CN108021144A - 一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，包括：飞行控制板、ADS‑B接收机、winform控制装置及FlightGear三维仿真装置；所述飞行控制板与winform控制装置进行数据及控制通信，将无人机飞行数据传输至winform控制装置并接收winform控制装置传输的飞行指令驱动无人机飞行；所述ADS_B接收机接收空域飞行器数据并将所述数据提供给winform控制装置进行无人机动态威胁规避；所述FlightGear三维仿真装置接收winform控制装置发送的无人机实际飞行数据及飞行相关环境数据进行三维模拟仿真，使用户更加直观地感受无人机的飞行过程。本发明可以保证无人机在各种任务飞行、训练和科研试飞活动中能够合理地使用空域。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备。
背景技术
随着低空领域开放，航空领域将面临空中交通流量大、飞行密度高、空域结构复杂的状态，此时军用和民用无人机也将会大量涌现，对无人机的飞行安全和空中管制带来了新的挑战。如何保证战时各型无人机使用空域时互不影响，同时不危及有人机执行作战任务时的飞行安全；如何保证平时无人机的各种任务飞行、训练和科研试飞活动能够合理地使用空域，并不影响军民航有人飞机的正常飞行活动，这已成为当前和以后若干年内亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明提供了一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，通过使用该设备并结合真实的无人机本体，可以对无人机的飞行状态、轨迹规划、动态威胁目标规避进行很好的模拟仿真，从而有效解决上述问题。
本发明提供的技术方案是：一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，包括：飞行控制板、ADS-B接收机、winform控制装置及FlightGear三维仿真装置；所述飞行控制板与winform控制装置进行数据及控制通信，将无人机飞行数据传输至winform控制装置并接收winform控制装置传输的飞行指令驱动无人机飞行；所述ADS_B接收机接收空域飞行器数据并将所述数据提供给winform控制装置进行无人机动态威胁规避；所述FlightGear三维仿真装置接收winform控制装置发送的无人机实际飞行数据及飞行相关环境数据进行三维模拟仿真，使用户更加直观地感受无人机的飞行过程。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，通过使用该设备并结合真实的无人机本体，可以对无人机的飞行状态、轨迹规划、动态威胁目标规避进行很好的模拟仿真，从而保证无人机在各种任务飞行、训练和科研试飞活动中能够合理地使用空域。
附图说明
图1是本发明实施例中无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备示意图；
图2是本发明实施例中winform控制装置的功能示意图；
图3是本发明实施例中显示功能实现原理示意图；
图4是本发明实施例中显示功能卫星图与二维平面图示意图；
图5是本发明实施例中无人机飞行轨迹示意图；
图6是本发明实施例中无人机属性和无人机约束示意图；
图7是本发明实施例中UDP传输协议的数据传输步骤流程图；
图8是本发明实施例中无人机模型构建示意图；
图9是本发明实施例中地景模型的构建步骤流程图；
图10是本发明实施例中地景模型构建效果图；
图11是本发明实施例中无人机三维仿真模型自主配置示意图；
图12是本发明实施例中无人机飞行环境配置示意图；
图13是本发明实施例中无人机飞行参数配置效果示意图；
图14是本发明实施例中无人机三维仿真飞行示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述，下文中提到的具体技术细节，如：方法，设备等，仅为使读者更好的理解技术方案，并不代表本发明仅局限于以下技术细节。
本发明的实施例提供了一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备。请参阅图1，图1是本发明实施例中无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备示意图，具体包括：无人机101、飞行控制板102、winform控制装置103、FlightGear三维仿真装置104、ADS_B接收机105及空域飞行器106。所述飞行控制板102与winform控制装置103进行数据及控制通信，将无人机飞行数据传输至winform控制装置103并接收winform控制装置103传输的飞行指令驱动无人机飞行；所述ADS_B接收机105接收空域飞行器106数据并将所述数据提供给winform控制装置103进行无人机动态威胁规避；所述FlightGear三维仿真装置104接收winform控制装置103发送的无人机101实际飞行数据及飞行相关环境数据进行三维模拟仿真，使用户更加直观地感受无人机的飞行过程。所述ADS_B数据的形式具体为ADS_B报文；所述ADS_B报文结构具体为：bit1至bit5为DF消息字段，bit6至bit8为CA消息字段，bit9至bit32为AA消息字段，bit33至bit88为ME消息字段，bit89至bit112为校验消息字段。ADS-B消息的112bit数据帧格式如下表1所示。
表1
本项目只解析DF字段为17的消息，DF＝17时进行后面的ME字段的解析，获取所需的速度，位置等信息。AA消息字段指示了该发射机的ICAO地址，ME字段包含了位置、速度、高度、航角、航空ID、地址等信息，校验信息暂不考虑。
ME的第1-5比特(即DF17报文的第33-37比特)是Type值，根据这个值看DF＝17的报文是什么类型的报文，再进一步解算。本项目只解析Type值为9-22的报文。其中Type值为9-18、20-22时表示空中位置报，Type为19表示飞机速度信息。
空中位置报文可获得飞机的经纬度以及高度信息，其中高度信息在ME消息的9-20比特位，纬度编码在23-29比特位，经度编码在40-56比特位。具体结构如表2所示：
表2
高度信息的位结构如下表所示：
表3
高度信息一共12位码元，每个码元都对应了一个单独名称，以便于信息的组织和解码的描述。根据Q值的不同，高度信息采用了两种不同的编码算法。如果Q位的值为0，则高度的增量是100英尺，高度信息的编码采用格雷码；如果Q位的值为1，则高度的增量是25英尺，高度信息采用自然二进制编码。也就是去掉Q位，将其它位合并到一起，作为一个完整的二进制数。
本项目采用全球解码和本地解码两种方式来解析报文中的经纬度。全球解码采用收到的偶编码(由YZ0，XZ0表示)和奇编码(由YZ1，XZ1表示)的两个位置消息，共同产生全球位置的纬度Rlat和经度Rloni。对于本地解码来说，需设置一个本地参考点，本地参考点为无人机的实时位置(假定其经纬度分别为lati、loni)，CPR解码算法将通过解码获得本地位置。
全球解码步骤如下：
1.计算纬度Zone的尺寸Dlati
2.计算纬度索引j
3.计算偶形式的纬度Rlat0和奇形式的纬度Rlat1
Rlati＝Dlati×(MOD(j，60-i)+YZi/217)
4.计算纬度数NL(Rlat0)和NL(Rlat1)
判断NL(Rlat0)和NL(Rlat1)是否相等。若相等，则计算经度Znoe的尺寸Dloni，否则，等待下一个位置消息。
5.计算经度Znoe的尺寸Dloni
其中ni为[NL(Rlati)-i]和1中那个较大的数。
6.采用纬度数NL，计算经度索引m
7.计算全球经度Rloni
Rloni=Dloni×(MOD(m，ni)+XZi/217)
其中ni为[NL(Rlati)-i]和1中那个较大的数。
本地解码步骤如下：
1.计算纬度Zone的尺寸Dlati
2.采用参考点的纬度lati、Dlati和纬度编码的二进制值YZi计算纬度索引j
3.解码纬度位置Rlati
Rlati＝Dlati×(j+YZi/217)
4.由Rlati确定东西向经度Zone的尺寸Dloni
5.采用参考点的经度loni、Dloni和XZi计算经度索引m
6.解码经度位置Dloni
Rloni=Dloni×(m+XZi/217)
飞机速度消息报文可获得飞机各个方向的速度大小，空中速度消息具体结构见表4：
表4
本项目解析的速度消息类型主要有两大类，分别为子字段为1或2、子字段为3或4。当TYPE子字段为1或2时，速度东西指向中0表示为东向，1为西向；速度南北指向中0表示北向，1表示南向；上升下降标识中0表示向上，1表示向下。当TYPE子字段为1时，东、西、南、北方向的速度值大小为二进制编码转换得到的十进制值，单位为哩/小时，垂直方向速度为二进制编码转换得到的十进制值减1再乘以64，单位为英尺/分。当TYPE子字段为2时，、西、南、北方向的速度值大小为二进制编码转换得到的十进制值减去1之后再乘以4，单位为哩/小时，垂直方向速度为二进制编码转换得到的十进制值减一再乘以64，单位为英尺/分。
参见图2，图2是本发明实施例中winform控制装置的功能示意图，包括：winform控制装置201、飞行串口功能202、ADS_B串口功能203、IP设置功能204、飞行参数设置功能205、飞行环境设置功能206、任务规划配置功能207、图标控制功能212、参数配置功能208、静态规划功能209、实时规避功能210、飞行控制功能211及显示功能213；飞行串口功能202及ADS_B串口功能203通过选择串口号及串口频率与实体物理硬件进行串口连接，实现数据通信；IP设置功能204主要负责与FlightGear三维仿真装置之间的交互通信，为FlightGear三维仿真装置中的飞行仿真提供数据支持；飞行参数设置功能205对无人机实时飞行参数进行设定，所述实时飞行参数为六自由度参数，具体包括：高度、经度、纬度、滚转角、俯仰角及偏航角；飞行环境设置功能206对无人机飞行环境进行设定，所述飞行环境具体包括：气压、高度、空速及时间；任务规划配置功能207实现对无人机飞行规划的参数配置，所述参数配置具体包括：约束类型、经度、维度、高度及半径；图标控制功能212实现对地图显示界面所有图标的一键式导入、清除以及显隐功能；参数配置功能208包括无人机属性配置和无人机约束配置，所述无人机属性配置包括：机翼长度、机身长度及机体高度的配置；所述无人机约束配置包括：最大航程、垂直方向最大转弯角、水平方向最大转弯角、最小转弯半径及最大飞行高度；静态规划功能209分为：算法规划和航迹显示，所述算法规划为一键实现对已设定相关飞行约束及任务规划配置下的静态航迹规划算法运算，所述航迹显示实现一键在地图显示区域对静态航迹规划结果进行显示；实时规避功能210分为：实时监控和动态规避，所述实时监控对获取的ADS-B数据中解析到的空域内飞行器飞行参数进行实时显示，所述动态规避实现对飞行路线的动态实时监测算法的启动；飞行控制功能211实现对无人机图标的显示控制与通信开关的控制；显示功能213显示无人机飞行过程中的地图显示。
参见图3，图3是本发明实施例中显示功能实现原理示意图，包括：GmapControl层301、自建Overlay层302、GmapMarker层303及障碍物304。GmapControl层301通过GMapProvider接口载入Google、Yahoo或Baidu等地图实现。载入方法可选择server端在线载入，也可通过cache本地离线缓存地图载入。地图类型也可选择卫星或普通地图。后者目标物与障碍物的地图显示则需要利用GMapMarkerGoogle接口，在GmapMarker层303绘制目标点、障碍物等图标。并将绘制的Markers载入一个自建Overlay层302，显示于控件之上。同时，Gmap.net为航线绘制提供了一个GMapRoute接口，只需要定义一个List<PointLatLng>列表，并将所有的航迹点添入列表中，Gmap.net便可以根据列表信息，绘制出整个飞行过程的航迹线。因此在二维地图下的规划航迹的显示可以根据航迹规划算法所得出的航迹规划结果，以二维(X，Y)点数组的形式存入List之中，然后使用接口绘制Route，并将绘制出的Route载入一个自建Overlay层302，显示与控件之上。在无人机动态的显示上主要完成两方面功能，一是需要绘制无人机图标。二是在实际飞行过程中，无人机的实时动态显示。将无人机图标的运动情况与时间轴绑定，通过实时修改无人机图标的二维(X,Y)坐标，刷新绘制实时无人机图标在二维地图中的位置。同时实时读取无人机航向数据，刷新绘制无人机飞行方向，并显示与二维地图中。
参见图4，图4是本发明实施例中显示功能卫星图与二维平面图示意图，包括：二维图中光标坐标401、二维图中图像切换按钮402、二维图中飞行高度曲线显示框403、二维图中光标404、卫星图中光标坐标405、卫星图中图像切换按钮406、卫星图中飞行高度曲线显示框407及卫星图中光标408。其中，二维图中飞行高度曲线显示框403及卫星图中飞行高度曲线显示框407对飞行高度曲线进行实时显示，通过二维图中图像切换按钮402及卫星图中图像切换按钮406可以将图像在二维图和卫星图之间切换。
参见图5，图5是本发明实施例中无人机飞行轨迹示意图，包括：起点501、飞行轨迹502、观测威胁503、观测目标504及终点505。此外，当连接ADS-B数据后在显示界面实时绘制飞行器飞行相关参数。
参见图6，图6是本发明实施例中无人机属性和无人机约束示意图，包括：无人机属性配置601、机翼长度602、机身长度603、机体高度604、无人机约束配置605、最大航程606、垂直方向最大转弯角607、水平方向最大转弯角608、最小转弯半径609及最大飞行高度610。
FlightGear三维仿真装置具备通信模块及三维仿真环境模块，所述通信模块包含飞行器模型飞行时需要的参数信息，具体为：经度、纬度、海拔、X轴旋转角、Y轴旋转角及Z轴旋转角；所述通信模块中具备客户端套接字ClientSocket及服务器端套接字ServerSocket；所述通信模块采用UDP传输协议实现数据传输；所述三维仿真环境模块包括无人机模型、场景模型及地景模型。所述场景模型包括：威胁模型及自动驾驶飞机。威胁模型主要利用AC3D建模，其中威胁模型包括球体模型和椎体模型，而威胁飞机模型可以载入FlightGear默认的飞机模型也可以利用AC3D制作。自动驾驶的飞机主要利用AI系统中的脚本文件实现，AI系统是FlightGear三维仿真装置的具有用于模拟环境半智能交互的独立操作系统。如果需要的话AI情景参数可以重复装载多个场景。该脚本文件包含每个AI对象的一个条目。该条目指定什么样的对象来创建。
AI文件处于FlightGear三维仿真装置安装路径的data文件夹下，AI文件夹包括Aircraft、Airports、FlightPlans、Sounds、Traffic等5个文件夹以及各类demo文件和各类配置XML文件。其中可以通过建立自己的demoXML文件或者修改已有的demoXML文件来改变载入的飞机模型以及飞行模型飞行的路径。
参见图7，图7是本发明实施例中UDP传输协议的数据传输步骤流程图，具体步骤包括：
S701：客户端调用socket()创建一个数据包套接字SOCK_DGRAM。
S702：读取飞行数据并根据服务器地址向服务器端发送数据报。该步骤在数据传输的流程中无限循环。
S703：服务器端调用socket()建一个数据包套接字SOCK_DGRAM。
S704：调用bind()将服务器地址绑定在服务器端创建的数据包套接字SOCK_DGRAM上。
S705：调用recvfrom()等待客户端发来的数据包。
S706：接收客户端传来的数据包并使用数据包驱动飞行器模型完成飞行动作。其中，S705及S706在数据传输的流程中无限循环。
S707：服务器关闭注销服务器端和客户端的数据包套接字SOCK_DGRAM。
参见图8，图8是本发明实施例中无人机模型构建示意图，包括：无人机模型测试角801、无人机模型正视角802及无人机模型俯视角803。在本项目中主要采用AC3D软件进行建模，AC3D软件用于创建3D模型模拟、游戏、呈现射线跟踪图像和科学和一般的数据可视化，并且可以与Flightgear三维仿真装置兼容。
参见图9，图9是本发明实施例中地景模型的构建步骤流程图，具体步骤包括：
S901：编译OpenSceneGraph文件。
S902：获取Simgear文件。
S903：修改Simgear源代码和修改数据文件中的XML文件。
S904：FlightGear三维仿真装置加载DDS格式图片完成地景模型构建。
参见图10，图10是本发明实施例中地景模型构建效果图，包括：建筑物1001、田野1002及道路1003。
参见图11，图11是本发明实施例中无人机三维仿真模型自主配置示意图，包括：无人机型号标识符1101、无人机具体型号1102及无人机三维展示效果1103。
参见图12，图12是本发明实施例中无人机飞行环境配置示意图，包括：组织名称栏1201、国际民用航空组织ID栏1202、母舰直升机模拟选项1203、展示栏1204、属性栏1205、地图集栏1206、场景集栏1207、多用户栏1208及高级选项1209。
参见图13，图13是本发明实施例中无人机飞行参数配置效果示意图，包括：高级选项集合1301及高级选项展示栏1302。
参见图14，图14是本发明实施例中无人机三维仿真飞行示意图，包括：无人机本体1401、障碍物1402、地面1403、天空1404及山峰1405。
通过执行本发明的实施例，本发明权利要求里的所有技术特征都得到了详尽阐述。
区别于现有技术，本发明的实施例提供了一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，通过使用该设备并结合真实的无人机本体，可以对无人机的飞行状态、轨迹规划、动态威胁目标规避进行很好的模拟仿真，从而保证无人机在各种任务飞行、训练和科研试飞活动中能够合理地使用空域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：包括：飞行控制板、ADS-B接收机、winform控制装置及FlightGear三维仿真装置；所述飞行控制板与winform控制装置进行数据及控制通信，将无人机飞行数据传输至winform控制装置并接收winform控制装置传输的飞行指令驱动无人机飞行；所述ADS_B接收机接收空域飞行器数据并将所述数据提供给winform控制装置进行无人机动态威胁规避；所述FlightGear三维仿真装置接收winform控制装置发送的无人机实际飞行数据及飞行相关环境数据进行三维模拟仿真，使用户更加直观地感受无人机的飞行过程。
2.如权利要求1所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述ADS-B接收机的数据传输形式为ADS_B报文；所述ADS_B报文为112bit，具体格式包括：1bit到5bit为DF字段，6bit到8bit为CA字段，9bit到32bit为AA字段，33bit到88bit为ME字段，89bit到112bit为校验字段；所述DF字段为17时ADS_B报文为有效报文；ME字段包含的信息为：位置、速度、高度、航角、航空ID及地址；AA字段表示ADS-B发射机的ICAO地址。
3.如权利要求2所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述ME字段的1bit到5bit是Type值，所述Type值判断DF字段为17的报文类型；Type值为9到22的报文为有效报文，其中：Type值为9到18或20到22为空中位置，Type值为19表示速度信息。
4.如权利要求3所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述空中位置包含飞机的经纬度及高度信息，其中：高度信息在ME字段的9bit到20bit，纬度信息在ME字段的23bit到29bit，经度信息在ME字段的40bit到56bit。
5.如权利要求4所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述高度信息的16bit位为高度增量位，具体为：该位为0表示高度的增量是100英尺，该位为1表示高度的增量是25英尺；纬度信息和经度信息采用全球解码和本地解码方式来进行解析；速度字段的14bit位表示速度东西指向，速度字段的15bit位到24bit位表示东西速度大小，速度字段的25bit位表示速度南北指向，速度字段的26bit位到35bit位表示南北速度大小，速度字段的37bit位表示上升下降标示，速度字段的38bit位到46bit位表示速率大小。
6.如权利要求1所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述winform控制装置具备的功能包括：飞行串口功能、ADS_B串口功能、IP设置功能、飞行参数设置功能、飞行环境设置功能、任务规划配置功能、图标控制功能、参数配置功能、静态规划功能、实时规避功能及飞行控制功能；飞行串口功能及ADS_B串口功能通过选择串口号及串口频率与实体物理硬件进行串口连接，实现数据通信；IP设置功能主要负责与FlightGear三维仿真装置之间的交互通信，为FlightGear三维仿真装置中的飞行仿真提供数据支持；飞行参数设置功能对无人机实时飞行参数进行设定，所述实时飞行参数为六自由度参数，具体包括：高度、经度、纬度、滚转角、俯仰角及偏航角；飞行环境设置功能对无人机飞行环境进行设定，所述飞行环境具体包括：气压、高度、空速及时间；任务规划配置功能实现对无人机飞行规划的参数配置，所述参数配置具体包括：约束类型、经度、维度、高度及半径；图标控制功能实现对地图显示界面所有图标的一键式导入、清除以及显隐功能；参数配置功能包括无人机属性配置和无人机约束配置，所述无人机属性配置包括：机翼长度、机身长度及机体高度的配置；所述无人机约束配置包括：最大航程、垂直方向最大转弯角、水平方向最大转弯角、最小转弯半径及最大飞行高度；静态规划功能分为：算法规划和航迹显示，所述算法规划为一键实现对已设定相关飞行约束及任务规划配置下的静态航迹规划算法运算，所述航迹显示实现一键在地图显示区域对静态航迹规划结果进行显示；实时规避功能分为：实时监控和动态规避，所述实时监控对获取的ADS-B数据中解析到的空域内飞行器飞行参数进行实时显示，所述动态规避实现对飞行路线的动态实时监测算法的启动；飞行控制功能实现对无人机图标的显示控制与通信开关的控制。
7.如权利要求1所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述FlightGear三维仿真装置具备通信模块及三维仿真环境模块，所述通信模块包含飞行器模型飞行时需要的参数信息，具体为：经度、纬度、海拔、X轴旋转角、Y轴旋转角及Z轴旋转角；所述通信模块中具备客户端套接字ClientSocket及服务器端套接字Server Socket；所述通信模块采用UDP传输协议实现数据传输；所述三维仿真环境模块包括无人机模型、场景模型及地景模型。
8.如权利要求7所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述UDP传输协议的数据传输步骤具体包括：客户端调用socket()创建一个数据包套接字SOCK_DGRAM；读取飞行数据并根据服务器地址向服务器端发送数据报；服务器端调用socket()建一个数据包套接字SOCK_DGRAM；调用bind()将服务器地址绑定在服务器端创建的数据包套接字SOCK_DGRAM上；调用recvfrom()等待客户端发来的数据包；接收客户端传来的数据包并使用数据包驱动飞行器模型完成飞行动作；服务器关闭注销服务器端和客户端的数据包套接字SOCK_DGRAM。
9.如权利要求7所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述场景模型包括：威胁模型及自动驾驶飞机。
10.如权利要求7所述的一种无人机航迹规划及动态威胁规避仿真设备，其特征在于：所述地景模型的构建步骤为：编译OpenSceneGraph文件；获取Simgear文件；修改Simgear源代码和修改数据文件中的XML文件；FlightGear三维仿真装置加载DDS格式图片完成地景模型构建。
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