無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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摘要：無(wú)人機(jī)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛使用的設(shè)備，使無(wú)人機(jī)安全、準(zhǔn)時(shí)完成任務(wù)；航跡規(guī)劃就是針對(duì)各種任務(wù)需求，為無(wú)人機(jī)提供一條或多條可行航線，確保無(wú)人機(jī)處于自主飛行狀態(tài)；本研究目的是研發(fā)通用性特征的無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)，在闡述設(shè)計(jì)該系統(tǒng)原則基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)分層架構(gòu)及用戶控制層、數(shù)據(jù)管理層等，并提出開(kāi)展各項(xiàng)測(cè)試；結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能順利通過(guò)測(cè)試，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)；航跡規(guī)劃模塊；系統(tǒng)測(cè)試

0引言

無(wú)人機(jī)又稱作無(wú)人駕駛飛行器，它能夠按照精確打擊、零傷亡的目標(biāo)，被廣泛用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)之中，開(kāi)創(chuàng)具有非接觸的新型戰(zhàn)爭(zhēng)模式。無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)環(huán)節(jié)，展現(xiàn)出準(zhǔn)確、靈活等特性，受到國(guó)內(nèi)外多數(shù)機(jī)構(gòu)、組織的廣泛研究。航跡規(guī)劃作為無(wú)人機(jī)開(kāi)展自主導(dǎo)航的重要技術(shù)，主要用于賦予飛行器一定智能，順利實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航，促使飛行員由高度緊張地飛行中解放出來(lái)。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(dòng)規(guī)劃發(fā)展成為計(jì)算機(jī)規(guī)劃。最早開(kāi)展航跡規(guī)劃旨在對(duì)單機(jī)單目標(biāo)展開(kāi)，隨著研究的逐漸深入，已有任務(wù)更為復(fù)雜，包含單機(jī)多目標(biāo)、多機(jī)單目標(biāo)等不同類型的任務(wù)［1］。航跡規(guī)劃除去任務(wù)規(guī)劃則是依據(jù)不同的任務(wù)需求，明確無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)及飛行策略。尹高揚(yáng)，周紹磊等人研究表明，挑選快速隨機(jī)搜索樹(shù)算法當(dāng)做跡規(guī)劃航算法主體，并根據(jù)Dijkstra算法獲得改進(jìn)的RRT算法，順利設(shè)計(jì)出合理的最小航跡代價(jià)飛行軌跡［2］。劉世一，趙曉林等學(xué)者研究指出，因執(zhí)行任務(wù)階段無(wú)人機(jī)有可能面臨諸多不確定因素，依次創(chuàng)建無(wú)人機(jī)機(jī)載慣性單行系統(tǒng)無(wú)償模型、防空威脅模型等，詳細(xì)介紹導(dǎo)航精度對(duì)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃產(chǎn)生的影響，并基于導(dǎo)航精度約束視角下無(wú)人機(jī)航跡仿真操作，仿真結(jié)果證實(shí)，光學(xué)偵察荷載校正點(diǎn)設(shè)定方式，對(duì)確保無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)順利實(shí)現(xiàn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值［3］。基于此，本文介紹設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、各層次及模塊設(shè)計(jì)情況，并對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)實(shí)際需求，能夠?yàn)楹罄m(xù)研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及總體設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循原則本次所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)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(yán)格按照下列原則完成設(shè)計(jì)：①可持續(xù)性原則：設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要具有較好的延續(xù)性及可擴(kuò)展性，系統(tǒng)建設(shè)以前，實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間的宏觀規(guī)劃，以此滿足新需求發(fā)展要求，可以向著復(fù)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(kāi)設(shè)計(jì)，依據(jù)使用者的實(shí)際要求展開(kāi)配置，安裝相對(duì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)靈活的系統(tǒng)，各基礎(chǔ)及業(yè)務(wù)模塊均可以任意組合，全方面滿足已有或未來(lái)系統(tǒng)個(gè)性化應(yīng)用需求［5］。③易操作性原則：設(shè)計(jì)友好、方便操作的界面，有助于用戶開(kāi)展各模塊的功能，進(jìn)而提升系統(tǒng)工作效率。因此，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要設(shè)法減少使用者的記憶負(fù)擔(dān)，加大數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入，確保界面展現(xiàn)良好的預(yù)見(jiàn)性，防止發(fā)生用戶輸入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的狀況。④可擴(kuò)展性：各個(gè)程序及接口必須設(shè)計(jì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的可移植性。此外，配置具有開(kāi)放性特點(diǎn)的接口，方便及時(shí)進(jìn)行拓展和應(yīng)用。

1．2系統(tǒng)總架構(gòu)設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，為全面了解系統(tǒng)各功能模塊之間的層次機(jī)構(gòu)，有效進(jìn)行軟件的整體設(shè)計(jì)，其主要?jiǎng)澐譃橛脩艨刂啤⑼ㄐ艂鬏敿皵?shù)據(jù)管理三層，其中，用戶控制層主要任務(wù)是確保軟件界面各模塊功能得以實(shí)現(xiàn)，包含控制臺(tái)、監(jiān)控及航跡規(guī)劃模塊。其中，監(jiān)控模塊主要任務(wù)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(shí)施監(jiān)控；控制臺(tái)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(jī)目標(biāo)軌跡。通信傳輸層旨在與飛行仿真平臺(tái)之間實(shí)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(jìn)行預(yù)處理操作。數(shù)據(jù)管理層旨在進(jìn)行實(shí)時(shí)接收航跡跟蹤的信息等操作。

2各層及模塊設(shè)計(jì)

2．1用戶控制層該層主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的設(shè)計(jì)，而一個(gè)具有良好用戶界面的設(shè)計(jì)，能促使使用者獲得良好的體驗(yàn)，靈活執(zhí)行各項(xiàng)操作。無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃和監(jiān)控系統(tǒng)在界面設(shè)計(jì)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(jī)航跡顯示等；也能完成飛機(jī)控制命令。（2）航跡規(guī)劃階段，這個(gè)時(shí)期，飛行器并未開(kāi)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(yīng)的航跡，并執(zhí)行局部調(diào)整航點(diǎn)操作。

2．1．1控制臺(tái)模塊本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用戶控制層所提到的兩個(gè)狀態(tài)均需在二維或者三維地圖上實(shí)現(xiàn)，在飛行監(jiān)控環(huán)節(jié)，航跡會(huì)及時(shí)展示在地圖上。而任務(wù)規(guī)劃時(shí)也必須在地圖上顯示相應(yīng)的航點(diǎn)信息或航線。因此，進(jìn)行界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)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(diǎn)。控制臺(tái)界面見(jiàn)圖2。地圖窗口設(shè)置在界面中部，使用MapX軟件當(dāng)做地圖圖2系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的三維地圖，采用鼠標(biāo)對(duì)地圖進(jìn)行縮放、拖動(dòng)、瀏覽等操作。虛擬儀表窗口設(shè)計(jì)在正下方，包含那些簡(jiǎn)單的航空儀表，使用依托DirectX圖形驅(qū)動(dòng)繪制相應(yīng)的航空儀表，從而為空速、偏轉(zhuǎn)角等信息提供直觀地?cái)?shù)據(jù)顯示出來(lái)，左下角展示飛行器內(nèi)不同設(shè)備運(yùn)行情況。設(shè)備監(jiān)控窗口設(shè)計(jì)在左下角，通過(guò)虛擬LED燈，在飛行監(jiān)控操作中，監(jiān)測(cè)飛行器機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)正常開(kāi)啟后，挑選航跡規(guī)劃狀態(tài)，用戶能夠在當(dāng)前界面內(nèi)地圖中挑選任務(wù)航點(diǎn)，隨之通過(guò)航跡規(guī)劃算法求得初步航跡，用戶可依據(jù)實(shí)際需求對(duì)生成軌跡點(diǎn)完成編輯操作。菜單欄包括控制臺(tái)上的各項(xiàng)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(jì)在地圖下方，用來(lái)提供時(shí)間信息等數(shù)據(jù)。

2．1．2航跡規(guī)劃模塊該模塊必須實(shí)施單機(jī)航跡規(guī)劃，并由用戶完成相應(yīng)的任務(wù)。使用者依據(jù)選擇任務(wù)內(nèi)有待考慮的目標(biāo)位置、禁飛區(qū)、著陸點(diǎn)等一系列模型，上述模型數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)處理傳送至航跡規(guī)劃模塊完成解析操作，獲得相應(yīng)的航跡，并把航跡展示在地圖界面內(nèi)。

2．2網(wǎng)絡(luò)通信層本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)和仿真平臺(tái)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(wèn)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(dāng)做動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式得以實(shí)現(xiàn)。先創(chuàng)建一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并把封裝當(dāng)做動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，并用于各客戶端，順利實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，防止出現(xiàn)重復(fù)開(kāi)發(fā)的情況。

2．3數(shù)據(jù)管理層所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是把人由繁雜的數(shù)據(jù)內(nèi)解放出來(lái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)高效率的運(yùn)算能力，順利完成航跡規(guī)劃操作。與此同時(shí)，運(yùn)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(kù)完成管理操作。數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)行效率。

2．4數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)是無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲(chǔ)中心，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況。因此，配置合理的數(shù)據(jù)庫(kù)不僅能提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，也可以保障信息的完整性及安全性。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)庫(kù)好壞，具體表現(xiàn)在它是否可以提供相對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)，若存在部分問(wèn)題或突發(fā)狀況，會(huì)使得數(shù)據(jù)出現(xiàn)永久性丟失［7］。因此，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)及其接口編程展開(kāi)設(shè)計(jì)，必須嚴(yán)格遵循規(guī)范化、低耦合性、安全性等要求，在詳細(xì)分析各用戶對(duì)系統(tǒng)功能需求基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和處理，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)的一致性。系統(tǒng)對(duì)飛行器飛行狀況進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，能夠及時(shí)接收飛行包發(fā)送的各類信息，包含飛行狀態(tài)、航點(diǎn)等。對(duì)航點(diǎn)實(shí)施規(guī)劃時(shí)，任務(wù)航點(diǎn)及其生成的航跡點(diǎn)等數(shù)據(jù)均會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。在研發(fā)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵與核心部分，應(yīng)該依照邏輯結(jié)構(gòu)、需求以及物理結(jié)構(gòu)展開(kāi)，用戶端不用設(shè)置專用軟件，可以促使系統(tǒng)維護(hù)更為便捷。數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)機(jī)、航跡點(diǎn)、緯度等。

3系統(tǒng)功能測(cè)試

3．1測(cè)試流程分析

測(cè)試工作要嚴(yán)格按照相關(guān)測(cè)試流程，各流程嚴(yán)格根據(jù)計(jì)劃執(zhí)行情況，且撰寫的測(cè)試文檔要具有規(guī)范化的特點(diǎn)，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試執(zhí)行流程見(jiàn)圖9。具體流程如下：（1）對(duì)于使用者的需求，對(duì)測(cè)試需求及測(cè)試方案進(jìn)行評(píng)審；（2）依據(jù)測(cè)試需要的結(jié)果，設(shè)計(jì)具體的測(cè)試計(jì)劃及用例，并對(duì)測(cè)試用例展開(kāi)細(xì)致的審查；（3）把測(cè)試的各單元模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合和集成測(cè)試，進(jìn)而檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)是否正確，判斷系統(tǒng)能否達(dá)到用戶的實(shí)際需求。完成系統(tǒng)的整合，進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能情況，詳細(xì)記錄各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，將測(cè)試環(huán)節(jié)不足之處進(jìn)行維護(hù)，確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終能交付使用。

3．2測(cè)試用戶控制層

該層主要包含控制臺(tái)、航跡規(guī)劃等模塊，主要針對(duì)上述模塊展開(kāi)測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行操作中具體步驟如下：（1）開(kāi)啟飛行仿真平臺(tái)，設(shè)定該平臺(tái)處在等候起飛環(huán)節(jié)；（2）開(kāi)啟飛行包軟件，設(shè)計(jì)初始值以后，將仿真平臺(tái)下的無(wú)人機(jī)定位至指定的機(jī)場(chǎng)；（3）開(kāi)啟軟件系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)連接打開(kāi)，確保各監(jiān)控窗口處在初始狀態(tài)［8］。

3．2．1測(cè)試控制臺(tái)模塊功能控制臺(tái)作為顯示使用者各項(xiàng)操作功能的界面，軟件界面包括8個(gè)分隔窗體，通過(guò)DockPanel配置文件存儲(chǔ)在相對(duì)應(yīng)的布局信息。如果窗體布局發(fā)生改變，需要重新保存相應(yīng)的配置文件。軟件再次開(kāi)啟以后，加載依然是上次存儲(chǔ)的配置文件。為檢測(cè)分隔窗體能否支持隨意拖動(dòng)，可改變二維及三維兩個(gè)窗體的位置，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10。該模塊功能測(cè)試時(shí)，針對(duì)控制臺(tái)各功能響應(yīng)狀況展開(kāi)測(cè)試，控制臺(tái)主要包括界面內(nèi)的工具欄、菜單欄、各窗口等，先對(duì)各控件是否正常響應(yīng)實(shí)施檢測(cè)。由于控制臺(tái)內(nèi)使用者開(kāi)展操作的控件比較多，旨在對(duì)關(guān)鍵功能控件展開(kāi)測(cè)試，結(jié)果證實(shí)，各控件均可以正常執(zhí)行相應(yīng)的功能，根據(jù)控件測(cè)試時(shí)間，可知各控件執(zhí)行效率比較高，平均響應(yīng)時(shí)間均處在50ms之內(nèi)。

3．2．2測(cè)試航跡規(guī)劃模塊功能對(duì)這個(gè)模塊展開(kāi)測(cè)試，就是依據(jù)用戶配置的無(wú)人機(jī)及其威脅信息等數(shù)據(jù)規(guī)劃相應(yīng)的航跡，并在二維及三維航跡模塊內(nèi)展示出來(lái)。航跡規(guī)劃操作中，必須配置無(wú)人機(jī)各項(xiàng)操作、威脅物等信息。依據(jù)使用者配置的無(wú)人機(jī)參數(shù)、起飛位置等數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，依據(jù)航跡數(shù)據(jù)展開(kāi)航跡規(guī)劃操作。依據(jù)配置的各項(xiàng)信息，設(shè)計(jì)3個(gè)禁飛區(qū)域，一個(gè)規(guī)則的長(zhǎng)方體障礙物，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格100＊100空間網(wǎng)絡(luò)內(nèi)規(guī)劃整體航跡。實(shí)際進(jìn)行航跡規(guī)劃時(shí)，必須在三維GIS內(nèi)，生產(chǎn)相應(yīng)的航跡點(diǎn)，通過(guò)經(jīng)緯度形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

3．2．3測(cè)試狀態(tài)監(jiān)控模塊功能該模塊旨在對(duì)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(shí)刻觀察該模塊不同儀表是否展示正確的數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于無(wú)人機(jī)飛行檢測(cè)與控制需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航參數(shù)及時(shí)獲取、飛行控制參數(shù)實(shí)施在線調(diào)整、數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)等功能，并為規(guī)劃長(zhǎng)距離飛行提供有利的保障。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能達(dá)到無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)飛行機(jī)執(zhí)行的各項(xiàng)任務(wù)。

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作者：郭杰；王曉銀；滑亞慧 單位：西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院