CN118113051A - 基于gis和ai技术的无人机综合管理、监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，分为数据与通信服务子系统、地理信息（GIS）服务子系统、客户端子系统，三者之间设置数据通信接口；三个子系统可以部署于单体服务器上，亦可采用分布式部署的方式部署于不同的服务器上。本发明提供航线规划与管理、任务规划与管理、集群态势监控、系统管理等功能，解决现有无人机管理系统存在的问题，提高无人机的运行效率和安全性，实现实时有效的无人机集群管理和监控，并利用AI技术提升无人机航线规划、任务规划的科学性、安全性和无人机自身的自主决策能力。

Description

基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统

技术领域

本发明涉及无人机技术和地理信息系统（GIS）的集成，具体而言是一种基于GIS和人工智能（AI）技术的无人机综合管理、监控系统。该系统主要应用于大中型无人机，能够实现航线规划与管理、任务规划与管理、集群态势监控等功能，并适用于军用或民用领域。

背景技术

无人机作为一种空中无人飞行设备，具有灵活性高、适应性强、成本低等特点，已经在军事侦察、环境监测、物流运输等领域得到了广泛应用。然而，现有的单体无人机管理系统往往功能单一，缺乏对无人机集群的有效管理和监控能力。

在实际应用中，无人机需要根据任务需求进行航线规划，但传统的航线规划方法依赖于人工设定，效率低下且难以适应复杂多变的任务需求。同时，随着无人机数量的增加，如何有效地管理和监控无人机集群，确保其安全、高效地完成任务，成为了一个亟待解决的问题。

地理信息系统（GIS）技术是一种用于获取、存储、处理、分析和展示地理空间数据的信息系统，在许多领域如城市规划、交通管理等得到了广泛的应用。然而，如何将GIS技术与无人机技术相结合，以提高无人机的运行效率和安全性，仍然是一个挑战。

此外，人工智能（AI）技术近年来取得了巨大的进步，特别是在机器学习和深度学习方面。利用AI技术可以增强无人机的自主决策能力和智能化水平，例如实现自动避障、智能识别等功能。但是，如何将AI技术应用于大中型无人机集群综合管理、监控系统，实现在确定电子围栏、禁飞区、飞机的飞行参数、地表地形、飞机油/电量、飞机载重等制约因素下，以及在无人机、有人驾驶飞机的融合飞行等复杂工况下自动航线规划、任务规划，安全特情处理，还需要进一步研究和探索。

从政策合规的角度来看，随着无人机技术的发展和应用领域的扩大，各国政府和监管机构纷纷出台了一系列关于无人机使用的法规和标准，我国政府也出台了无人机领域完善的管理政策（如2023年5月31号出台的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》等）。这些法规旨在保护公共安全、隐私权、产业发展以及其他合法利益，要求无人机生产厂家、运营者、使用者必须遵守特定的操作规则和技术要求。因此，设计和开发无人机综合管理、监控系统时，必须充分考虑并遵循这些法规和标准，以确保系统的合规性和合法性。

综上所述，本发明旨在提出一种基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，解决现有无人机管理系统存在的问题，提高无人机的运行效率和安全性，实现实时有效的无人机集群管理和监控，并利用AI技术提升无人机航线规划、任务规划的科学性、安全性和无人机自身的自主决策能力。

发明内容

本发明的目的在于，设计并实现一种基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，以解决现有无人机管理系统在航线规划与管理、任务规划与管理、集群态势监控等方面的不足。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，分为数据与通信服务子系统、地理信息（GIS）服务子系统、客户端子系统，三者之间设置数据通信接口；三个子系统可以部署于单体服务器上，亦可采用分布式部署的方式部署于不同的服务器上。数据与通信服务子系统主要为客户端子系统提供数据管理、API与Socket通信、与无人机上的飞控设备进行物理层通信等功能，地理信息（GIS）服务子系统主要为客户端子系统提供WMS、WMTS、WFS、TMS、WCS等服务，客户端子系统利用其提供的服务显示2D/3D地图、三维地球影像、DEM数据等信息。

客户端子系统分两种使用模式，一种为独立软件模式（桌面软件版和控制台版），一种为运行于浏览器环境的SPA（Single Page Application）模式。

数据与通信服务子系统接收、处理、计算、存储客户端系统传递的数据，并依据权限对数据处理后发送给客户端子系统。数据与通信服务子系统通过Spring Boot技术进行搭建，数据库系统使用PostgreSQL数据库技术搭建。

地理信息（GIS）服务子系统提供地图服务，如WMS (Web Map Service)、WFS (WebFeature Service)、WMTS（Web Map Tile Service）、TMS（Tiled Map Service）、WCS (WebCoverage Service)等服务，以及DEM数据服务。

优选的，客户端子系统直接为无人机操作员提供服务。客户端子系统内置Cesium三维地球和地图可视化组件。客户端子系统提供航线规划与管理、任务规划与管理、集群态势监控、系统管理等功能。

优选的，客户端子系统中的航线规划与管理功能实现了：系统具备离线航线规划和在线航线规划的能力。在离线状态下，操作员可以手动编辑航线，包括飞行航线、备降航线、着陆航线等多种类型，并可对已有航点进行拖曳移动。此外，系统还支持使用AI算法自动生成航线，可以根据起始跑道、终点跑道、默认巡航高度等参数生成基础航线，或者根据巡航扫描范围和巡航高度等参数生成扫描航线。系统还可以通过后台计算自动处理部分或全部地生成航线，并允许操作员在此基础上进行人工编辑。支持航线保存、加载、数据保存、回放和数据管理等功能。操作员可以将编辑的航线以TXT、XML、CSV等约定的可读格式保存为航线文件，并在界面窗口中以树状图、列表等形式显示所有的航线及其主要信息。操作员还可以打开航线文件，将航线数据加载到软件中，并在地图中显示。在在线状态下，操作员可以在无人机飞行中通过本发明与飞控系统的实时通讯进行上传或选择飞行航线，包括重新生成航线、选择备选航线、修改航线点等操作。

优选的，客户端子系统中的任务规划与管理功能实现了：操作员可以为无人机规划任务，具体操作为，将多种类型的多个航线数据，批量装订到无人机飞控系统中，并设置每个航点的飞行特征及子任务。无人机在执行任务过程中，操作员可以对任务进行变更，使用客户端子系统制作临时任务，操控无人机执行。客户端子系统将任务信息通过数据与通信服务子系统传递到无人机飞控系统中，数据与通信服务子系统亦记录无人机飞控系统回传的无人机实时飞行数据，并将数据进行保存，亦可在客户端子系统中对保存的数据进行回放。最后，系统通过数据库等形式对任务、航线、航迹、地理信息进行统一管理。系统可以利用无人机性能参数和飞行航线，在数字地图上对任务规划方案进行全过程可视化推演，包括飞行性能的估算（剩余航程、剩余航时等）、链路通视情况仿真等。推演方式可以按照正常模式、变步长模式、设置断点等方式进行，同时支持按航线点、航段、时间检索等快速定位。

优选的，客户端子系统中的集群态势监控功能实现了：系统通过电子地图显示全局态势和机场等区域的高清地图，操作员可以进行缩放、平移、旋转等操作。系统支持显示单个或多个无人机、单条或多条航线。不同类型的无人机，通过不同的三维无人机模型和颜色进行区分；不同类型的航线，通过不同颜色区分。此外，系统还可以实时显示单架或多架无人机的飞行状态参数、航线剖面、飞行航迹、任务信息，以及电子围栏、禁飞区等要素的位置。系统还可以以1倍速、2倍速、4倍速、8倍速、16倍速、32倍速播放各飞机的历史飞行的飞行航迹，以及飞行中的飞机状态参数、航线剖面、任务信息等历史数据。

优选的，客户端子系统中的系统管理功能实现了：系统支持电子围栏、禁飞区等特殊约束的规划和管理，支持机场和跑道信息的编辑和管理，便于AI自动规划航线。。

优选的，客户端子系统还实现了以下功能：系统提供了地图点位置、高度读取、距离测量、角度测量、电子围栏显示开关、禁飞区显示开关、2D与3D地图切换、正北回归等便捷工具，以及软件日志记录可能发生的软件运行异常情况等功能。

优选的，客户端子系统支持任意多个屏幕来同时显示其内容。

优选的，客户端子系统不依赖互联网即可运行。

本发明采用基于GIS（地理信息系统）和AI（人工智能）技术，具有以下优势：

1）高度集成：系统将航线规划、任务管理、集群态势监控等多种功能集于一体，大大提高了无人机管理和监控的效率。

2）自动化程度高：系统支持自动航线生成、在线航线调整等功能，减少了人工干预的需求，提高了操作的便利性。

3）可视化强：系统提供数字地图显示全局态势和机场等区域的高清地图，并能进行飞行性能估算和链路通视情况的推演，使操作员可以直观地了解无人机的任务状态和环境信息。

4）适应性强：系统支持离线航线规划和在线航线规划，能够适应不同的使用场景和网络环境。

5）数据管理方便：通过数据库等形式对任务、规划航线、实时航迹、地理资源进行统一管理，便于数据的存储和查询。

6）安全性好：系统提供了电子围栏、禁飞区等特殊约束的规划，有助于提高无人机的安全运行。

7）灵活性高：操作员可以根据实际需求选择手动编辑航线或自动生成航线，也可以在飞行中进行航线调整，满足不同任务的要求。

8）易于操作：系统界面友好，提供了地图点位置、高度读取、距离测量、角度测量等便捷工具，降低了操作员的操作难度。

9）异常处理能力强：系统具备软件日志记录功能，可以记录可能发生的软件运行异常情况，有助于问题的诊断和解决。

这些优势使得本系统能够在军用和民用领域广泛适用，为无人机的管理和监控提供了有力的支持。

附图说明

图1为本发明实施例无人机综合管理、监控系统的子系统结构图。

图2为本发明实施例无人机综合管理、监控系统的总体功能框架图。

图3为本发明实施例客户端子系统功能单元协作流程图。

图4为本发明实施例客户端子系统航线规划与管理实施流程图。

图5为本发明实施例客户端子系统新建航线实施流程图。

图6为本发明实施例客户端子系统任务规划与管理实施流程图。

图7为本发明实施例客户端子系统集群态势监控实施流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图所示的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，包括数据与通信服务子系统、地理信息（GIS）服务子系统、客户端子系统共3个子系统。3个子系统可以部署于单体服务器上，亦可采用分布式部署的方式部署于不同的服务器上。数据与通信服务子系统主要为客户端子系统提供数据管理、API与Socket通信、与飞控设备进行物理层通信等功能，地理信息（GIS）服务子系统主要为客户端子系统提供2D地图、3D地图、DEM数据服务，客户端子系统分两种使用模式，一种为独立软件模式（桌面软件版和控制台版），一种为运营于浏览器环境的SPA（Single Page Application）模式。

客户端子系统直接面向于操作员，数据与通信服务子系统通过基于HTTP协议的API通信接口和基于TCP协议的Socket通信接口与客户端子系统进行通信，地理信息（GIS）服务子系统通过基于HTTP协议的API通信接口与客户端子系统进行通信。

如图所示的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，数据与通信服务子系统和地理信息（GIS）服务子系统共同构成了服务端系统。服务端系统共分为5大单元（通信接口单元、数据层单元、服务层单元、业务层单元、接口层单元）。通信接口单元的作用是通过飞机厂家的飞控私有协议、飞控厂家SDK、物理层接口与无人机进行通信；数据层单元的作用是提供数据处理、存储服务，数据层单元的作用是处理、存储、管理数据，包括业务数据、地图数据两个子单元；服务层单元的作用是对底层数据层单元和通信接口单元进行服务封装，提供封装好的服务模块为上层业务层单元服务，服务层单元共包含开发服务、流程服务、集成服务、AI服务、大数据服务、数据链服务、物联网服务、云原生技术服务、监控服务、加解密服务等服务模块；业务层单元是对服务层单元中各服务模块的更高层的业务封装，共提供业务服务能力模块、基础服务能力模块、地图服务能力模块、数据分析模块、数据建模、数据湖、AI技术模块等几大模块；接口层单元的作为是为客户端子系统提供API通信接口和Socket通信接口。

客户端子系统具体可分为通信服务单元、权限控制单元、服务调度单元、地图服务单元、动画单元、交互控制单元、智能化组件单元、航线规划管理单元、任务规划管理单元、集群态势监控单元、系统管理单元。具体地，操作员进入系统后，首先通过权限控制单元进行鉴权；鉴权通过后，交互控制单元开始接受操作员来自于鼠标、键盘、操控杆等硬件设备的交互指令，并将交互指令处理后交给服务调度单元；服务调度单元可对地图服务单元、动画单元、智能化组件单元、航线规划管理单元、任务规划管理单元、集群态势监控单元、系统管理单元的服务进行调度；地图服务单元主要提供全球2D/3D地图服务、DEM数据服务，实现三维实景地球影像、地图的显示、渲染，并实现地球三维实景影像、地图的旋转、放大、缩小等操作，以及提供2D/3D地图转换、测距、电子围栏显示开关、禁飞区显示开关、正北回归等工具；动画单元主要管理时空变换动画、组件动画、无人机模型动画、航迹动画等基础功能，为客户端子系统提供动画支撑；智能化组件单元主要管理各智能化组件，实现组件的生命周期管理；航线规划管理单元主要用于实现航线规划和管理的相关功能；任务规划管理单元主要用于实现任务规划和管理的相关功能；集群态势监控单元主要用于无人机集群态势监控的相关功能；系统管理单元主要用于实现系统相关的配置管理。

以航线规划和管理为例，对本系统进行展开讲解。

操作员的具体操作过程如下：

S1：操作员打开客户端子系统，输入身份、账号、密码等身份校验信息后，登录客户端子系统。

S2：客户端子系统加载地理信息（GIS）子系统提供的WMS、WMTS、WFS、TMS、WCS服务，显示2D/3D地图、三维地球影像、DEM数据等信息。

S3：操作员选择客户端子系统中的航线规划与管理相关功能导航后，客户端子系统分页显示系统内的所有航线列表信息。

S4：操作员根据航线类别、名称、编号、创建时间等信息对自己所想要操作的航线进行搜索，也可以不搜索而直接选择客户端子系统展示出来的航线进行操作。

S5：操作员选中特定航线，进行更名、编辑、删除等操作；或选中多条航线，进行导出、删除等操作；或不选中任何航线，进行导入、创建航线操作。

S6：操作员操作完成后，进行数据提交，提交数据后，客户端子系统对操作员的权限，以及输入的数据进行校验。

S7：数据通过客户端子系统传递到数据与通信服务子系统，数据与通信服务子系统对数据合规、飞行风险等因素进行进一步校验。

S8：数据通过客户端子系统，校验通过后，系统执行操作员的指令，并反馈执行结果给操作员，操作员操作完成。

以任务规划和管理中的新建航线功能为例，对本系统进行展开讲解。

操作员的具体操作过程如下：

S1：操作员打开客户端子系统，输入身份、账号、密码等身份校验信息后，登录客户端子系统。

S2：操作员进入“航线规划与管理”功能区，选择“新建航线”功能模块。

S3：客户端子系统打开新建航线的操作窗口，操作员输入该航线关联机场、关联跑道、航线编号、航线类别、航线名称等基本信息。

S4：操作员需要规划该航线中的航点，操作员可以通过两种方式规划该航线中的航点：手动规划和AI自动规划。手动规划航点需要操作员利用鼠标点击系统内置地图，逐个选出航点；AI自动规划航线允许操作员给出起始航点和末端航点的经纬度，系统利用内置AI算法自动进行航点规划。

S5：操作员输入各航点的飞行特征信息，如高度特征、飞行特征等。

S6：操作员操作完成后，进行数据提交，提交数据后，客户端子系统对操作员的权限，以及输入的数据进行校验。

S7：数据通过客户端子系统传递到数据与通信服务子系统，数据与通信服务子系统对数据合规、地表地形、飞行参数、飞机油/电量、飞机载重等因素进行进一步校验。

S8：数据通过客户端子系统，校验通过后，系统执行操作员的指令，并反馈执行结果给操作员，操作员操作完成。

以任务规划和管理为例，对本系统进行展开讲解。

操作员的具体操作过程如下：

S1：操作员打开客户端子系统，输入身份、账号、密码等身份校验信息后，登录客户端子系统。客户端子系统加载地理信息（GIS）子系统提供的WMS、WMTS、WFS、TMS、WCS服务，显示2D/3D地图、三维地球影像、DEM数据等信息。

S2：操作员选择任务规划与管理功能模块后，系统展示出无人机列表，以及各飞机编号、状态、位置、任务装订情况等信息。无人机状态分为：离线、在线，位置分为：地面、起飞中、飞行中、降落中、滑行中，任务装订情况分为：待规划、待装订、执行中、执行毕。

S3：操作员点击选择单个无人机，可对无人机进行查看任务、规划任务、装订任务、修改任务/布置临时任务、取消任务等操作。操作员选择所要执行的操作。

S41：若操作员查看任务，可直接操作。若操作员取消任务，系统根据飞机当前状态来判断是否发出指令。

S42：数据与通信服务子系统对指令进行校验。

S43：校验通过后，系统执行操作员的指令，操作完成。

S51：若操作员规划任务，系统首先根据飞机状态判断是否允许规划任务。若允许规划任务，则向下执行。

S52：操作员选择该任务所需使用的航线，对航线中各航点进行调整，设置各航点的飞行特征、子任务。

S53：操作员装订任务到无人机飞控系统中，客户端子系统对操作员的权限，以及输入的数据进行校验。

S54：数据与通信服务子系统对数据合规、地表地形、飞行参数、飞机油/电量、飞机载重等因素进行进一步校验。

S55：校验通过后，系统执行操作员的指令，任务装订完成，无人机即可执行该任务。

S56：无人机执行任务过程中，若操作员修改任务/布置临时任务，则需对航线中部分航点进行微调，设置部分航点的飞行特征、子任务。操作员布置完临时任务后，系统重新进入S53步骤进行客户端子系统和数据与通信服务子系统双重校验。

S57：无人机执行临时任务，执行完临时任务后，无人机重新回到主任务进程，直到任务执行完毕。

以集群态势监控为例，对本系统进行展开讲解。

操作员的具体操作过程如下：

S1：操作员打开客户端子系统，输入身份、账号、密码等身份校验信息后，登录客户端子系统。客户端子系统加载地理信息（GIS）子系统提供的WMS、WMTS、WFS、TMS、WCS服务，显示2D/3D地图、三维地球影像、DEM数据等信息。

S2：操作员选择集群态势监控模块后，系统展示出无人机列表，以及各飞机编号、状态、位置等信息。

S3：客户端子系统显示出三维地球影像，同时显示出系统中所有正在飞行的飞机集群的模拟画面，以及航迹。

S4：操作员点击某个正在航行的无人机，系统可显示出该无人机的飞行参数，以及航线高程剖面图。

S5：操作员可查看任一一架无人机的历史航迹，并可对该历史航迹进行回放。

S6：操作员可以对航迹文件进行导出。

以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，分为数据与通信服务子系统、地理信息（GIS）服务子系统、客户端子系统，三者之间设置数据通信接口；三个子系统可以部署于单体服务器上，亦可采用分布式部署的方式部署于不同的服务器上。

2.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，数据与通信服务子系统主要为客户端子系统提供数据管理、API和Socket通信、与无人机上的飞控设备进行物理层通信等功能，地理信息（GIS）服务子系统主要为客户端子系统提供WMS、WMTS、WFS、TMS、WCS等服务，客户端子系统利用其提供的服务显示2D/3D地图、三维地球影像、DEM数据等信息。

3.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统分两种使用模式，一种为独立软件模式（桌面软件版和控制台版），一种为运行于浏览器环境的SPA（Single Page Application）模式。客户端子系统内置Cesium三维地球和地图可视化组件。

4.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统具备离线航线规划和在线航线规划的能力。在离线状态下，操作员可以手动编辑航线，包括飞行航线、备降航线、着陆航线等多种类型，并可对已有航点进行拖曳移动。此外，系统还支持使用AI算法自动生成航线，可以根据起始跑道、终点跑道、默认巡航高度等参数生成基础航线，或者根据巡航扫描范围和巡航高度等参数生成扫描航线。系统还可以通过后台计算自动处理部分或全部地生成航线，并允许操作员在此基础上进行人工编辑。支持航线保存、加载、数据保存、回放和数据管理等功能。操作员可以将编辑的航线以TXT、XML、CSV等约定的可读格式保存为航线文件，并在界面窗口中以树状图、列表等形式显示所有的航线及其主要信息。操作员还可以打开航线文件，将航线数据加载到软件中，并在地图中显示。在在线状态下，操作员可以在无人机飞行中通过本发明与飞控系统的实时通讯进行上传或选择飞行航线，包括重新生成航线、选择备选航线、修改航线点等操作。

5.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统具备任务规划与管理的能力，操作员可以为无人机规划任务，具体操作为，将多种类型的多个航线数据，批量装订到无人机飞控系统中，并设置每个航点的飞行特征及子任务。无人机在执行任务过程中，操作员可以对任务进行变更，使用客户端子系统制作临时任务，操控无人机执行。客户端子系统和无人机飞控系统通过无线电进行实时通信，客户端子系统将任务信息传递到无人机飞控系统中，客户端子系统亦记录无人机飞控系统通过无线电回传的数据，并将数据进行保存，亦可对保存的数据进行回放。最后，系统通过数据库等形式对任务、航线、航迹、地理信息进行统一管理。系统可以利用无人机性能参数和飞行航线，在数字地图上对任务规划方案进行全过程可视化推演，包括飞行性能的估算（剩余航程、剩余航时等）、链路通视情况仿真等。推演方式可以按照正常模式、变步长模式、设置断点等方式进行，同时支持按航线点、航段、时间检索等快速定位。

6.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统具备集群态势监控能力，通过电子地图显示全局态势和机场等区域的高清地图，操作员可以进行缩放、平移、旋转等操作。系统支持显示单个或多个无人机、单条或多条航线。不同类型的无人机，通过不同的三维无人机模型和颜色进行区分；不同类型的航线，通过不同颜色区分。此外，系统还可以实时显示单架或多架无人机的飞行状态参数、航线剖面、飞行航迹、任务信息，以及电子围栏、禁飞区等要素的位置。系统还可以以1倍速、2倍速、4倍速、8倍速、16倍速、32倍速播放各飞机的历史飞行的飞行航迹，以及飞行中的飞机状态参数、航线剖面、任务信息等历史数据。

7.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统中的系统管理功能具备以下能力：支持电子围栏、禁飞区等特殊约束的规划和管理，支持机场和跑道信息的编辑和管理，便于AI自动规划航线。

8.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统提供了地图点位置、高度读取、距离测量、角度测量、电子围栏显示开关、禁飞区显示开关、2D与3D地图切换、正北回归等便捷工具，以及软件日志记录可能发生的软件运行异常情况等功能。

9.根据权利要求1所述的基于GIS和AI技术的无人机综合管理、监控系统，其特征在于，客户端子系统支持任意多个屏幕来同时显示其内容。客户端子系统不依赖互联网即可运行。