视景仿真技术在无人机任务规划中的应用与研究

论文摘要

无人机环境适应能力更强,在各种危险的飞行环境中无人机能有效的替代有人机执行任务,同时无人机还具有油耗少,滞空时间长,地面飞行员能随时轮换等特点,所以无人机能长时间在在空中执行任务,替代有人机执行测绘、大区域巡查等枯燥且耗时的任务。正是由于无人机具有这些众多的优势,因此无人机的应用也越来越广泛,在执行任务的过程中也面临着更加复杂和危险的飞行环境。目前无人机的飞行轨迹和运动状态,以及无人机的规划航路,都是通过单调的数据和简单的平面绘图来进行表示。该表示方法不能直观的反应出整个飞行状态,对规划的新航路的整个立体剖面,以及规划航路与地形之间的关系、规划航路与威胁区域之间的关系、规划航路是否在测控系统的有效范围之内、规划航路上载荷能否有效的执行任务等重要信息都不能进行直观有效的展示给操作人员。因此现阶段的航路规划系统不够直观有效,所规划的航路给飞行安全带来极大的隐患。本文利用视景仿真软件基础平台,搭建了在无人机地面控制站上使用的无人机视景仿真软件。该系统利用飞机实时下传的测控数据、无人机系统固有的性能参数、载荷参数、已知的地形地貌、已知的威胁区域等,用三维图形化和可交互的方式,对无人机的飞行全过程进行实时状态显示。对无人机的飞行姿态、飞行轨迹、飞行区域、空中监视范围、所处区域地形情况、飞行环境的威胁区域,测控系统的有效通信范围等进行三维全方位的展示。该系统在以上三维显示的基础上,又实现了在视景仿真软件中任务规划的功能,规划后的结果能在视景仿真软件中立体的显示给地面控制人员。该系统能对规划的飞行航路进行预先的碰撞检测、对规划航路进入威胁区域进行预警、对在规划航路上载荷设备能否完成任务进行提示、对在规划航路上飞行燃油是否足够进行告警、对规划航路是否超过测控有效范围进行提示。该系统具有了以上功能并直观的显示给操作人员,为无人机航路规划提供了有效的保证。本文对开发整套无人机视景仿真软件提出了总体方案。首先对视景仿真软件的框架进行搭建,对开发的各个环节进行了研究,实现了三维场景、飞行器状态的实时显示,并实现与用户的简单交互。在此基础上又实现了任务规划的功能以及规划航路的检测功能,实现了航路规划全过程的三维显示及综合告警,对整个视景仿真软件开发中所遇到的关键技术进行了详细的阐述。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 无人机
• 1.2.2 地面站
• 1.2.3 国内外地面站航路规划系统现状
• 第二章 无人机任务规划对视景仿真软件的要求
• 2.1 无人机任务规划特点
• 2.2 无人机任务规划对视景仿真软件的显示需求
• 2.3 无人机任务规划对视景仿真软件的功能要求
• 2.3.1 物体高仿真显示
• 2.3.2 地形地貌高仿真显示
• 2.3.3 数据驱动场景及人机交互功能
• 2.3.4 任务规划及任务推演功能
• 2.3.5 航路上传功能
• 第三章 视景仿真软件基础平台的研究与开发
• 3.1 系统开发工具
• 3.1.1 建模工具
• 3.1.1.1 Creator-三维实时建模工具
• 3.1.1.2 犀牛-对曲面进行处理的建模软件
• 3.1.2 地形开发工具
• 3.1.3 视景渲染工具
• 3.2 视景仿真软件基础平台的建立
• 3.2.1 视景仿真软件基础平台设计框架图
• 3.2.2 仿真对象的建模
• 3.2.3 创建虚拟纹理
• 3.2.4 地形数据的生成与管理
• 3.2.5 仿真应用程序的开发
• 3.2.5.1 基本仿真框架的搭建
• 3.2.5.2 多观察者、多方向视图的实现
• 3.2.5.3 飞机尾焰的模拟
• 3.2.5.4 运动部件自由度的实现
• 第四章 基于视景仿真软件基础平台的任务规划及其三维显示
• 4.1 任务规划目的
• 4.2 无人机任务规划约束条件
• 4.3 预定任务规划
• 4.4 实时任务规划
• 4.4.1 机载部分
• 4.4.2 地面部分
• 4.5 无人机任务规划指标
• 4.6 可视化航路规划
• 4.6.1 三维态势表达技术
• 4.6.2 三维可视化实时显示
• 4.6.3 三维环境中航路规划
• 4.6.4 航路的可行性检测及态势显示
• 第五章 相关技术应用
• 5.1 LOD 技术
• 5.1.1 物体细节层次建模
• 5.1.2 大场景LOD 技术
• 5.2 多坐标系使用
• 5.2.1 视景仿真软件需要使用的坐标系
• 5.2.1.1 机场坐标系
• 5.2.1.2 大地坐标系
• 5.2.2 在Vega Prime 中创建和使用坐标系
• 5.3 碰撞检测技术
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献