基于EV_Globe的無人直升機(jī)航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

程滔

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

隨著IT、計算機(jī)軟硬件技術(shù)及GIS理論的發(fā)展，航路規(guī)劃軟件的復(fù)雜度越來越高，用戶對外部環(huán)境的感知能力要求越來越高[1]。選擇一款合適的三維平臺開發(fā)航路規(guī)劃軟件，可以幫助操作員快速、直觀的獲取無人直升機(jī)姿態(tài)、航跡等重要信息。

EV-Globe是新一代海量空間信息服務(wù)平臺[2]。EVGlobe將二三維一體化管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一體化、空間存儲一體化、風(fēng)格顯示一體化、操作編輯一體化及二維數(shù)據(jù)三維化表達(dá)；EV-Globe是ServiceGIS平臺，能夠聚合和發(fā)布符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMS、WFS等多種GIS服務(wù)；EV-Globe在云端實現(xiàn)矢量、影像、三維模型等數(shù)據(jù)訪問、地理分析功能；EV-Globe內(nèi)核采用C++語言進(jìn)行開發(fā)，封裝了C#、Java等多種接口，應(yīng)用于各種平臺。利用EV-Globe能夠快速構(gòu)建三維控件信息服務(wù)系統(tǒng)。

本文是在EV-Globe平臺上，利用二三維一體化技術(shù)和云GIS技術(shù)，將無人直升機(jī)模型嵌入到三維動態(tài)空間中，結(jié)合衛(wèi)星影像地圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息，在三維虛擬空間中對無人直升機(jī)便捷高效航路規(guī)劃，將姿態(tài)、航跡等信息直觀顯示，增強(qiáng)操作員的外部環(huán)境感知能力。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

1.1 實現(xiàn)航跡三維可視化

結(jié)合衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息等，基于二三維一體化技術(shù)，仿真真實飛行環(huán)境，實現(xiàn)航跡的三維可視化，結(jié)合航姿等重要信息的顯示，增強(qiáng)操作員的外部環(huán)境感知能力。

1.2 實現(xiàn)離線航路規(guī)劃

離線航線規(guī)劃是軟件系統(tǒng)基本功能，即在本地規(guī)劃航線，實現(xiàn)航線的增刪改查等基本功能。

1.3 實現(xiàn)在線航路規(guī)劃

在線航路規(guī)劃是軟件系統(tǒng)核心功能，即系統(tǒng)與無人直升機(jī)進(jìn)行通信，完成航線加載及其他相關(guān)控制功能，同時接收飛行遙測數(shù)據(jù)，實時更新航路信息。

1.4 實現(xiàn)三維態(tài)勢可視化

在三維場景下，結(jié)合外部態(tài)勢信息輸入，實現(xiàn)基本圖元、態(tài)勢信息的添加，態(tài)勢推演等功能。

1.5 實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)處理

在三維場景下，結(jié)合航路規(guī)劃任務(wù)，實現(xiàn)空間測量及空間分析等基本輔助手段。

1.6 實現(xiàn)高效的人機(jī)工程

在系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計過程中，要求界面友好，操作方便快捷，滿足基本的操作，方便地進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、二三維切換、飛行定位、全幅顯示、全屏顯示、最小化等。

1.7 實現(xiàn)快速的軟件維護(hù)模式

為提高軟件的維護(hù)性，縮短軟件的維護(hù)周期。航路規(guī)劃軟件采用“平臺+插件”的軟件框架，在不修改程序主體的情況下，對軟件功能進(jìn)行修改和維護(hù)。

2 EV-Globe平臺簡介

本系統(tǒng)采用的EV-Globe5是由北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維控件信息平臺。EV-Globe5產(chǎn)品主要由EV-Server服務(wù)平臺、EV-Globe Desktop桌面平臺、EV-Create數(shù)據(jù)處理軟件、EV-Globe Runtime支持庫及EV-Globe SDK二次開發(fā)組件等組成。平臺應(yīng)用在軍事、海洋、國土、林業(yè)、環(huán)保等多個領(lǐng)域。

EV-Globe5支持對遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息數(shù)據(jù)的處理。EV-Globe 5支持Web數(shù)據(jù)源、空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源、文件型數(shù)據(jù)源;Web數(shù)據(jù)源由EV-Server發(fā)布，支持影像、DEM、矢量瓦片及模型圖層的發(fā)布;空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源由EarthView空間數(shù)據(jù)引擎提供支持，支持Sqlite、Oracle、SqlServer數(shù)據(jù)庫驅(qū)動;文件型數(shù)據(jù)源支持kml/kmz、海圖、Tiff、Image、ShapeFile、傾斜攝影模型等數(shù)據(jù)格式。EV-Create是EV-Globe影像瓦片生產(chǎn)工具，是一款為EV-Globe量身打造的輔助性工具。該工具針對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，滿足大數(shù)據(jù)在EV-Globe場景中高效加載和快速展示的性能要求。

EV-Globe5全平臺支持，能夠開發(fā)C/S架構(gòu)的桌面GIS應(yīng)用、B/S架構(gòu)的WebGIS應(yīng)用、基于移動設(shè)備的移動App GIS應(yīng)用。

3 系統(tǒng)硬件組成

航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、航路規(guī)劃席位、數(shù)據(jù)綜合處理席位及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用于存儲遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息數(shù)據(jù)等。

(2)航路規(guī)劃席位

航路規(guī)劃席位主要用于運(yùn)行航路規(guī)劃軟件，提供軟件運(yùn)行平臺。

(3)數(shù)據(jù)綜合處理席位

數(shù)據(jù)綜合處理席位主要用于運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合處理軟件，數(shù)據(jù)綜合處理軟件功能是在任務(wù)中接收實時數(shù)據(jù)，與航路規(guī)劃席位保持通信，保證航路規(guī)劃席位的上下行數(shù)據(jù)通信。

4 系統(tǒng)框架設(shè)計

航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)采用Qt開發(fā)，包括4層系統(tǒng)架構(gòu)，即應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、平臺層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

平臺層：平臺層為數(shù)據(jù)層和服務(wù)層提供運(yùn)行環(huán)境支撐，為應(yīng)用層提供軟件運(yùn)行環(huán)境、硬件設(shè)備的統(tǒng)一封裝。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等信息數(shù)據(jù)的存儲管理，為服務(wù)層提供數(shù)據(jù)支持。

服務(wù)層：服務(wù)層在應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間，封裝并實現(xiàn)各項基礎(chǔ)服務(wù)，讀取存儲在數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，接收應(yīng)用層的服務(wù)請求，為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)服務(wù)支撐。

應(yīng)用層：應(yīng)用層為用戶提供人機(jī)交互界面。應(yīng)用層各軟件相互配合、協(xié)作，共同構(gòu)成整個軟件系統(tǒng)，與系統(tǒng)的硬件相互配合，為用戶提供無人直升機(jī)航路規(guī)劃服務(wù)。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，功能設(shè)計有航跡三維可視化、離線航路規(guī)劃、在線航路規(guī)劃、三維態(tài)勢可視化、空間數(shù)據(jù)處理、快速定位模塊及插件模塊等七個模塊。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

(1)航跡三維可視化

航跡三維可視化模塊對遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等的管理，支持對kml/kmz、海圖、Tiff等多種數(shù)據(jù)格式。通過遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)的疊加，操作員可以直觀感受無人直升機(jī)航跡變化。

(2)離線航路規(guī)劃

離線航跡規(guī)劃實現(xiàn)本地航路規(guī)劃及航線管理功能。航路規(guī)劃是規(guī)劃航線，同時對航路進(jìn)行編輯，包括航線/航點的增加、刪除、修改、查詢等功能；航線管理是在本地對航線進(jìn)行打開、保存等功能。

(3)在線航路規(guī)劃

在線航路規(guī)劃是實現(xiàn)系統(tǒng)與無人直升機(jī)的上下行通信功能，包括在線規(guī)劃、沖突檢測及實時顯示與分析三個子模塊。在線規(guī)劃完成航線加載至無人直升機(jī)及其他相關(guān)控制指令；沖突檢測完成本地航線的智能判定，對航線的高度、速度等設(shè)置的合理性給出結(jié)論，保證航線的可行性；實時顯示與分析完成實時遙測數(shù)據(jù)的解析，同時更新無人直升機(jī)的位置信息及姿態(tài)等重要參數(shù)信息。

(4)三維態(tài)勢可視化

三維態(tài)勢可視化實現(xiàn)基本圖元和態(tài)勢的標(biāo)繪?；緢D元標(biāo)繪包括平面圖元、立體圖元及特殊圖元等的標(biāo)繪；態(tài)勢標(biāo)繪包括軍標(biāo)標(biāo)繪及軍標(biāo)推演。系統(tǒng)可以對已完成的態(tài)勢信息保存及重新加載。

(5)空間數(shù)據(jù)處理

空間數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)空間量算及空間分析功能?？臻g量算完成點位信息及距離、面積等測量；空間分析完成通視、坡度等分析。

(6)快速定位模塊

快速定位模塊實現(xiàn)系統(tǒng)中位置信息查詢，可以快速定位至地圖中任意位置。系統(tǒng)可以對已完成快速定位信息保存及重新加載。

(7)插件模塊

插件模塊實現(xiàn)快速的軟件維護(hù)模式，包括插件管理、通信管理及界面布局管理三個子模塊。插件管理完成插件配置信息的獲取及判定，插件的加載及卸載等；通信管理完成主程序與插件與插件之間的通信；界面布局管理完成工具欄、功能欄等的布局。

6 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了數(shù)據(jù)在EV-Globe5場景中高效加載和快速展示，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息數(shù)據(jù)等。遙感影像數(shù)據(jù)可以直接加載至EV-Globe5平臺中，但是，如果遙感影像數(shù)據(jù)過大為GB級別或者TB級別，EV-Globe5三維場景中加載與顯示遙感影像數(shù)據(jù)的效率會下降。

遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息數(shù)據(jù)預(yù)處理方法相似，此處只對遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行描述。遙感影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程如圖4所示，主要包括加載影像數(shù)據(jù)、設(shè)置影像數(shù)據(jù)輸出類型、加載背景數(shù)據(jù)、設(shè)置影像數(shù)據(jù)輸出路徑和影像數(shù)據(jù)緩存生成。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

(1)加載影像數(shù)據(jù)：遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)格式支持Erdas、Img及Tif；

(2)設(shè)置影像數(shù)據(jù)輸出類型：輸出類型有兩種方式，一種是瓦片文件，一種是庫文件。瓦片文件是以行列號命名的柵格影像瓦片文件；庫文件是將數(shù)據(jù)輸出至DB庫中；

(3)加載背景數(shù)據(jù)：背景數(shù)據(jù)是一組由EV-Creator生成的緩存數(shù)據(jù)，主要用于彌補(bǔ)在處理柵格數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的不完整瓦片，增加?xùn)鸥駭?shù)據(jù)在EV-Globe5三維場景中的顯示效果；

(4)設(shè)置影像數(shù)據(jù)輸出路徑：設(shè)置需要輸出預(yù)處理遙感影像數(shù)據(jù)文件的路徑；

(5)影像數(shù)據(jù)緩存生成：參數(shù)設(shè)置完成后，生成遙感影像預(yù)處理數(shù)據(jù)。

7 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

7. 1軟件設(shè)計

軟件設(shè)計如圖5所示。系統(tǒng)軟件由運(yùn)行在航路規(guī)劃席位的航路規(guī)劃軟件和運(yùn)行在數(shù)據(jù)綜合處理席位的數(shù)據(jù)綜合處理軟件兩部分組成。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

航路規(guī)劃軟件在EV-Globe平臺的支持下，通過調(diào)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等信息，構(gòu)建虛擬的三維地理環(huán)境。在試驗試飛過程中，通過數(shù)據(jù)綜合處理軟件進(jìn)行上下行數(shù)據(jù)通信，完成無人直升機(jī)模型驅(qū)動、模型特效展示等操作的可視化。EV-Globe平臺主要為航路規(guī)劃軟件提供衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及矢量地理信息等。航路規(guī)劃軟件包括航線規(guī)劃、航線管理、實時顯示及其他相關(guān)模塊。

數(shù)據(jù)綜合處理軟件主要完成上下行數(shù)據(jù)的實時接收和處理，與航路規(guī)劃軟件采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，接收航路規(guī)劃軟件的遙控數(shù)據(jù)并組幀發(fā)送給地面數(shù)據(jù)終端，同時接收數(shù)據(jù)鏈飛行遙測數(shù)據(jù)并向航路規(guī)劃軟件轉(zhuǎn)發(fā)實時轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)綜合處理軟件包括通信管理、綜合管理、數(shù)據(jù)管理及其他相關(guān)模塊。

7.2 軟件實現(xiàn)

航路規(guī)劃軟件通過讀取配置文件對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，加載地圖、場景等要素，同時加載態(tài)勢等信息。通過接收數(shù)據(jù)綜合處理軟件發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，更新無人直升機(jī)的位置及姿態(tài)信息。同時，航路規(guī)劃軟件發(fā)送控制信息至數(shù)據(jù)綜合處理軟件。

數(shù)據(jù)綜合處理軟件接收航路規(guī)劃發(fā)送的航線加載數(shù)據(jù)及其他控制信息數(shù)據(jù)，完成組幀后發(fā)往無人直升機(jī)平臺。同時，數(shù)據(jù)綜合處理軟件接收實時遙測數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至航路規(guī)劃軟件。

8 應(yīng)用

在某項目中，應(yīng)用基于EV-Globe5平臺進(jìn)行開發(fā)。在Windows環(huán)境下采用Qt5.5.1進(jìn)行軟件開發(fā)，將含有放大、縮小、及飛行定位等功能的工具欄布署在界面右側(cè)，將含有影像地圖、航線規(guī)劃等功能的功能欄布署在界面下方。

實踐表明，基于EV-Globe5的無人直升機(jī)航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)三維場景顯示效果好、響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足無人直升機(jī)航路規(guī)劃的需求。

9 結(jié)束語

無人直升機(jī)在軍民領(lǐng)域使用的越來越多，在軍事領(lǐng)域，可用于作戰(zhàn)、偵查、監(jiān)視等；在民用領(lǐng)域，可用于災(zāi)害救援、街景拍攝、監(jiān)控巡查、環(huán)保監(jiān)測、電力巡檢、農(nóng)業(yè)植保等方面。航路規(guī)劃是無人直升機(jī)使用過程中重要的功能之一，航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)與用戶進(jìn)行人機(jī)交互，直接影響用戶對整個系統(tǒng)的認(rèn)可度。

本文從系統(tǒng)需求出發(fā)，對無人直升機(jī)航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)利用二三維一體化技術(shù)，將遙感影像數(shù)據(jù)及數(shù)字高程數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及顯示，使得操作員能身臨其境的了解航路的變化。

在三維平臺方面，國內(nèi)外有多種平臺可以使用，國外的有GoogleEarth、SkyLine等，國內(nèi)的有EV-Globe、GeoGlove等。EV-Globe是國內(nèi)較優(yōu)秀的三維平臺，相對國外GoogleEarth等發(fā)展較早產(chǎn)品，在平臺功能、界面設(shè)計等方面還有一定差距，但是隨著團(tuán)隊的不斷更新維護(hù)，用戶群的不斷擴(kuò)大，其功能越來越強(qiáng)大，對國內(nèi)三維GIS的發(fā)展起到促進(jìn)作用。