本發(fā)明涉及一種基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，尤其涉及，具體地說(shuō)，是涉及一種包括3D GIS導(dǎo)航模塊的無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)人直升機(jī)的快速發(fā)展，越來(lái)越多地被民用和國(guó)防等諸多領(lǐng)域應(yīng)用。地面站作為整個(gè)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)也在不斷的更新和發(fā)展。嵌入地理信息系統(tǒng)(geographical information system GIS)到地面站，利用GIS強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)處理和三維可視化技術(shù)，提高地面站的信息化水平，增強(qiáng)可視化優(yōu)勢(shì)，成為無(wú)人直升機(jī)地面站設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

GIS是一種將空間位置與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的決策支持系統(tǒng)，是將地球科學(xué)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的一種大型集成系統(tǒng)。它具有信息系統(tǒng)的各種特點(diǎn)，作為獲取、處理、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)的重要工具，近年來(lái)得到廣泛的關(guān)注和迅猛的發(fā)展。同時(shí)基于3D GIS技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，己經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于三維數(shù)字城市、資源管理、環(huán)境評(píng)價(jià)、區(qū)域規(guī)劃等諸多方面。直升機(jī)在實(shí)際飛行過(guò)程中，地面站實(shí)時(shí)顯示出大量的飛行數(shù)據(jù)，地面操作人員借助計(jì)算機(jī)能快速判斷并做出反應(yīng)，及時(shí)地參與無(wú)人機(jī)的控制，這對(duì)于無(wú)人機(jī)的飛行操縱安全至關(guān)重要?；?D GIS的無(wú)人直升機(jī)地面站系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)可視化方而的優(yōu)勢(shì)，很好地實(shí)現(xiàn)了無(wú)人直升機(jī)的監(jiān)控導(dǎo)航，自主起降，航路規(guī)劃，航跡顯示，航跡同放等功能，形成一個(gè)實(shí)時(shí)、快速、直觀的地面監(jiān)控系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是提供一種基于3D GIS的無(wú)人直升機(jī)地面站系統(tǒng)。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)通信模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和虛擬儀表模塊，還包括3D GIS導(dǎo)航模塊，并且通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的地形高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖片來(lái)渲染三維地球，結(jié)合接收到的機(jī)載系統(tǒng)的飛行信息，來(lái)監(jiān)視無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行航跡，以及對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航跡規(guī)劃。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，使用bil格式的高程數(shù)據(jù)和DDS柵格數(shù)據(jù)相結(jié)合的形式，通過(guò)DDS柵格數(shù)據(jù)結(jié)合地形的高程數(shù)據(jù)來(lái)渲染三維地球模型。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，實(shí)時(shí)航跡實(shí)現(xiàn)由無(wú)人機(jī)地面站實(shí)時(shí)接收機(jī)載系統(tǒng)的飛行方位信息，將這些方位信息存儲(chǔ)在一個(gè)列表中，每個(gè)方位加載所對(duì)應(yīng)標(biāo)記物在軌跡跟蹤層顯示出來(lái)，最后通過(guò)Update函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡的實(shí)時(shí)更新。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，航跡規(guī)劃通過(guò)在三維地圖上直接通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)得到所在點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，結(jié)束畫(huà)航線后將航線規(guī)劃得到的方位信息保存起來(lái)發(fā)送到無(wú)人機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，提供了多圖層的訪問(wèn)與控制，航跡跟蹤層與其它層一樣，相互之間都是獨(dú)立的，可獨(dú)立顯示。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊將地理信息和測(cè)控信息分開(kāi)存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)3D GIS數(shù)據(jù)管理和地面站系統(tǒng)的離線數(shù)據(jù)同放。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，在手動(dòng)控制模式時(shí)，無(wú)人機(jī)直接由操作人員通過(guò)遙控設(shè)備發(fā)出控制命令，遙控設(shè)備以電臺(tái)作為通信媒介向無(wú)人機(jī)發(fā)射信號(hào)，無(wú)人機(jī)機(jī)做出反應(yīng)并通過(guò)機(jī)載系統(tǒng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把各種實(shí)時(shí)的飛行數(shù)據(jù)以及圖像，視頻等數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站。

一種無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)，在切換到自動(dòng)控制模式時(shí)，地面站設(shè)置好飛行參數(shù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將控制參數(shù)發(fā)送到機(jī)載系統(tǒng)，飛機(jī)根據(jù)參數(shù)命令完成飛行任務(wù)，同時(shí)在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)的向地而控制站反饋各種飛行狀態(tài)信息，地面站根據(jù)實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)及時(shí)做出控制命令的修改。

本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他 優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書(shū)，權(quán)利要求書(shū)，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)總體框架圖；

圖2是地面站系統(tǒng)軟件框架圖；

圖3是UDP數(shù)據(jù)通信方式原理圖；

圖4是World Wind Java軟件框架圖；

圖5是WorldWindJava SDK數(shù)據(jù)處理和渲染框架圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。需要說(shuō)明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

無(wú)人直升機(jī)總體系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)由機(jī)載系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)載系統(tǒng)包括飛行控制計(jì)算機(jī)、傳感系統(tǒng)、GPS接收模塊組成；地面站系統(tǒng)包括遙控設(shè)備和便攜式PC機(jī)。

系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

無(wú)人直升機(jī)在進(jìn)行自主導(dǎo)航控制時(shí)，為了降低自動(dòng)控制失控時(shí)的危險(xiǎn)性，有兩種控制模式：手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式。在手動(dòng)控制模式時(shí)，無(wú)人直升機(jī)直接由專業(yè)人員通過(guò)遙控設(shè)備發(fā)出控制命令，遙控設(shè)備以電臺(tái)作為通信媒介向無(wú)人直升機(jī)發(fā)射信號(hào)，無(wú)人直升機(jī)機(jī)做出反應(yīng)并通過(guò)機(jī)載系統(tǒng) 用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把各種實(shí)時(shí)的飛行數(shù)據(jù)以及圖像，視頻等數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站：在切換到自動(dòng)控制模式下，地面站設(shè)置好飛行參數(shù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將控制參數(shù)發(fā)送到機(jī)載系統(tǒng)，飛機(jī)根據(jù)參數(shù)命令完成飛行任務(wù)，同時(shí)在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)的向地面控制站反饋各種飛行狀態(tài)信息，地面站根據(jù)實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)及時(shí)做出控制命令的修改。

地面站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)地面站系統(tǒng)運(yùn)行于基站的便攜式計(jì)算機(jī)上，使用Java作為程序的開(kāi)發(fā)語(yǔ)，進(jìn)行而向?qū)ο竽K化程序設(shè)計(jì)，軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上清晰合理，易于維護(hù)升級(jí)。同時(shí)Java語(yǔ)高是一種交叉平臺(tái)的語(yǔ)言，跨平臺(tái)能力強(qiáng)，地面站可以方便地移植到其它系統(tǒng)平臺(tái)的小型便攜式計(jì)算機(jī)上。地面站軟件框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用圖形界而，提供一個(gè)良好而便于操作的用戶接口。系統(tǒng)通過(guò)事件或者消息驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以非常方便地進(jìn)行設(shè)置和操作。整個(gè)地面站控制包含數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬儀表和3D GIS導(dǎo)航5大模塊。

數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊主要負(fù)責(zé)地面站與無(wú)人直升機(jī)機(jī)載系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)的收發(fā)采用UDP協(xié)議，在功能上保證實(shí)時(shí)性，但是UDP協(xié)議不能保證傳輸中沒(méi)有丟失信息，需要對(duì)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)信息加上字頭和字尾校驗(yàn)。地面站主要接收機(jī)載系統(tǒng)各個(gè)傳感器得到的飛行速度、航向、經(jīng)緯度、姿態(tài)和遙感設(shè)備得到的圖像視頻(經(jīng)過(guò)編碼壓縮后)數(shù)據(jù)；同時(shí)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制模塊發(fā)送給機(jī)載系統(tǒng)的控制命令參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信模塊的通信方式如圖3所示。

遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制模塊主要負(fù)責(zé)將無(wú)人直升機(jī)機(jī)自主飛行的控制命令參數(shù)經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)壓縮后通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送到無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)，在發(fā)送過(guò)程中需要校驗(yàn)碼校驗(yàn)，只有機(jī)載系統(tǒng)得到止確應(yīng)答后，才可能執(zhí)行自主飛行命令。

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊在地面監(jiān)控站中發(fā)揮養(yǎng)非常重要的角色，本地監(jiān)控站采用Java語(yǔ)高編寫(xiě)，很方便的實(shí)現(xiàn)了多線程技術(shù)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中采用單獨(dú)的線程，不僅可以提高地面監(jiān)控站的效率，而且可以保證地面站系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)信息完整。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊數(shù)據(jù)庫(kù)選用開(kāi)源的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，將地理信息和測(cè)控信息分開(kāi)存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)3D GIS數(shù)據(jù)管理和地面監(jiān)控站的離線數(shù)據(jù)同放，為實(shí)驗(yàn)人員對(duì)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更深層次的分析。

虛擬儀表模塊

虛擬儀表模塊實(shí)現(xiàn)各種飛行數(shù)據(jù)的儀表化，使用儀表來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單直觀，增強(qiáng)了人機(jī)交互的能力，能更好的為地面站的操作員反饋飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，例如姿態(tài)儀、偏航儀、高度儀、和無(wú)人直升機(jī)各個(gè)控制通道的控制量等。當(dāng)無(wú)人直升機(jī)出現(xiàn)各種機(jī)械故障或者機(jī)載系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障，有儀表指示報(bào)警功能，及時(shí)反饋給操作人員，采取應(yīng)急措施。

3D GIS導(dǎo)航模塊

3D GIS導(dǎo)航模塊使用了由美國(guó)航空宇航局(NASA)Aems研究中心開(kāi)發(fā)的World Wind Java源軟件開(kāi)發(fā)包。World Wind Java整個(gè)軟件框架如圖4所示。通過(guò)World Wind Java SDK可以方便靈活地建立三維地球應(yīng)用程序，以一種插件程序的形式，為無(wú)人直升機(jī)地面站應(yīng)用程序提供三維地球的地形地貌觀測(cè)，通過(guò)地的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的真實(shí)地型高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖片來(lái)渲染三維地球。通過(guò)觀測(cè)窗口結(jié)合地面站接收的機(jī)載系統(tǒng)的飛行信息，可以在三維地形上監(jiān)視無(wú)人直升機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行航跡，同時(shí)也能夠?qū)o(wú)人直升機(jī)進(jìn)行航跡規(guī)劃。

3D GIS實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

GIS數(shù)據(jù)不僅表達(dá)空間實(shí)體(真實(shí)體或者虛擬實(shí)體)的位置和幾何尺寸，同時(shí)也記錄了空間實(shí)體的相對(duì)屬性，所以GIS數(shù)據(jù)源包含空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分。圖形數(shù)據(jù)又可以分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩類。比較常見(jiàn)的GIS數(shù)據(jù)格式有Mapinfo(*.tab)數(shù)據(jù)格式、AutoCAD(*.DWG，*.DXF)數(shù)據(jù)格式、 Shape(*.shp)數(shù)據(jù)格式等等。本系統(tǒng)采用的*.bil的高程數(shù)據(jù)和I*.DDS柵格數(shù)據(jù)相結(jié)合的形式，通過(guò)DDS柵格數(shù)據(jù)結(jié)合地形的高程數(shù)據(jù)來(lái)渲染整個(gè)三維地球模型。數(shù)據(jù)的獲得可以從各個(gè)網(wǎng)絡(luò)海量服務(wù)器獲得，也可以將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，由存儲(chǔ)管理器統(tǒng)一對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，World WindJava SDK對(duì)數(shù)據(jù)處理和渲染框圖如圖5所示。

圖層的訪問(wèn)與控制

在導(dǎo)航模塊中，World Wind Java SDK通過(guò)一個(gè)重量級(jí)的AWT組件WorldWindowGLCanvas來(lái)顯示W(wǎng)orld Wind模型(三維地球和各個(gè)圖層)，該組件是個(gè)獨(dú)立式的，能為應(yīng)用程序提供三維地球和圖層的渲染，它包含了基木的圖層：基礎(chǔ)圖像層(BasicTiledImageLayer)，羅盤層(CompassLayer)、比例尺層(ScalebarLayer)、世界地圖層(WorldMapLayer)和著色層(RenderableLayer)。同時(shí)還可以根據(jù)自己的需求增加圖層，例如要進(jìn)行GPS跟蹤定位時(shí)可以加入航跡標(biāo)記層(TrackMarkLayer)，要加入網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器(Web Map Server)，可以增加WMS層來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和渲染。為窗口設(shè)置好監(jiān)聽(tīng)器后可以使用鼠標(biāo)和鍵盤來(lái)控制三維地球的縮放，旋轉(zhuǎn)、漫游等。層的表示可以通過(guò)層名和索引，通過(guò)這兩種方式來(lái)插入新的圖層，同時(shí)也可以通過(guò)層名和索引來(lái)訪問(wèn)控制圖層。

無(wú)人直升機(jī)的實(shí)時(shí)航跡顯示

無(wú)人直升機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)航跡是系統(tǒng)的一個(gè)重要的功能，WorldWind Java SDK有兩個(gè)封裝好的類TrackMarkerLayer和TrackPipesLayer對(duì)無(wú)人直升機(jī)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行標(biāo)記，這兩個(gè)類的不同之處就是前者可使用自定義的標(biāo)記物(圓點(diǎn)，方形等)，后者使用實(shí)體線條來(lái)標(biāo)記航跡。航跡跟蹤層與其它層一樣，相互之間都是獨(dú)立的，可獨(dú)立顯示。實(shí)時(shí)航跡實(shí)現(xiàn)由無(wú)人直升機(jī)地面站實(shí)時(shí)接收機(jī)載系統(tǒng)的飛行方位信息，將這些方位信息存儲(chǔ)在一個(gè)列表中，每個(gè)方位加載所對(duì)應(yīng)標(biāo)記物在軌跡跟蹤層顯示出來(lái)，最后通過(guò)Update函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡的實(shí)時(shí)更新。

無(wú)人直升機(jī)航跡規(guī)劃

航跡點(diǎn)的規(guī)劃是地面站控制站最為關(guān)鍵的一部分，無(wú)人直升機(jī)航跡規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃滿足約束條件的飛行軌跡，規(guī)劃的目的是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間 內(nèi)計(jì)算出最優(yōu)的飛行軌跡。主要用于無(wú)人直升機(jī)的飛行任務(wù)，包括飛行航線，高度、速度、任務(wù)執(zhí)行區(qū)域等。由于三維地球在建立模型中就有狀態(tài)欄信息，通過(guò)在三維地圖上直接通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)得到所在點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，這樣大大提高了系統(tǒng)的可操作性。航跡點(diǎn)的規(guī)劃可以分為一下幾個(gè)功能：畫(huà)航點(diǎn)航線、修改航線、結(jié)束畫(huà)航線。畫(huà)航跡點(diǎn)過(guò)程中每畫(huà)一個(gè)點(diǎn)可以從圖層中獲得經(jīng)緯度信息，根據(jù)需要添加高度信息，同時(shí)把兩點(diǎn)之間的距離顯示出來(lái)。修改航線主要是對(duì)于誤操作規(guī)劃的航跡點(diǎn)進(jìn)行刪除、移動(dòng)等操作。結(jié)束畫(huà)航線后將航線規(guī)劃得到的方位信息保存起來(lái)發(fā)送到無(wú)人直升機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)。

雖然本發(fā)明所揭露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書(shū)所界定的范圍為準(zhǔn)。