基于EV_Globe的無人直升機航路規劃軟件系統設計與實現

程滔

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001）

0 引言

隨著IT、計算機軟硬件技術及GIS理論的發展，航路規劃軟件的復雜度越來越高，用戶對外部環境的感知能力要求越來越高[1]。選擇一款合適的三維平臺開發航路規劃軟件，可以幫助操作員快速、直觀的獲取無人直升機姿態、航跡等重要信息。

EV-Globe是新一代海量空間信息服務平臺[2]。EVGlobe將二三維一體化管理，實現數據結構一體化、空間存儲一體化、風格顯示一體化、操作編輯一體化及二維數據三維化表達；EV-Globe是ServiceGIS平臺，能夠聚合和發布符合OGC標準的WMS、WFS等多種GIS服務；EV-Globe在云端實現矢量、影像、三維模型等數據訪問、地理分析功能；EV-Globe內核采用C++語言進行開發，封裝了C#、Java等多種接口，應用于各種平臺。利用EV-Globe能夠快速構建三維控件信息服務系統。

本文是在EV-Globe平臺上，利用二三維一體化技術和云GIS技術，將無人直升機模型嵌入到三維動態空間中，結合衛星影像地圖、數字高程數據及矢量地理信息，在三維虛擬空間中對無人直升機便捷高效航路規劃，將姿態、航跡等信息直觀顯示，增強操作員的外部環境感知能力。

1 系統目標

1.1 實現航跡三維可視化

結合衛星影像數據、數字高程數據及矢量地理信息等，基于二三維一體化技術，仿真真實飛行環境，實現航跡的三維可視化，結合航姿等重要信息的顯示，增強操作員的外部環境感知能力。

1.2 實現離線航路規劃

離線航線規劃是軟件系統基本功能，即在本地規劃航線，實現航線的增刪改查等基本功能。

1.3 實現在線航路規劃

在線航路規劃是軟件系統核心功能，即系統與無人直升機進行通信，完成航線加載及其他相關控制功能，同時接收飛行遙測數據，實時更新航路信息。

1.4 實現三維態勢可視化

在三維場景下，結合外部態勢信息輸入，實現基本圖元、態勢信息的添加，態勢推演等功能。

1.5 實現空間數據處理

在三維場景下，結合航路規劃任務，實現空間測量及空間分析等基本輔助手段。

1.6 實現高效的人機工程

在系統人機界面設計過程中，要求界面友好，操作方便快捷，滿足基本的操作，方便地進行放大、縮小、旋轉、二三維切換、飛行定位、全幅顯示、全屏顯示、最小化等。

1.7 實現快速的軟件維護模式

為提高軟件的維護性，縮短軟件的維護周期。航路規劃軟件采用“平臺+插件”的軟件框架，在不修改程序主體的情況下，對軟件功能進行修改和維護。

2 EV-Globe平臺簡介

本系統采用的EV-Globe5是由北京國遙新天地信息技術有限公司開發的具有自主知識產權的三維控件信息平臺。EV-Globe5產品主要由EV-Server服務平臺、EV-Globe Desktop桌面平臺、EV-Create數據處理軟件、EV-Globe Runtime支持庫及EV-Globe SDK二次開發組件等組成。平臺應用在軍事、海洋、國土、林業、環保等多個領域。

EV-Globe5支持對遙感影像數據、數字高程數據及矢量地理信息數據的處理。EV-Globe 5支持Web數據源、空間數據庫數據源、文件型數據源;Web數據源由EV-Server發布，支持影像、DEM、矢量瓦片及模型圖層的發布;空間數據庫數據源由EarthView空間數據引擎提供支持，支持Sqlite、Oracle、SqlServer數據庫驅動;文件型數據源支持kml/kmz、海圖、Tiff、Image、ShapeFile、傾斜攝影模型等數據格式。EV-Create是EV-Globe影像瓦片生產工具，是一款為EV-Globe量身打造的輔助性工具。該工具針對柵格數據進行預處理，滿足大數據在EV-Globe場景中高效加載和快速展示的性能要求。

EV-Globe5全平臺支持，能夠開發C/S架構的桌面GIS應用、B/S架構的WebGIS應用、基于移動設備的移動App GIS應用。

3 系統硬件組成

航路規劃軟件系統硬件設備主要由數據服務器、航路規劃席位、數據綜合處理席位及相應的網絡設備組成，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

(1)數據服務器

數據服務器主要用于存儲遙感影像數據、數字高程數據及矢量地理信息數據等。

(2)航路規劃席位

航路規劃席位主要用于運行航路規劃軟件，提供軟件運行平臺。

(3)數據綜合處理席位

數據綜合處理席位主要用于運行數據綜合處理軟件，數據綜合處理軟件功能是在任務中接收實時數據，與航路規劃席位保持通信，保證航路規劃席位的上下行數據通信。

4 系統框架設計

航路規劃軟件系統采用Qt開發，包括4層系統架構，即應用層、服務層、數據層、平臺層，如圖2所示。

圖2 系統框架圖

平臺層：平臺層為數據層和服務層提供運行環境支撐，為應用層提供軟件運行環境、硬件設備的統一封裝。

數據層：數據層為基礎地理數據、遙感影像數據、數字高程數據等信息數據的存儲管理，為服務層提供數據支持。

服務層：服務層在應用層和數據層之間，封裝并實現各項基礎服務，讀取存儲在數據層的數據，接收應用層的服務請求，為應用層提供基礎服務支撐。

應用層：應用層為用戶提供人機交互界面。應用層各軟件相互配合、協作，共同構成整個軟件系統，與系統的硬件相互配合，為用戶提供無人直升機航路規劃服務。

5 系統功能設計

根據系統建設目標，功能設計有航跡三維可視化、離線航路規劃、在線航路規劃、三維態勢可視化、空間數據處理、快速定位模塊及插件模塊等七個模塊。

圖3 系統功能框圖

(1)航跡三維可視化

航跡三維可視化模塊對遙感影像數據、數字高程數據等的管理，支持對kml/kmz、海圖、Tiff等多種數據格式。通過遙感影像數據和數字高程數據的疊加，操作員可以直觀感受無人直升機航跡變化。

(2)離線航路規劃

離線航跡規劃實現本地航路規劃及航線管理功能。航路規劃是規劃航線，同時對航路進行編輯，包括航線/航點的增加、刪除、修改、查詢等功能；航線管理是在本地對航線進行打開、保存等功能。

(3)在線航路規劃

在線航路規劃是實現系統與無人直升機的上下行通信功能，包括在線規劃、沖突檢測及實時顯示與分析三個子模塊。在線規劃完成航線加載至無人直升機及其他相關控制指令；沖突檢測完成本地航線的智能判定，對航線的高度、速度等設置的合理性給出結論，保證航線的可行性；實時顯示與分析完成實時遙測數據的解析，同時更新無人直升機的位置信息及姿態等重要參數信息。

(4)三維態勢可視化

三維態勢可視化實現基本圖元和態勢的標繪。基本圖元標繪包括平面圖元、立體圖元及特殊圖元等的標繪；態勢標繪包括軍標標繪及軍標推演。系統可以對已完成的態勢信息保存及重新加載。

(5)空間數據處理

空間數據處理實現空間量算及空間分析功能。空間量算完成點位信息及距離、面積等測量；空間分析完成通視、坡度等分析。

(6)快速定位模塊

快速定位模塊實現系統中位置信息查詢，可以快速定位至地圖中任意位置。系統可以對已完成快速定位信息保存及重新加載。

(7)插件模塊

插件模塊實現快速的軟件維護模式，包括插件管理、通信管理及界面布局管理三個子模塊。插件管理完成插件配置信息的獲取及判定，插件的加載及卸載等；通信管理完成主程序與插件與插件之間的通信；界面布局管理完成工具欄、功能欄等的布局。

6 數據預處理

為了數據在EV-Globe5場景中高效加載和快速展示，需要對數據進行預處理。數據預處理包括對遙感影像數據、數字高程數據及矢量地理信息數據等。遙感影像數據可以直接加載至EV-Globe5平臺中，但是，如果遙感影像數據過大為GB級別或者TB級別，EV-Globe5三維場景中加載與顯示遙感影像數據的效率會下降。

遙感影像數據、數字高程數據及矢量地理信息數據預處理方法相似，此處只對遙感影像數據預處理進行描述。遙感影像數據的預處理流程如圖4所示，主要包括加載影像數據、設置影像數據輸出類型、加載背景數據、設置影像數據輸出路徑和影像數據緩存生成。

圖4 數據預處理流程

(1)加載影像數據：遙感影像數據預處理數據格式支持Erdas、Img及Tif；

(2)設置影像數據輸出類型：輸出類型有兩種方式，一種是瓦片文件，一種是庫文件。瓦片文件是以行列號命名的柵格影像瓦片文件；庫文件是將數據輸出至DB庫中；

(3)加載背景數據：背景數據是一組由EV-Creator生成的緩存數據，主要用于彌補在處理柵格數據時產生的不完整瓦片，增加柵格數據在EV-Globe5三維場景中的顯示效果；

(4)設置影像數據輸出路徑：設置需要輸出預處理遙感影像數據文件的路徑；

(5)影像數據緩存生成：參數設置完成后，生成遙感影像預處理數據。

7 系統軟件設計與實現

7. 1軟件設計

軟件設計如圖5所示。系統軟件由運行在航路規劃席位的航路規劃軟件和運行在數據綜合處理席位的數據綜合處理軟件兩部分組成。

圖5 系統軟件設計

航路規劃軟件在EV-Globe平臺的支持下，通過調用衛星影像數據、數字高程數據等信息，構建虛擬的三維地理環境。在試驗試飛過程中，通過數據綜合處理軟件進行上下行數據通信，完成無人直升機模型驅動、模型特效展示等操作的可視化。EV-Globe平臺主要為航路規劃軟件提供衛星影像數據、數字高程數據及矢量地理信息等。航路規劃軟件包括航線規劃、航線管理、實時顯示及其他相關模塊。

數據綜合處理軟件主要完成上下行數據的實時接收和處理，與航路規劃軟件采用UDP協議進行通信，接收航路規劃軟件的遙控數據并組幀發送給地面數據終端，同時接收數據鏈飛行遙測數據并向航路規劃軟件轉發實時轉發。數據綜合處理軟件包括通信管理、綜合管理、數據管理及其他相關模塊。

7.2 軟件實現

航路規劃軟件通過讀取配置文件對系統進行初始化，加載地圖、場景等要素，同時加載態勢等信息。通過接收數據綜合處理軟件發送的遙測數據，更新無人直升機的位置及姿態信息。同時，航路規劃軟件發送控制信息至數據綜合處理軟件。

數據綜合處理軟件接收航路規劃發送的航線加載數據及其他控制信息數據，完成組幀后發往無人直升機平臺。同時，數據綜合處理軟件接收實時遙測數據并轉發至航路規劃軟件。

8 應用

在某項目中，應用基于EV-Globe5平臺進行開發。在Windows環境下采用Qt5.5.1進行軟件開發，將含有放大、縮小、及飛行定位等功能的工具欄布署在界面右側，將含有影像地圖、航線規劃等功能的功能欄布署在界面下方。

實踐表明，基于EV-Globe5的無人直升機航路規劃軟件系統三維場景顯示效果好、響應速度快，運行穩定，能夠滿足無人直升機航路規劃的需求。

9 結束語

無人直升機在軍民領域使用的越來越多，在軍事領域，可用于作戰、偵查、監視等；在民用領域，可用于災害救援、街景拍攝、監控巡查、環保監測、電力巡檢、農業植保等方面。航路規劃是無人直升機使用過程中重要的功能之一，航路規劃軟件系統與用戶進行人機交互，直接影響用戶對整個系統的認可度。

本文從系統需求出發，對無人直升機航路規劃軟件系統進行了設計與實現。系統利用二三維一體化技術，將遙感影像數據及數字高程數據等數據進行管理及顯示，使得操作員能身臨其境的了解航路的變化。

在三維平臺方面，國內外有多種平臺可以使用，國外的有GoogleEarth、SkyLine等，國內的有EV-Globe、GeoGlove等。EV-Globe是國內較優秀的三維平臺，相對國外GoogleEarth等發展較早產品，在平臺功能、界面設計等方面還有一定差距，但是隨著團隊的不斷更新維護，用戶群的不斷擴大，其功能越來越強大，對國內三維GIS的發展起到促進作用。