CN106530896A - 一种用于无人机飞行演示的虚拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无人机飞行演示的虚拟系统，属于无人机演示设计领域。包括投影系统、音响系统、至少两个操控台以及由所述操控台控制的处理器，所述处理器至少包含以下模块：状态监控模块，航迹规划模块，场景生成模块以及飞控系统，其中，场景生成模块至少包含一个用于提供所述场景地形数据的地形生成程序以及一个供所述地形生成程序调用数据的数据库，所述数据库包含有卫图数据集合、图层数据集合以及高程信息数据，所述卫图数据集合包括将整张场景卫图按视角范围分割的所有图片集，在系统的运行过程中，根据视点的经纬度坐标动态加载当前视点范围内的图片资源，能够更加清楚地显示地理信息，并且能够加快计算机处理速度。

Description

一种用于无人机飞行演示的虚拟系统

技术领域

本发明属于无人机演示设计领域，具体涉及一种用于无人机飞行演示的虚拟系统。

背景技术

无人机飞行演示的虚拟系统俗称无人机视景系统，无人机视景系统通过使用大范围景象、地形数据构造可视化场景、无人机模型等实现对无人机飞行环境、飞行状态、飞行航线、任务设备信息等立体化显示，将无人机的飞行参数通过最自然、最易理解的动态图像形式实时地展示给地面监控人员，达到与无人机实际飞行一致的视景效果，为无人机试飞提供高沉浸感、高逼真度和全视点的监视。

现有技术中，由于三维视景仿真软件的主场景为一个大地形数据库，无人机飞行演示的虚拟系统对地形的分辨率非常低，同时缺乏有效的回放功能等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于无人机飞行演示的虚拟系统，主要包括：

投影系统、音响系统、至少两个操控台以及由所述操控台控制的处理器，所述处理器至少包含以下模块：

状态监控模块，调取场景地形数据以及预设航线数据，形成状态系统监控画面，并显示在择一所述操控台上；

航迹规划模块，包括用于显示在另一所述操控台的矢量电子地图，用于读取所述矢量电子地图上的标记的第一读取单元，用于根据第一读取单元读取的数值生成经纬坐标的解算单元，获取用户添加的飞行高度信息的第二读取单元以及根据所述解算单元给定的经纬坐标与所述第二读取单元读取的高度信息共同生成所述预设航线数据的航迹生成单元；

场景生成模块，至少包含一个用于提供所述场景地形数据的地形生成程序以及一个供所述地形生成程序调用数据的数据库，所述数据库包含有卫图数据集合、图层数据集合以及高程信息数据，所述卫图数据集合包括将整张场景卫图按视角范围分割的所有图片集，所述地形生成程序首先能够根据视角范围及视点的经纬度坐标生成二维电子地图，之后加载响应的图层数据集合进行二维电子地图的渲染，最后加载高程信息数据形成三维电子地图；以及，

飞控系统，用于根据飞行状态参数解算实际航迹。

优选的是，所述操控台至少包含飞行状态操控台与飞行任务操作台，所述飞行状态操控台包含能够操纵所述状态监控模块和/或场景生成模块的界面指令或实物操纵指令，所述飞行任务操纵台包含能够操纵航迹规划模块的界面指令或实物操纵指令。

上述方案中优选的是，所述实物操纵指令包括手柄操纵指令和/或命令台按钮操纵指令。

上述方案中优选的是，所述界面指令包括鼠标操纵指令和/或触屏操纵指令。

上述方案中优选的是，所述状态监控模块还包括调取飞控系统参数并转换成数据形式进行显示。

上述方案中优选的是，所述数据形式显示包括仪表界面显示、罗盘导航显示。

上述方案中优选的是，还包括数据回放模块，用于按时间记录并保存状态监控模块读取的数据信息，能够根据所述数据信息回放状态监控模块曾显示的画面。

上述方案中优选的是，还包括场景模拟系统，所述场景模拟系统用于模拟动态触发下的情景，包括音效模拟与动态视景模拟。

上述方案中优选的是，还包括天气系统，状态监控模块能够调用该天气系统，同时，所述天气系统的数据存储在所述场景生成模块的数据库中，以便实时调用。

附图说明

图1为本发明用于无人机飞行演示的虚拟系统的一优选实施例的总体结构部署图。

图2为本发明图1所示实施例的硬件结构图。

图3为本发明图1所示实施例的软件结构图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明要解决的技术问题：

1.三维视景仿真软件主场景为一个大地形数据库，且对地形的分辨率达到一定的要求；

2.记录回放功能主要通过保存当前无人机的运行数据和状态数据；

3.根据视点区域动态调度分块卫图；

4.将无人机飞行环境、飞行状态参数、航线信息、任务设备信息等实时显示，并与无人机实际飞行一致的视景效果。

为此，本发明提供了一种用于无人机飞行演示的虚拟系统，如图1所示，主要包括：

投影系统、音响系统、至少两个操控台以及由所述操控台控制的处理器，所述处理器至少包含以下模块：

状态监控模块，调取场景地形数据以及预设航线数据，形成状态系统监控画面，并显示在择一所述操控台上；

航迹规划模块，包括用于显示在另一所述操控台的矢量电子地图，用于读取所述矢量电子地图上的标记的第一读取单元，用于根据第一读取单元读取的数值生成经纬坐标的解算单元，获取用户添加的飞行高度信息的第二读取单元以及根据所述解算单元给定的经纬坐标与所述第二读取单元读取的高度信息共同生成所述预设航线数据的航迹生成单元；

场景生成模块，至少包含一个用于提供所述场景地形数据的地形生成程序以及一个供所述地形生成程序调用数据的数据库，所述数据库包含有卫图数据集合、图层数据集合以及高程信息数据，所述卫图数据集合包括将整张场景卫图按视角范围分割的所有图片集，所述地形生成程序首先能够根据视角范围及视点的经纬度坐标生成二维电子地图，之后加载响应的图层数据集合进行二维电子地图的渲染，最后加载高程信息数据形成三维电子地图；以及，

飞控系统，用于根据飞行状态参数解算实际航迹。

本实施例中，无人机视景系统功能主要表现为状态监控功能和航迹规划功能。无人机视景系统不仅能与地面站测控系统进行实时通信，而且可扩展连接飞控端和地面站操作训练系统。

场景地形数据和预设航线数据共同生成状态监控系统画面。状态监控系统主要用于无人机飞行仿真的视景显示。在无人机的飞行仿真过程中，将仿真结果进行实时显示，可使得整个仿真试验三维可视、过程形象逼真，便于无人机试飞人员进行理解、分析和评价。

状态监控系统通过三维动画的方式实时动态的描述无人机飞行全过程中的状态；同时用文字及其图形实时准确显示任务过程中相关具体参数；状态监控系统展现的三维视景端预设多路图像输出接口，包括可见传感器显示、数码相机显示。飞行过程中的飞行参数同时通过仪表界面显示，主要包括姿态仪表、高度梯形表、垂直加速度表、空速梯形表、罗盘导航。

状态监控系统接收来自上位机发送的姿态、位置等数据，通过网络数据接口驱动无人机飞行，同时在飞行过程中实时更新视景端无人机的飞行状态参数，最终将上位机的命令的数据转换为三维视景仿真场景中三维可视化。在上位机数据中断的情况下，启用航迹推算模块，驱动无人机继续飞行。无人机三维视景系统通过模拟出逼真的仿真环境、无人机模型以及无人机飞行过程中的运动状态，为科学研究提供一个高效稳定的三维可视化仿真平台。三维视景界面软件在主显示器中分为以下几部分：机内/机外视角显示，可见光探测器显示，飞行姿态显示，航迹显示，飞行仪表显示。支持天气、季节、光照、雨雪的仿真环境设置，支持旋翼声效、灯光、阴影、碰撞坠毁特效模拟，支持视点角度和视点距离调整。

飞行任务规划模块按功能可分为：电子地图功能模块、显示模块、任务执行模块、任务回放模块等。飞行任务规划软件包含了矢量电子地图功能模块、航迹规划功能、飞行剖面信息、航迹图像显示。电子地图功能模块实现电子地图的读入，显示，以及放大，缩小，漫游等功能。飞行任务规划软件的主要功能为：通过操控人员在电子地图上进行航迹点的设置，从而完成对无人机飞行路线的规划。在飞机的整个飞行过程中记录下飞机在每个时间点的飞行数据，包括飞行高度，姿态，油量等参数。飞行剖面信息记录了飞行过程中飞机在高度上的变化以及垂直方向地面海拔信息的变化。航迹图像显示模块即基于飞行的实时数据，显示当前飞行路线。

航迹规划系统主要用于航迹规划、显示飞行地图、显示飞行信息、显示预设航迹、显示真实飞行航迹和显示飞行剖面。航迹规划功能用于用户在矢量电子地图中设置飞行路线。航迹点的设置基于矢量电子地图信息实现。在矢量电子地图界面，用户通过鼠标点选电子地图获取经纬度坐标，手动添加、编辑、保存航迹点为预设航迹。在飞行过程中，实时的将当前飞行状态、航迹和飞行参数叠加在电子地图上。同时在三维视窗绘制地面高度曲线、预设航迹曲线，并实时更新飞行航迹曲线。

矢量电子地图和三维场景编辑功能可对不同来源、不同投影方式、不同分辨率数据进行处理，包括对景象数据的比例校正、映射校正等，并对景象数据进行压缩，对地形数据和景象数据进行配对，最终生成多分辨率图层存入数据库。

航迹规划系统通过网络协议与状态监控系统实时通信，同步更新显示无人机在飞行过程中的运动状态、飞行参数，提供飞行任务二维可视化功能。

飞行航迹的显示包括：预设飞行航迹显示、实际飞行航迹显示。预设飞行航迹数据通过以太网传输由三维视景仿真软件接收，进行预设飞行航迹的显示。实际飞行航迹数据通过飞控系统进行计算解析，生成实际飞行路线，通过以太网传输由三维视景仿真端接收，进行当前实际飞行航迹的显示。

航迹规划功能包括：1、矢量电子地图功能，2、设定编辑路径功能，3、动态图层的叠加功能，4、地形高度曲线、预设航迹曲线、真实航迹曲线三维显示功能。

1.矢量电子地图功能

矢量电子地图以具体某地点或某建筑物为中心300km*300km范围，地图精度为1：1000000，矢量电子地图包含多个图层，包括有道路、河流、边界以及辅助显示信息如区域包线图层，矢量电子地图支持基本的放大、缩小、漫游等操作功能。

2.设定编辑路径功能

通过鼠标点击矢量电子地图的坐标点，转换为仿真区域的经纬度坐标，通过索引标示多条预设路径，在列表框里显示和编辑，同时支持保存为文本格式或其他格式磁盘文件，再次加载还原编辑路径，驱动无人机按照预设路径飞行，每个航路点包含的详细信息有：索引、经度、纬度、高度、附加值。

3.动态图层的叠加功能

通过叠加动态图标、图层标识无人机的当前位置状态，实时更新坐标位置及图层的位置，同时在无人机图标的周围以文字形式显示当前无人机的状态参数。

4.地形高度曲线、预设航迹曲线、真实航迹曲线三维显示功能

根据预设航迹结合高程文件，在三维视窗中绘制出地形高度曲线；根据预设航迹的经纬度坐标绘制出预设航迹曲线；同时在实时飞行过程中，根据真实飞行高度的动态参数绘制真实航迹。

记录回放功能设计：

记录回放功能主要通过保存当前无人机的运行的数据和状态数据，和当前的时间戳根据特定格式约定同步写入xml记录文件，在回放的时候加载、读取xml记录文件，根据记录时约定的格式解析录像数据，将所有的录像数据解算出来保存在回放列表中，通过回放模块在帧循环中更新无人机的运动状态完成仿真场景的再现。

场景生成系统：

系统选用Terra Vista作为地形生成系统软件工具。Terra Vista是理想的地形生成工具，满足大而复杂地形数据的处理，通过可视化图形界面，模型参数的设定，专家系统帮助设置，基于模版自动生成大形数据库。

在输入各种相关的数据源(高程信息数据、地形纹理数据、文化特征数据)并设置好数据库参数后,Terra Vista能自动将所需的各种数据元素合成并生成内容丰富的三维地形数据库,输出的地形数据能直接为用户使用,大大降低了手工劳动强度,提高了建模的速度。

系统具有下列特性：

飞行环境：具备一定范围的直升机飞行环境，包括三维地形、天气效果、实时光影效果等；

飞行模式：能够实现直升机的固定路径飞行、实时数据驱动飞行等飞行模式；

浏览模式：能够实现跟随、旋转、俯视等多种浏览模式；

多视点模式：能够实现机舱视点、机翼视点、机尾视点、地面视点等多种视点切换模式；

数据管理：利用统一的，DCP数据交互程序对后台数据交换进行有效调度和管理；

本实施例中，主要分为三部分开发：

三维建模：包括直升机等三维模型的建立，以及地形数据的建立；

飞行仿真开发：直升机飞行仿真过程开发；

接口开发：直升机飞行仿真程序同用户数据接口的开发。

根据视点区域动态调度分块卫图：

在二维电子地图中图层渲染中，大范围的整张卫图显示会占用额外的资源，导致系统的运行效率比较低下，为此提出将大范围图片分割成图片集，通过xm l文件描述，在系统的运行过程中，根据视点的经纬度坐标动态加载当前视点范围内的图片资源。

无人机飞行演示的虚拟系统设计合理，各项功能配置均符合技术协议要求，具备向无人机试飞人员提供飞行状态监控和飞行航迹规划等重要信息的能力。

经过测试，该系统布局合理，参数显示准确性、实时性和完整性均满足测试要求，系统性能指标基本满足无人机飞行演示的要求。

无人机飞行演示的虚拟系统有软件系统和硬件系统两部分组成，软件系统如图3所示，整体分为三部分，分别为状态监控系统、航迹规划系统、场景生成系统，通过这三部分实现对三维视景系统的开环控制。硬件系统如图2所示，分为投影系统、音响系统和四个操控台，将其中两个操控台中的分别作为无人机状态监控操控台和飞行任务操控台，剩余两个操控台作为扩展席位，为后续研发的其他系统做预留准备，系统间的数据传输通过网络实现。

可以理解的是，所述操控台至少包含飞行状态操控台与飞行任务操作台，所述飞行状态操控台包含能够操纵所述状态监控模块和/或场景生成模块的界面指令或实物操纵指令，所述飞行任务操纵台包含能够操纵航迹规划模块的界面指令或实物操纵指令。

例如实物操纵指令包括手柄操纵指令和/或命令台按钮操纵指令；界面指令包括鼠标操纵指令和/或触屏操纵指令

航迹规划模块：鼠标点击矢量地图上的坐标点，转换为仿真区域的经纬度坐标，生成航迹的二维坐标，人工添加高度信息，生成三维航迹，同时驱动无人机按照预设路径飞行；

附加值，例如消速点规定为1，则在该栏里填1，飞控系统读取到该数值时，进行减速操作(返航到起始点时，减速至悬停)。

无人机状态监控模块能够将上述三维航迹在另一台控制台界面进行显示；(通过叠加动态图标、图层标识无人机的当前位置状态，实时更新坐标位置及图层的位置，同时在无人机图标的周围以文字形式显示当前无人机的状态参数)，备选实施方式中，所述状态监控模块还包括调取飞控系统参数并转换成数据形式进行显示，可以理解的是，所述数据形式显示例如可以是仪表界面显示或罗盘导航显示。

本实施例中，场景模拟系统，所述场景模拟系统用于模拟动态触发下的情景，包括音效模拟与动态视景模拟，例如，飞机撞毁时的动态场景、爆炸声音等。同理，还包括天气系统，状态监控模块能够调用该天气系统，同时，所述天气系统的数据存储在所述场景生成模块的数据库中，以便实时调用。可以理解的是，所述调用还包括非实时调用，例如在第二读取单元中增加读取附加值的功能，该附加值既可以包括天气系统信息，也可以包括因高度带来的温度、压力变化值等信息，以便供飞控系统解算。

本发明在二维电子地图中图层渲染中，大范围的整张卫图显示会占用额外的资源，导致系统的运行效率比较低下，为此提出将大范围图片分割成图片集，通过xml文件描述，在系统的运行过程中，根据视点的经纬度坐标动态加载当前视点范围内的图片资源，能够更加清楚地显示地理信息，并且能够加快计算机处理速度。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，包括：

投影系统、音响系统、至少两个操控台以及由所述操控台控制的处理器，所述处理器至少包含以下模块：

状态监控模块，调取场景地形数据以及预设航线数据，形成状态系统监控画面，并显示在择一所述操控台上；

航迹规划模块，包括用于显示在另一所述操控台的矢量电子地图，用于读取所述矢量电子地图上的标记的第一读取单元，用于根据第一读取单元读取的数值生成经纬坐标的解算单元，获取用户添加的飞行高度信息的第二读取单元以及根据所述解算单元给定的经纬坐标与所述第二读取单元读取的高度信息共同生成所述预设航线数据的航迹生成单元；

场景生成模块，至少包含一个用于提供所述场景地形数据的地形生成程序以及一个供所述地形生成程序调用数据的数据库，所述数据库包含有卫图数据集合、图层数据集合以及高程信息数据，所述卫图数据集合包括将整张场景卫图按视角范围分割的所有图片集，所述地形生成程序首先能够根据视角范围及视点的经纬度坐标生成二维电子地图，之后加载响应的图层数据集合进行二维电子地图的渲染，最后加载高程信息数据形成三维电子地图；以及，

飞控系统，用于根据飞行状态参数解算实际航迹。

2.如权利要求1所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，所述操控台至少包含飞行状态操控台与飞行任务操作台，所述飞行状态操控台包含能够操纵所述状态监控模块和/或场景生成模块的界面指令或实物操纵指令，所述飞行任务操纵台包含能够操纵航迹规划模块的界面指令或实物操纵指令。

3.如权利要求2所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，所述实物操纵指令包括手柄操纵指令和/或命令台按钮操纵指令。

4.如权利要求2所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，所述界面指令包括鼠标操纵指令和/或触屏操纵指令。

5.如权利要求1所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，所述状态监控模块还包括调取飞控系统参数并转换成数据形式进行显示。

6.如权利要求5所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，所述数据形式显示包括仪表界面显示、罗盘导航显示。

7.如权利要求1所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，还包括数据回放模块，用于按时间记录并保存状态监控模块读取的数据信息，能够根据所述数据信息回放状态监控模块曾显示的画面。

8.如权利要求1所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，还包括场景模拟系统，所述场景模拟系统用于模拟动态触发下的情景，包括音效模拟与动态视景模拟。

9.如权利要求1所述的用于无人机飞行演示的虚拟系统，其特征在于，还包括天气系统，状态监控模块能够调用该天气系统，同时，所述天气系统的数据存储在所述场景生成模块的数据库中，以便实时调用。