CN107885096B - 一种无人机巡检航迹三维仿真监控系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机巡检航迹三维仿真监控系统，包括：三维浏览模块、二次开发模块、界面功能模块、实时交互模块；与现有技术相比较，本发明的有益效果在于，本发明将无人机测试数据导入生成的高精度地形模型生成三维无人机测试场景，实现无人机模型与测试场地的无缝连接；无人机测试监控人员可通过三维仿真监控系统更加形象、直观的从各个角度观察无人机在测试过程中的轨迹、状态等信息，并通过图表等形式更加量化的比对无人机实际航迹和设计航迹；此外，作为一个可进行拓展应用的基础数据平台，本系统采用数据库方式进行基础数据的组织和管理，形成一个基于无人机测试应用服务的项目管理系统。

Description

一种无人机巡检航迹三维仿真监控系统

技术领域

本发明涉及无人机应用领域，具体而言，涉及一种无人机三维航迹仿真监控系统。

背景技术

近年来我国民用无人机市场已进入快速发展期，当前无人机已成为地理信息产业愈发重要的数据来源和信息获取手段。但是目前大多数无人机生产厂家尚无科学定量化的无人机飞行质量评价体系，也没有标准化的无人机飞行轨迹测量设备。同时无人机行业的快速发展对无人机飞手培训提出了巨大的需求。当前的裁判现场考核评分体系已经无法满足无人机培训行业发展需要。因此，需要一种科学客观的无人机测试三维仿真监控系统。裁判人员可通过三维仿真监控系统更加形象、直观的从各个角度观察无人机在测试过程中的轨迹、状态等信息。并通过基础数据平台，将采集系统获取的数据通过图表等形式更加量化展示给裁判人员，从不同角度标准化定量化检测无人机自主飞行性能或进行培训飞手操作水平考核。

中国专利公布号CN 102339021A公布了一种无人机控制技术，其针对传统技术中无人机控制技术存在的缺陷，公开了一种无人机视景仿真系统，实时显示无人机当前视景环境及状态数据，提高无人机控制的安全性和准确性。其技术方案的要点可概括为：不仅利用了无人机摄像头采集的真实视景环境与传感器采集的飞行控制数据，还通过虚拟当前视景环境并将此三者结合，建立一个多感官刺激的地面驾驶环境，虚拟化技术及合成视觉技术的应用，让无人机控制人员在任何气象条件下都能准确的感知飞机在这个三维立体世界中的位置及周边状态，仿佛自己就在天空飞行，我们立足建立这样的情景，让控制人员扮演好自己的“角色”。本发明还公开了一种无人机视景仿真方法，适用于对无人机的控制。

但上述技术方案中，先通过虚拟现实场景处理模块查找地形数据，再将数据传入真实场景处理模块进行数据还原，生成地形。该方案无法快速生成高精度的地形模型，并且生成的地形模型无法进行编辑修改，可操作性不强；其次，飞行数据处理模块生成的数据没有通过图表等形式进行量化处理，无法直观地显示结果；最后上述技术方案不支持开发客户定制系统或者将整个系统直接镶嵌到客户系统中，开放性较差。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种无人机巡检航迹三维仿真监控系统，用以解决上述技术方案中可操作性弱、系统开放性差的技术问题。

本发明提出了一种无人机巡检航迹三维仿真监控系统，包括：三维浏览模块、二次开发模块、界面功能模块、实时交互模块；

所述三维浏览模块，通过软件创建地形模型，使所述系统对试验场地数据的三维地形模型进行快速浏览；

所述二次开发模块，通过调用扩展模块，对所述三维浏览模块获得的地形模型进行二次修改，并将修改后的地形模型数据导入界面功能模块；

所述界面功能模块，其显示通过修改后的所述地形模型数据获取的模拟地形场景及所述无人机的视窗范围内的景象，并通过对界面操作以观察所需视角景象及获取无人机测试状态；

所述实时交互模块，其可实现基于无人机测试的整套流程，在所述无人机测量系统中快速构成无人机测试场地，并将所述无人机的实际航迹和设计航迹的对比数据以客观、可视化的形式量化输出。

进一步地，所述三维浏览模块支持影像数据、高程数据、矢量数据、属性数据。

进一步地，所述二次开发模块包括：

地形提取单元，通过网络提取本地或远程地形资料；

协同作业单元，通过TCP/I P的宽频网络结构，导引、实时跟踪、互动的执行飞行模拟、对话、标注区域及叠加分析图层功能，并可配合服务器执行协同作业任务；

实时位置追踪单元：通过实时或导入GPS资料，控制移动物体显示或播放历史路线。

进一步地，所述二次开发模块还包括：

复制目标实体单元，通过间距、尺寸复制各种目标实体；

电力建立单元，通过点或线性设定，建立不同的电力输送设备；

自行手工绘制单元，用以在3D地形上绘制所需要的线性、多边形、文字、图案。

进一步地，所述二次开发模块还包括：

地理编码单元，通过资料库进行资料查询；

点云资料输入单元，用以输入、编辑及展现3D扫描仪所产生的点云资料；

影音播放单元，用以播放摄影机所产生的实时数据流和预录的影音资料，并设定摄影机位置及视域；

影像图层单元，用以增加遥感影像，并实时展现、隐藏新增影响图层；

高品质图像快照单元，用以设定及输出所需3D可视化图像的尺寸及格式。

进一步地，所述界面功能模块包括：

测试场地整体概览单元，通过全景缩放，从整体上查看整个地形；

测试场地区域漫游单元，通过使用鼠标及导航按钮对整个景区进行浏览漫游，并能改变视窗范围以观察更多的区域；

三维位置测量单元，通过测量无人机位置估算无人机测试状态。

进一步地，所述界面和功能模块还包括：

历史结果查看单元，用以查询无人机测试历史纪录，并实时绘制无人机飞行高度线。

进一步地，所述实时交互模块通过API和COM接口开发定制系统或把三维系统直接镶嵌到系统中。

进一步地，所述二次开发模块针对在球体模型上集成山区环境的虚拟现实场景，点击所需展示的区域，通过超链接，以网页或者应用程序的形式展示海洋环境的虚拟现实场景。

进一步地，所述测试场地整体概览单元包括：缩放、回正、环绕功能；

所述缩放功能，用以按一定比例缩放地形模型；

所述回正功能，用以实现一键回正功能，即恢复指北方向；

所述环绕功能：用以针对当前视角中心点进行环绕观察，全方位角度查看地形对象。

进一步地，所述测试场地区域漫游单元包括：拖拽、滑行、翻转功能；

所述拖拽功能，通过移动地形地物来改变视窗显示范围；

所述滑行功能，通过滑动摄像机来改变视窗显示范围；

选择翻转功能，通过改变摄像机的倾角与方位角来改变视窗显示范围。

进一步地，所述三维位置测量单元包括：水平测量、垂直测量、空间测量、面积测量；

所述水平测量，用以测两点之间的水平方向上的距离，并能实现多点连续测量；

所述垂直测量，用以测量两点之间的垂直水平面方向上的距离；

所述空间测量，用以测量空间两点的空间距离，即测量空间两点之间直线距离；

所述面积测量，用以测量面积，即测量多边形的水平方向上的面积和贴近地形所计算出的面积，并能根据单位选择自动换算面积结果。

进一步地，所述历史结果查看模块通过分别提取存储的数据，实现历史航迹查询、历史航迹导出、历史航迹仿真、设计航迹仿真功能。

进一步地，所述矢量数据和所述影像数据存储在本地文件中，所述属性数据则存储在关系数据库中；这两种数据通过管理空间对象拓扑关系的文件进行关联。

进一步地，所述系统内的虚拟无人机在每个采样时刻的离散三维坐标数据、仿真无人机航迹、水平测量结果、垂直测量结果、空间测量结果、面积测量结果用于评价无人机自主飞行性能或者飞手操作考核。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于，本发明将高精度的数字地面模型和高分辨率影像进行叠加，在三维可视化平台中生成高精度的地形模型，在此地形模型上导入无人机测试数据快速生成三维无人机测试场景，实现无人机模型与测试场地的无缝连接；无人机测试监控人员可通过三维仿真监控系统更加形象、直观的从各个角度观察无人机在测试过程中的轨迹、状态等信息，并通过图表等形式更加量化的比对无人机实际航迹和设计航迹。

此外，作为一个可进行拓展应用的基础数据平台，本系统采用数据库方式进行基础数据的组织和管理，形成一个基于无人机测试应用服务的项目管理系统。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为无人机巡检航迹三维仿真监控系统的结构框图。

图2为无人机巡检航迹三维仿真监控系统的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

参阅图1所示，其为无人机巡检航迹三维仿真监控系统的结构框图，系统包括：三维浏览模块、二次开发模块、界面功能模块、实时交互模块；其中，三维浏览模块，通过软件创建地形模型，使所述系统对试验场地数据的三维地形模型进行快速浏览；二次开发模块，通过调用扩展模块，对所述三维浏览模块获得的地形模型进行二次修改，并将修改后的地形模型数据导入界面功能模块；界面功能模块，其显示通过修改后的所述地形模型数据获取的模拟地形场景及所述无人机的视窗范围内的景象，并通过对界面操作以观察所需视角景象及获取无人机测试状态；实时交互模块，其可实现基于无人机测试的整套流程，在所述无人机测量系统中快速构成无人机测试场地，并将所述无人机的实际航迹和设计航迹的对比数据以客观、可视化的形式量化输出。

具体而言，三维浏览模块支持影像数据、高程数据、矢量数据、属性数据。所述矢量数据和所述影像数据存储在本地文件中，所述属性数据则存储在关系数据库中；这两种数据通过管理空间对象拓扑关系的文件进行关联。

在本实施例中，三维浏览模块采用TerraBuilder软件创建地形模型后(叠加DEM和DOM)，使得系统能对该三维地形模型进行快速浏览，包括平移、旋转、缩放等基本三维漫游显示功能。

具体而言，二次开发模块包括：地形提取单元，通过网络提取本地或远程地形资料；协同作业单元，通过TCP/IP的宽频网络结构，导引、实时跟踪、互动的执行飞行模拟、对话、标注区域及叠加分析图层功能，并可配合服务器执行协同作业任务；实时GPS追踪单元：通过实时或输入GPS资料，控制移动物体显示或播放历史路线。二次开发模块还包括：复制目标实体单元，通过间距、尺寸复制各种目标实体；电力建立单元，通过点或线性设定，建立不同的电力输送设备；自行手工绘制单元，用以在3D地形上绘制所需要的线性、多边形、文字、图案。二次开发模块还包括：地理编码单元，通过资料库进行资料查询；点云资料输入单元，用以输入、编辑及展现3D扫描仪所产生的点云资料；影音播放单元，用以播放摄影机所产生的实时数据流和预录的影音资料，并设定摄影机位置及视域；影像图层单元，用以增加遥感影像，并实时展现、隐藏新增影响图层；高品质图像快照单元，用以设定及输出所需3D可视化图像的尺寸及格式。二次开发模块针对在球体模型上集成山区环境的虚拟现实场景，点击所需展示的区域，通过超链接，以网页或者应用程序的形式展示海洋环境的虚拟现实场景。

在本实施例中，通过调用Skyline平台的组件对三维浏览模块生成的三维地形进行二次开发，借助其三维浏览显示的优势来提高研发效率，并将修改后的三维地形导入界面功能模块。系统包含比较多的扩展模块，主要包括地形提取单元：可经由网络将本地或远程地形资料，切割及下载至客户端，并可输出成CD/DVD储存容量的资料、VRML模型或配合Direct Connect功能即时产生所需的地形文件；协同作业单元：经由TCP/IP的宽频网络结构，允许用户可导引、实时跟踪、互动的执行飞行模拟、对话、标注区域及叠加分析图层等功能，并可配合服务器执行协同作业任务；实时GPS追踪单元：可实时或输入GPS资料，控制一个或多个移动物体，可选择依GPS信号进行或显示及播放历史路线；复制目标实体单元：可设定线或面，依间距、尺寸复制各种目标实体；自行手工绘制单元：可于3D地形上绘制各种线性、多边形、文字、2D及3D图案；建立电力线单元：可依选点或线性设定，建立不同之电力输送设备；地理编码单元：可连接至MapInfo资料库进行资料查询；点云资料输入单元：可将3D扫描仪所产生的点云资料输入、编辑及展现；地形上影音播放单元：允许于地形上播放由静止或移动摄影机，所产生的实时数据流或预录的影音资料，并可设定摄影机位置及视域，或依遥感资料动态展现移动摄影机所摄得的影像及位置；影像图层单元：允许用户将遥感影像贴在地形上，以实时展现/隐藏新增影像图层，并支持最多的多尺度、多级分辨率文件格式；高品质图像快照：可设定及输出所需3D可视化图像的尺寸及格式(BMP及TIFF)。针对在球体模型上集成山区环境的虚拟现实场景，系统提供的解决方案是点击所需展示的区域，通过超链接，以网页或者应用程序的形式展示海洋环境的虚拟现实场景。

具体而言，界面功能模块包括：测试场地整体概览单元，通过全景缩放，从整体上查看整个地形；测试场地区域漫游单元，通过使用鼠标及导航按钮对整个景区进行浏览漫游，并能改变视窗范围以观察更多的区域；三维位置测量单元，通过测量无人机位置估算无人机测试状态。界面和功能模块还包括：历史结果查看单元，用以查询无人机测试历史纪录，并实时绘制无人机飞行高度线。测试场地整体概览单元包括：缩放、回正、环绕功能；缩放功能，用以按一定比例缩放地形模型；回正功能，用以实现一键回正功能，即恢复指北方向；环绕功能：用以针对当前视角中心点进行环绕观察，全方位角度查看地形对象。测试场地区域漫游单元包括：拖拽、滑行、翻转功能；拖拽功能，通过移动地形地物来改变视窗显示范围；滑行功能，通过滑动摄像机来改变视窗显示范围；选择翻转功能，通过改变摄像机的倾角与方位角来改变视窗显示范围。三维位置测量单元包括：水平测量、垂直测量、空间测量、面积测量；水平测量，用以测两点之间的水平方向上的距离，并能实现多点连续测量；垂直测量，用以测量两点之间的垂直方向是的距离；空间测量，用以测量空间两点的空间距离，即测量空间两点之间直线距离；面积测量，用以测量面积，即测量多边形的水平方向上的面积和贴近地形所计算出的面积，并能根据单位选择自动换算面积结果。历史结果查看模块通过分别提取存储的数据，实现历史航迹查询、历史航迹导出、历史航迹仿真、设计航迹仿真功能。

在本实施例中，无人机测试三维仿真监控系统部署在无人机测试场所办公室的计算机中，研究人员使用已安装好系统的计算机进行操作。系统界面友好、简介易上手、操作性强，并提供完善的提示信息和帮助功能，操作手册等说明文档详尽齐全，软件操作简单，培训周期短，用户能快速掌握使用该软件。

具体而言，将二次修改后的三维地形模型与无人机相结合，并可进行一系列修改操作。该模块包括测试场地整体概览模块、测试场地区域漫游单元、三维位置测量单元、历史结果查看单元。测试场地整体概览模块包含缩放、回正、环绕等基本功能，可以根据使用者的需求缩放到一定的比例，并且实现你一键回正功能，恢复指北方向，同时可以针对当前视角中心点进行环绕观察，全方位角度查看地形对象，再者可以实现全景缩放，使用户从整体上查看整个地形概括；测试场地区域漫游模块包含三维场景拖拽、滑行、翻转三种基本功能，采用三维虚拟现实技术，展现真实的景区全貌，通过人机交互，用户使用鼠标及导航按钮可以直观的对景区进行浏览漫游，选择拖拽功能按钮，通过移动地形地物来改变视窗显示范围，以便观察更多区域，选择滑行功能按钮，通过滑动摄像机来改变视窗显示范围，以便观察更多区域，选择翻转功能按钮，通过改变摄像机的倾角与方位角来改变视窗显示范围，以便观察更多区域；无人机三维位置测量模块包含水平测量、垂直测量、空间测量、面积测量五个基本功能，水平测量即测两点之间的水平方向上的距离，可实现多点连续测量；垂直测量即测量两点之间的垂直方向是的距离；空间测量即空间两点的空间距离，也就是其直线距离；面积测量即测量多边形的水平方向上的面积和贴近地形所计算出的面积，并可以根据单位选择自动换算面积结果。测量功能在实际应用中作用十分重要，可以根据测量结果估算无人机测试状态；历史结果查看模块包含了历史航迹查询、历史航迹导出、历史航迹仿真、设计航迹仿真等功能。历史航迹查询提供了无人机测试历史纪录查询功能，根据历史数据在三维场景中模拟仿真无人机动态飞行轨迹、动态绘制轨迹路径、绘制设计航线，并实时绘制无人机飞行高度线。

实时交互模块通过API和COM接口开发定制系统或把三维系统直接镶嵌到系统中。

具体而言，本实施例可实现基于无人机测试的整套流程，包括无人机设计航线设计、实时轨迹回放、实时飞行状态展示、设计航线与实际航迹对比等功能。可在系统中快速构无人机测试场地，实现无人机测试与三维的无缝连接；无人机测试监控人员可通过三维仿真监控系统更加形象、直观的从各个角度观察无人机在测试过程中的轨迹、状态等信息，并通过图表等形式更加量化的比对无人机实际航迹和设计航迹。本系统具有较好的开放性，通过API和COM接口可以开发客户定制系统，或者把三维系统直接镶嵌到客户系统中。

TerraExplorer Pro API：增强的COM接口，可控制三维场景中所有的对象及其动作。用于客户化定制三维应用系统，提供扩展功能用于访问外部数据，例如数据库、GIS文件和实时数据。所有COM提供的接口既可以通过脚本(javascript)，也可以通过C++或C#访问。Active X控件集：系统可将“3D视窗”和“信息树控制窗口”以Active X的形式输出。开发人员可将这些Active X控件无缝地集成到任何Windows或Web环境的应用系统中。用户接口API：是对系统提供API的扩充。利用其强大功能，开发人员可控制更多三维分析工具和函数。

系统内的虚拟无人机在每个采样时刻的离散三维坐标数据、仿真无人机航迹、水平测量结果、垂直测量结果、空间测量结果、面积测量结果用于评价无人机自主飞行性能或者飞手操作考核。

本系统安装在计算机中，计算机硬件最低配置：双核处理器，4G内存，1T硬盘；计算机软件配置：Windows 7及以上版本windows系统开放式许可。带宽要求：100kbit以上的带宽的情况下，终端可以顺畅浏览三维景观。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，包括：三维浏览模块、二次开发模块、界面功能模块、实时交互模块；

所述三维浏览模块，通过软件创建地形模型，使所述系统对试验场地数据的三维地形模型进行快速浏览；

所述二次开发模块，通过调用扩展模块，对所述三维浏览模块获得的地形模型进行二次修改，并将修改后的地形模型数据导入界面功能模块；

所述界面功能模块，其显示通过修改后的所述地形模型数据获取的模拟地形场景及所述无人机的视窗范围内的景象，并通过对界面操作以观察所需视角景象及获取无人机测试状态；

所述实时交互模块，其可实现基于无人机测试的整套流程，在无人机测量系统中快速构成无人机测试场地，并将所述无人机的实际航迹和设计航迹的对比数据以客观、可视化的形式量化输出；

所述二次开发模块包括：

地形提取单元，通过网络提取本地或远程地形资料；

协同作业单元，通过TCP/IP的宽频网络结构，导引、实时跟踪、互动的执行飞行模拟、对话、标注区域及叠加分析图层功能，并可配合服务器执行协同作业任务；

实时位置追踪单元，通过实时或输入GPS资料，控制移动物体显示或播放历史路线；

复制目标实体单元，通过间距、尺寸复制各种目标实体；

电力建立单元，通过点或线性设定，建立不同的电力输送设备；

自行手工绘制单元，用以在3D地形上绘制所需要的线形、多边形、文字、图案；

所述界面功能模块包括：

测试场地整体概览单元，通过全景缩放，从整体上查看整个地形；

测试场地区域漫游单元，通过使用鼠标及导航按钮对整个景区进行浏览漫游，并能改变视窗范围以观察更多的区域；

三维位置测量单元，通过测量无人机位置估算无人机测试状态；

历史结果查看单元，用以查询无人机测试历史纪录，并实时绘制无人机飞行高度线；

所述历史结果查看单元通过分别提取存储的数据，实现历史航迹查询、历史航迹导出、历史航迹仿真、设计航迹仿真功能。

2.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述三维浏览模块支持影像数据、高程数据、矢量数据、属性数据。

3.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述二次开发模块还包括：

地理编码单元，通过资料库进行资料查询；

点云资料输入单元，用以输入、编辑及展现3D扫描仪所产生的点云资料；

影音播放单元，用以播放摄影机所产生的实时数据流和预录的影音资料，并设定摄影机位置及视域；

影像图层单元，用以增加遥感影像，并实时展现、隐藏新增影响图层；

高品质图像快照单元，用以设定及输出所需3D可视化图像的尺寸及格式。

4.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述实时交互模块通过API和COM接口开发定制系统或把三维系统直接镶嵌到客户系统中。

5.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述二次开发模块针对在球体模型上集成山区环境的虚拟现实场景，点击所需展示的区域，通过超链接，以网页或者应用程序的形式展示海洋环境的虚拟现实场景。

6.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述测试场地整体概览单元包括：缩放、回正、环绕功能；

所述缩放功能，用以按一定比例缩放地形模型；

所述回正功能，用以实现一键回正功能，即恢复指北方向；

所述环绕功能：用以针对当前视角中心点进行环绕观察，全方位角度查看地形对象。

7.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述测试场地区域漫游单元包括：拖拽、滑行、翻转功能；

所述拖拽功能，通过移动地形地物来改变视窗显示范围；

所述滑行功能，通过滑动摄像机来改变视窗显示范围；

选择翻转功能，通过改变摄像机的倾角与方位角来改变视窗显示范围。

8.根据权利要求1所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述三维位置测量单元包括：水平测量、垂直测量、空间测量、面积测量；

所述水平测量，用以测两点之间的水平方向上的距离，并能实现多点连续测量；

所述垂直测量，用以测量两点之间的垂直水平面方向上的距离；

所述空间测量，用以测量空间两点的空间距离，即测量空间两点之间直线距离；

所述面积测量，用以测量面积，即测量多边形的水平方向上的面积和贴近地形所计算出的面积，并能根据单位选择自动换算面积结果。

9.根据权利要求2所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，所述矢量数据和所述影像数据存储在本地文件中，所述属性数据则存储在关系数据库中；这三种数据通过管理空间对象拓扑关系的文件进行关联。

10.根据权利要求1-9任一项所述的无人机巡检航迹三维仿真监控系统，其特征在于，

所述系统内的仿真无人机在每个采样时刻的离散三维坐标数据、仿真无人机航迹、水平测量结果、垂直测量结果、空间测量结果、面积测量结果用于评价无人机自主飞行性能或者飞手操作考核。

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