某型無人機(jī)航路規(guī)劃軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

權(quán)聰

（國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003）

1 前言

近年來，無人機(jī)的應(yīng)用與研究受到了廣泛的關(guān)注，成為各大國之間競爭的主要領(lǐng)域。地面站軟件作為無人機(jī)遠(yuǎn)程控制的核心關(guān)鍵組成部分，無人機(jī)控制人員通過地面站系統(tǒng)提供的地面站軟件與無人機(jī)進(jìn)行交互。操作人員在無人機(jī)飛行任務(wù)開始前提前規(guī)劃好飛行航線，地面站實(shí)時監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀況，并通過實(shí)時修改任務(wù)改變無人機(jī)的飛行航線，在無人機(jī)完成飛行任務(wù)后，對飛行存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析。航路規(guī)劃與航線操作功能作為地面站軟件的核心組成部分，起到了重要作用。無人機(jī)在每次飛行任務(wù)前，都需提前進(jìn)行本次飛行任務(wù)的航路規(guī)劃，航點(diǎn)對應(yīng)著無人機(jī)本次飛行經(jīng)過的位置，在設(shè)置飛行航點(diǎn)時，需要設(shè)置無人機(jī)飛行器所具有的速度、位置、航向信息等數(shù)據(jù)，多個有序航路點(diǎn)組成了一條飛行航線。規(guī)劃好航線后，將該航線裝訂并通過網(wǎng)口發(fā)送飛控計算機(jī)，無人機(jī)就會按照規(guī)劃好的航線完成本次飛行任務(wù)的各項(xiàng)飛行動作，依次按序飛過各航點(diǎn)執(zhí)行飛行任務(wù)。

航路規(guī)劃在無人機(jī)導(dǎo)航中起到了至關(guān)重要的作用，無人機(jī)航路規(guī)劃時，根據(jù)任務(wù)的預(yù)設(shè)目標(biāo)規(guī)劃好本次飛行任務(wù)的軌跡。航線由多個有序的航點(diǎn)組成，規(guī)劃好的航點(diǎn)和航線擬合成航跡在地圖上直觀顯示，航點(diǎn)、航線數(shù)據(jù)保存在文本中，方便執(zhí)行下次飛行任務(wù)時調(diào)用。

2 航路規(guī)劃軟件模塊

（1）航點(diǎn)信息管理。航點(diǎn)信息的增加、刪除、插入（鼠標(biāo)點(diǎn)擊在列表控件某行點(diǎn)上，點(diǎn)擊插入行點(diǎn)，會插入該行點(diǎn)之后）、航點(diǎn)信息的保存和加載功能。

在軟件界面上，將所有航點(diǎn)信息顯示在一個ListContral 列表控件中，該列表的每個數(shù)據(jù)對應(yīng)一個規(guī)劃好的航點(diǎn)，每一列對應(yīng)該航路點(diǎn)的經(jīng)緯度、航點(diǎn)序號、速度和高度設(shè)定值、狀態(tài)字等信息，起始位置信息下方有航點(diǎn)添加、航點(diǎn)刪除、航點(diǎn)插入、航路點(diǎn)信息保存和航路點(diǎn)信息加載等按鈕，如圖1 所示。

圖1 軟件整體界面圖

（2）地圖數(shù)據(jù)到列表數(shù)據(jù)的交互功能。切換街道地圖和衛(wèi)星混合地圖、航點(diǎn)的拖拽（航點(diǎn)坐標(biāo)更新到列表）、地圖的縮放、地圖的移動，航點(diǎn)坐標(biāo)信息的顯示等基本地圖功能等；地圖切換為衛(wèi)星圖，如圖2 所示。

圖2 地圖切換衛(wèi)星圖

（3）列表數(shù)據(jù)到地圖的交互功能。修改列表數(shù)據(jù)信息，點(diǎn)擊更新按鈕，地圖數(shù)據(jù)也會隨著列表數(shù)據(jù)的更改而更新。

（4）條件插入航點(diǎn)功能。根據(jù)已知基準(zhǔn)點(diǎn)的航向角、距離插入新的航點(diǎn)（可以插入基準(zhǔn)點(diǎn)后，也可以插入最后）；已航點(diǎn)3 為基準(zhǔn)，航向角180°，距離100000m處插入航點(diǎn)4，效果如圖3 所示。

（5）地圖測距功能。測量航點(diǎn)之間的距離和測量整個航路的距離，效果如圖4 所示。

（6）航線選擇功能。航線為直線或者曲線，效果如圖5 所示。

圖5 航線曲線選擇功能

（7）清除所有航點(diǎn)功能。清除地圖上的所有數(shù)據(jù)和列表控件上的所有數(shù)據(jù)。

（8）航路點(diǎn)信息的管理與保存。為了后續(xù)任務(wù)的航路點(diǎn)的加載，將設(shè)置的航點(diǎn)保存在文本中，把航路點(diǎn)信息保存在數(shù)據(jù)庫中，每次對航路點(diǎn)進(jìn)行操作都將同時更新數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表的記錄，數(shù)據(jù)庫航點(diǎn)存儲表的結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 PathPointTable 表

航點(diǎn)信息存儲：讀取Listcontral 列表數(shù)據(jù)，并把列表數(shù)據(jù)進(jìn)行文件存儲，保存成.log 文件，并按時間命名，如圖6 所示。

圖6 航點(diǎn)信息存儲效果圖

（9）規(guī)劃好的航線在地圖上的標(biāo)示。規(guī)劃好一條航線后，載入地圖，鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖就會設(shè)置一個航點(diǎn)，多個航路點(diǎn)繪制出無人機(jī)飛行航線的軌跡，用Element標(biāo)注航點(diǎn)，用直線或弧線將航路點(diǎn)連接起來，形成的Line 曲線表示航線，如圖7 所示。

圖7 航線表示

（10）大數(shù)據(jù)量的航點(diǎn)加載功能：選擇航路文件，加載已保存的航點(diǎn)信息，并顯示在地圖上，如圖8 所示。

圖8 航點(diǎn)文件加載功能

3 軟件設(shè)計

本地面站系統(tǒng)的開發(fā)使用集成開發(fā)環(huán)境是微軟公司的Visual Studio2010，系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Win7 及其以上操作系統(tǒng)。基于性能方面考慮，采用基于MFC 應(yīng)用程序框架，地圖部分的實(shí)現(xiàn)是基于百度的離線地圖，這是百度公司為了方便地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)而設(shè)計的一款功能非常強(qiáng)大的GIS 開發(fā)包。

電子導(dǎo)航地圖為現(xiàn)代無人機(jī)的飛行提供導(dǎo)航服務(wù)，無人機(jī)飛行過程中使用電子導(dǎo)航地圖顯示導(dǎo)航軌跡。依據(jù)無人機(jī)下發(fā)狀態(tài)數(shù)據(jù)包中包含GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航提供的經(jīng)緯度信息，實(shí)時地在地圖上標(biāo)注無人機(jī)當(dāng)前準(zhǔn)確位置和航向，在無人機(jī)導(dǎo)航中起到了至關(guān)重要的作用。

由于航路規(guī)劃需要在地圖上實(shí)時標(biāo)注飛行器的位置、航向、規(guī)劃好的航路和實(shí)際的歷史軌跡等信息，地面站軟件需要實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航的基本功能。本子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)使用了百度公司的產(chǎn)品，基于百度地圖開發(fā)工具包的二次開發(fā)，百度Map 作為一組嵌入式腳本語言可以跨平臺使用，它是百度地圖軟件產(chǎn)品的底層模塊，可以用來構(gòu)建GIS 和桌面地圖應(yīng)用程序，或是在原有的地圖軟件上增加新的功能。

（1）將百度地圖的JS 文件本地化并與服務(wù)器進(jìn)行交互。將百度map 加載時需要的JS 文件下載到本地終端，在后續(xù)應(yīng)用程序開發(fā)時，不需引用百度網(wǎng)站上的JS 文件，只需調(diào)用本地的JS 文件。調(diào)用百度map API時，需要使用百度map JS 文件，百度提供了本地化JS map3.0.js 文件，可在百度官網(wǎng)上進(jìn)行下載。

（2）將百度 map 的地圖數(shù)據(jù)（tiles：瓦片）下載到本地以及應(yīng)用的開發(fā)。提到地圖數(shù)據(jù)，首先需要了解百度 map 的基礎(chǔ)知識。百度將瀏覽器中顯示的導(dǎo)航地圖，分割成一張一張圖片，起名為tile，為了能夠?yàn)g覽顯示的百度地圖，需從百度官方網(wǎng)站下載所有tile，然后將這些tile 拼接在一起，就能夠展示出一張完整的百度地圖。地圖每一個tile 都是大小為256×256 的PNG 或jpg 圖片，因?yàn)榘俣鹊貓D存在級別為0 ～19 縮放功能，因此在每個縮放級別中，地圖的顯示區(qū)域被劃分為多個tile 圖片，每個tile 圖片會根據(jù)百度站點(diǎn)下載對應(yīng)的地圖數(shù)據(jù)，地圖數(shù)據(jù)其實(shí)是一張張PNG 或JPG 圖片，在百度地圖請求獲取tile 圖片數(shù)據(jù)時，將三個重要的參數(shù)傳遞給地圖，分別為地圖x 坐標(biāo)數(shù)據(jù)、y 坐標(biāo)數(shù)據(jù)及當(dāng)前顯示的地圖的縮放級別。

（3）MFC 調(diào)用百度離線地圖。VS2010 中添加web browsers（Active X 微軟操作系統(tǒng)自帶）控件，為控件增加成員變量m_web，在初始化的程序中調(diào)用以下代碼加載百度地圖。

百度離線地圖的html 網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)（在工程文件下的map_LINE.html 和map_CURVE.html 中）具體實(shí)現(xiàn)要調(diào)用百度地圖API 函數(shù)。

（4）MFC 界面到地圖的數(shù)據(jù)交互（VC 與JavaScript 交互）。在VC 中調(diào)用WebBrowser 時，有2 種方法可以調(diào)用。MFC 中存在一個CHtmlView 類對WebBrowser 進(jìn)行封裝，調(diào)用方便快捷。CHtmlView 類是由CView 派生而來，在MFC 中被稱作視圖類，CView 類是由CWnd 派生而來，將其應(yīng)用在對話框類中，不存在使用兼容性問題，只需修改一小部分內(nèi)容即可。其中特別需要注意的以下兩個問題：

CHtmlView 類的構(gòu)造函數(shù)是protected 的，因此在程序中不允許直接構(gòu)造一個CHtmlView 類對象。必須在CHtmlView 類上進(jìn)行派生后才能構(gòu)造。如果將創(chuàng)建CHtmlView 類對象應(yīng)用到棧上，必需重新調(diào)用PostNcDestroy( )，該函數(shù)體內(nèi)容為空。因?yàn)槟J(rèn)的PostNcDestroy( )函數(shù)會delete( ) this 出錯。如果將創(chuàng)建CHtmlView 類對象應(yīng)用到堆上，則需要注意防止二次delete。

另一種方法是調(diào)用WebBrowser 的ActiveX 控件，該方法既可以應(yīng)用在在MFC 項(xiàng)目中，也可以在非MFC 項(xiàng)目中使用，本系統(tǒng)軟件工程使用ActiveX 控件；

需要調(diào)用類CWebPage，將其對應(yīng)的兩個文件WebPage.h 和WebPage.cpp 添加到工程中；MFC 調(diào)用JS中的函數(shù)AddPoint( )，并傳遞2 個參數(shù)(緯度，經(jīng)度，航點(diǎn)號)。

（5）地圖到MFC 界面的數(shù)據(jù)交互（JavaScript與VC 交互）。一個JavaScript 對象傳到了C++ 這邊以后，就變成了一個IDispatch*，然后我們用CComDispatchDriver 接管這個IDispatch*( ) 后，就可以調(diào)用這個JavaScript 對象的方法，獲取這個JavaScript 對象的屬性，實(shí)際上CComDispatchDriver就是對IDispatch( ) 的包裝， 最終都是調(diào)用IDispatch::Invoke( )。同理，如果我們在C++ 這邊構(gòu)造出一個IDispatch* 并傳遞給JavaScript，那么JavaScript 就可以把這個IDispatch* 當(dāng)作一個JavaScript 對象來使用，自然它就可以調(diào)用這個對象的方法，修改這個對象的屬性，最終就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用C++函數(shù)，修改C++對象的成員變量，實(shí)際上JavaScript調(diào)用C++也是通過IDispatch::Invoke( )來調(diào)用。那么如何構(gòu)造這個IDispatch 就是問題的關(guān)鍵點(diǎn)。

這種方法，需要先把IDispatch*( )示例代碼中是this，但因?yàn)閠his 是CPathPlanDlg( ) 的實(shí)例，而CPathPlanDlg( )多重繼承于IDispatch( )，實(shí)際this 就是IDispatch*傳遞給JavaScript，JavaScript把它保存好，然后調(diào)用。

4 結(jié)語

航路規(guī)劃系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行和避障導(dǎo)航的關(guān)鍵系統(tǒng)。針對航路規(guī)劃系統(tǒng)國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，多半是針對控制規(guī)律和系統(tǒng)安性進(jìn)行研究設(shè)計，鮮有人考慮無人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的人機(jī)交互策略。依據(jù)現(xiàn)有的飛行器適航規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)歸納總結(jié)航路規(guī)劃軟件系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計了一款無人機(jī)航路規(guī)劃軟件，但是系統(tǒng)設(shè)計未考慮突發(fā)及極端環(huán)境下無人機(jī)規(guī)劃航路規(guī)劃的自適應(yīng)規(guī)避算法。在后續(xù)的研究中將繼續(xù)完善地面站平臺的功能，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)航的過程監(jiān)測和異常處理，以提高無人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。