jù)包后，先對校驗(yàn)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)正確后，再使用之前發(fā)送的指令數(shù)據(jù)包與校驗(yàn)數(shù)據(jù)包進(jìn)行比對。如果比對正確，則認(rèn)為該指令已成功發(fā)送給無人機(jī)，并輸出發(fā)送成功標(biāo)識。

（4）依據(jù)上述（1）—（3）通信過程，將調(diào)整的航點(diǎn)信息發(fā)送給無人機(jī)。具體流程如圖4 所示。

圖4 航點(diǎn)上傳流程

1）啟動多航點(diǎn)上傳線程。由于啟動下一個航點(diǎn)的上傳需要等待上一個航點(diǎn)上傳完成，所以多航點(diǎn)上傳耗時較久，因此需要單獨(dú)開辟多航點(diǎn)上傳線程：

之后再對處理的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)包加上幀頭、航線信息識別碼、航點(diǎn)信息識別碼、校驗(yàn)碼。

3）上傳當(dāng)前航點(diǎn)數(shù)據(jù)。上傳過程采取先進(jìn)先出原則，超時等待時間為3 s。當(dāng)前數(shù)據(jù)包發(fā)送后，如果3 s 內(nèi)接收到無人機(jī)回傳的確認(rèn)數(shù)據(jù)包，則進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。比對成功，則認(rèn)為本次上傳成功；比對失敗，則上傳失敗。如果3 s內(nèi)沒有收到無人機(jī)回傳的確認(rèn)數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為發(fā)送超時，上傳失敗。無論是否收到回傳的確認(rèn)數(shù)據(jù)包，超過3 秒后，當(dāng)前數(shù)據(jù)包都要出隊(duì)列，執(zhí)行下一個數(shù)據(jù)包的處理過程。

4）循環(huán)處理。依步驟3），對所有調(diào)整的航點(diǎn)進(jìn)行處理。直到處理完所有待調(diào)整的航點(diǎn)信息或者中途失敗，則處理結(jié)束，返回處理結(jié)果（成功/失?。?/p>

4.2 GDI繪制航點(diǎn)

圖形設(shè)備接口（GDI，graphics device interface）是Windows 的子系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)在顯示器和打印機(jī)上顯示圖形，是程序與計(jì)算機(jī)硬件之間的橋梁，是Windows 重要組成部分之一。不但一般的Windows 應(yīng)用系統(tǒng)在顯示視覺信息時使用GDI，而且Windows 本身也使用GDI 來顯示用戶界面對象。

為了實(shí)時監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)信息，主視圖界面以300 ms 的周期持續(xù)刷新。界面上的航線圖也會跟著界面不斷刷新。一旦航點(diǎn)信息發(fā)生變化，航線圖會按照新的航點(diǎn)信息重新繪制。測控軟件采用GDI方法繪制主界面航線圖，具體步驟如下：

（1）創(chuàng)建畫筆對象。

航線段偏移到預(yù)期位置，意味著主界面航線繪制完成。無人機(jī)會沿著調(diào)整后的航線完成剩下的飛行過程。

5 程序運(yùn)行界面效果

下面為調(diào)節(jié)前后的航線對比圖。圖5 顯示的是調(diào)節(jié)前航線，圖6 顯示的是調(diào)節(jié)后航線。1 號艦船為無人機(jī)飛行跟隨艦，2 號艦船為輔助艦，航線段的調(diào)整計(jì)算方式依賴1號艦的位置。

圖5 初始航線

圖6 調(diào)節(jié)后航線

上圖調(diào)節(jié)的目標(biāo)航點(diǎn)段為09→10 航線段，為了使無人機(jī)沿著1 號艦船的艦尾1000 米勾徑直線飛行，使用“航點(diǎn)勾徑偏移”，調(diào)整09→10 航線段的勾徑值為1000 m。

6 結(jié)語

本文介紹了航路勾徑偏移功能的算法實(shí)現(xiàn)和功能實(shí)現(xiàn)?！昂近c(diǎn)勾徑偏移”功能可以精確計(jì)算偏移后的航點(diǎn)信息，自動向無人機(jī)發(fā)送新航點(diǎn)信息，重新繪制新航點(diǎn)。既滿足了飛行訓(xùn)練時無人機(jī)對艦勾徑精度的需求，又簡化了操作人員的操作步驟，減輕了操作人員的操作壓力，幫助操作人員更好的完成飛行保障任務(wù)。