基于OSGEarth的無人直升機任務規劃系統開發

黃福貴，張 明，張大高

(1.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333001；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

基于OSGEarth的無人直升機任務規劃系統開發

黃福貴1，張 明2，張大高2

(1.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333001；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

利用開源程序OSG/OSGEarth來完成無人直升機任務規劃系統的開發，主要涉及在線飛行航路的規劃與智能判定，實時航跡的顯示與航線動態加載等功能。相關項目的試驗驗證表明，該系統有效地解決了用戶對任務規劃(航跡有效性判定)的需求，在實時顯示無人直升機關鍵狀態的同時，還極大地提高了軟件界面的交互性與用戶使用體驗效果。

航路判定；OSG/OSGEarth；三維可視化；實時航跡顯示

0 引言

隨著無人直升機廣泛應用于邊界巡航、森林預警、災害監控與軍事警戒等領域，用戶對無人直升機飛行狀態的觀測要求也越來越高[1]?，F階段用戶需求主要體現以下幾個方面：

1)針對不同的飛行任務，如何制定適合的在線飛行航路，并判定航路的合理性與安全性，如何對多種可用航路進行篩選。

2)當前航跡顯示軟件多為二維地圖，缺乏對三維高程信息的顯示與利用；實時航路與模型缺乏三維立體感的支撐，顯示效果很不盡人意。

3)對軟件提出更高的交互性要求，要求軟件操作更加互動與流暢，符合用戶習慣，有更好的用戶體驗效果。

基于MapX開發的航跡顯示與監控軟件[2，3]不能滿足用戶需求，這就給用戶在使用無人直升機執行任務時帶來諸多不便。為解決以上問題，本文利用OSG/OSGEarth[4，5]開發任務規劃系統來滿足當前用戶的迫切需求。

1 任務規劃系統的特點

軟件主界面如圖1所示。

圖1 任務規劃系統主界面

任務規劃系統除具有常規航跡顯示地圖的基本繪制與實時航跡顯示功能外，還增加了航路規劃判定和在線航路操作功能；針對軟件顯示界面的優化：利用OSG/OSGEarth技術加載三維模型，豐富地圖顯示元素，增強軟件交互性能，提升用戶體驗效果。

這些都將為用戶的使用提供極大的便利，特別是為無人直升機執行任務提供有效的航跡控制方案與實時航跡切換的策略。

任務規劃系統針對用戶需求開發的功能如下：

1) 針對具體飛行任務與態勢信息，開展在線航路的規劃與智能判定，制定適合當前任務需求的可用航路，針對不同可用航路設計篩選機制，篩選最適合用戶需求的飛行航路，保障無人直升機安全高效地完成飛行任務。

2) 利用OSG/OSGEarth程序加載附帶高程數據的地圖與三維模型來增加軟件對地形高程數據的利用；同時利用OSG/OSGEarth來繪制立體圖形與帶飛行高度的實時航跡，增強軟件的三維可視化效果。

3) 利用OSGEarth將地圖操作集成于鼠標與快捷菜單的操作中，提示信息集成到地圖顯示區域，提高用戶操作效率與流暢度，增強用戶體驗效果。

2 功能開發的方案

2.1 航路規劃與智能判定

在充分利用地形三維高程數據與直升機性能參數的情況下，結合實際飛行經驗與控制策略，無人直升機航路的規劃與判定通過對輸入航跡不斷的智能判定與參數修正，得到安全有效的飛行航路。

航路規劃與判定流程圖如圖2所示。

圖2 航路規劃與智能判定流程圖

在地圖上繪制航跡時依據飛行速度與航點特征字的不同，采用不同的繪制方式，飛行速度用于計算航點轉彎半徑，轉彎半徑則影響無人直升機的控制(轉彎)策略。轉彎半徑的計算公式如下：

其中，R為轉彎半徑，V為地速，w為轉彎的偏航加速率，w的值與前飛速度有關。航點轉彎仿真效果如圖3所示。

圖3 航點轉彎仿真示意圖

依據航點飛行速度與特征字插值生成無人直升機理論航路后，軟件將對理論航路再次執行航跡判定，以確保理論航跡(帶航點轉彎控制策略的航路)依然滿足實時飛行時對于飛行速度、飛行高度、飛行航段、鏈路視通與油耗的要求。智能判定采取遍歷理論航路的方式，在飛行速度與高度安全的情況下，著重考慮航路飛行時鏈路是否通暢與油量是否充足，并將判定信息輸出。航路判定示意圖如圖4所示。

圖4 航路規劃與智能判定示意圖

規劃航路經過智能判定之后，繪制在地圖中，滿足理論設計的同時又可能不符合實際需要，需操作人員依照飛行經驗，對規劃航路進行篩選：符合實際需求的，保存于規劃航路文件；不符合的，更改航路位置或飛行參數，繼續規劃與驗證。下圖5(a)為可用的有效規劃航路，圖5(b)為不符合實際需求的航路。

圖5 有效航路與無效航路的篩選

2.2 航路擇優篩選準則的設計

針對同一個飛行任務，可以得到多條可用航路，如何篩選出最符合用戶需求的航路，是我們需要進行深入思考的問題。依據無人直升機飛行經驗，航路的選擇注重飛行安全度、飛行時間、飛行距離、飛行油耗與任務區域飛行時間的指標度量，這些指標可以通過表2內容采取權重值疊加方式獲取。

表2 航路度量標準的影響因素

每個航路度量指標由各自影響因素的數值與權值比重通過加權算法疊加獲取。這里以飛行安全度為例說明此計算方法：

度量指標的結果取決于影響因素數值的計算與權重比的設定，受計算方法與權重分配影響較大，各個因素的權值比重可根據飛行經驗進行調整。通過上述方法計算得到不同航路的度量標準之后，軟件可按照用戶需求根據度量標準對多條航路進行排序顯示，為用戶選擇航路提供有效的幫助信息。如圖6所示，兩條可選航路用于無人直升機執行飛行任務：在航路最短條件下，可選擇航路2；在安全性條件下，可選擇航路2；在任務區域飛行時間條件下，可選擇航路1。

2.3 實時航路控制

實時航路的操作包括回收點注入，在線航路的

注入、查詢、刪除與航線/航點切換功能，用于無人直升機在飛行過程中的航路控制。在線航路操作功能需要軟件通過數據鏈路與無人直升機進行指令交互確認完成操作指令與數據的上傳。

圖6 可用航路的篩選示意圖

通過在線航路相關功能的協作配合，用戶可以實時更改或控制無人直升機飛行航路，在線航路的注入與刪除邏輯較為復雜，功能實現流程圖如圖7所示。

圖7 在線航路注入/刪除功能流程圖

2.4 三維立體化顯示

OSG/OSGEarth程序可以加載多種格式的含高程數據的地圖文件，加載不同類型三維立體模型，可繪制立體圖形與含高度的實時航跡。這些都為任務規劃軟件實現三維顯示提供了便利。而地圖中包含的高程數據可以用于航路智能判定中鏈路視通的判定中，也為地圖中繪制區域、標識、形狀與文本提供參考信息。

本軟件進行三維航跡的顯示效果如圖8所示。

圖8 無人直升機關鍵狀態顯示與監控

2.5 人機交互性

人機交互能力通過軟件輔助功能的開發設計來完成。軟件輔助功能主要包括兩點測距，注釋添加，為用戶提供地圖參數接口，可根據需要更改地圖數據源與地圖中繪制元素(航線/航點，圖形、區域與文本)的顏色；提供多種內部數據的顯示、修改與保存功能，方便用戶實時查看與修改，提高用戶體驗度。

3 關鍵技術

任務規劃軟件著重解決用戶的迫切需求，依托OSG/OSGEarth解決三維地圖加載與三維可視化問題，系統開發使用的關鍵技術如下：

1) 針對飛行任務特點，設定合理的智能判定方法用于飛行航路的在線規劃；設定適合的航路篩選準則；通過在線航路操作的協調配合，完成無人直升機航路的在線變更與控制。

2) 采用OSG/OSGEarth開源程序進行軟件開發，實現三維模型與地圖文件的加載與顯示功能，豐富地圖顯示元素，提升實時航跡的三維視覺效果；

3) 利用OSG/OSGEarth將地圖操作集中于鼠

標與快捷菜單中，提供多種數據顯示界面與更改接口，方便用戶使用，增強人機交互性與用戶體驗。

軟件的功能實現如圖9所示。

圖9 任務規劃系統功能圖

4 結束語

目前本系統已應用于某型號無人直升機的試驗試飛任務中，相關功能展現出很好的使用效果，有效地完成了某型號試驗試飛任務，獲得了試飛技術人員良好的評價與認可。在以后的工作中還得結合用戶需求，進一步完善現有功能，開發新的功能，使得任務規劃系統滿足無人直升機飛行任務的發展需求。

[1] Wang R, Qian X L. OpenSceneGraph 3.0 Beginner’s Guide [M]. Birmingham: Packet Publishing, 2010.

[2] 常 茹,童 芳,李 心.基于MapX的航跡顯示及告警系統的開發[J].遙測遙控,2013,14(1):53-56.

[3] 宋雪源,李建文,馬國元.基于MapX的GPS位置信息實時標注系統[J].海洋測繪,2011,31(1):58-60.

[4] 肖 鵬,劉更代,徐明亮. OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南[M].北京:清華大學出版社,2010.

[5] 吳 瓊,孫韶杰.基于OSG的戰場態勢仿真統的設計與實現[J].指揮控制與仿真,2014,36(2):78-84.

Missions Plan System Development of Unmanned Helicopter Based on OSGEarth

HUANG Fugui1, ZHANG Ming2, ZHANG Dagao2

(1.Navy Aviation Military Delegate Department in Jingdezhen, Jingdezhen 333001,China; 2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Used the open source OSG/OSGEarth to complete the task planning system development of UAV, including airline plan and judgment, real time airline displaying and airline dynamic loading functions. Through the relative project test and confirmation, it was shown that this software system could efficiently resolve task planning requirements about airline feasibility and safety judgments, display real-time circuital information of UAV and greatly improve the software interface interactive and user experience.

airline judgment; OSG/OSGEarth; 3-D; real time airline displaying

2015-12-22 作者簡介： 黃福貴(1979-),男(漢族)，江西臨川人，博士，工程師，主要研究方向為航空裝備質量監督與無人直升機技術。

1673-1220(2016)01-045-05

V249.122+.3；V279

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