无人机任务规划软件设计与实现.doc

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1、摘 要无人机越来越多被应用于现代战争中，而任务规划是无人机执行任务过程中 的至关重要的一步。 无人机任务规划的目的是找出一条最优飞行航路，使之在确 保无人机安全的前提下，最大限度发挥无人机的作用，完成飞行任务。然而，当 前无人机任务规划大多基于二维模式，并在二维下对结果进行仿真与验证，其人 机交互不强，仿真显示不直观。在无人机任务规划实现技术方面急需要提供一种 具有能感知飞行器六自由度状态与空间三维环境相结合的直观、动态的无人机任 务规划辅助系统。本论文基于中航 XX 无人机的任务规划研制要求，开展了无人机任务规划的 辅助可视技术研究与项目开发，具体的研究与开发内容如下：1.研究了无人机六自由

2、度飞行仿真三维建模方法，实现了飞行器和空间环境约 束的建模。通过对无人机的飞行参数、飞行姿态、任务载荷状态、耗油情况等各 个方面用三维模型的建模，任务规划人员能够轻易的对无人机的飞行态势进行整 体准确的把握，实现了无人机任务规划过程中的六自由度仿真。2.研究了无人机虚拟视景技术，采用虚拟仿真技术与任务规划算法相融合的方 法,实现了对无人机的任务规划的动态仿真。任务规划人员不仅仅获得对无人机的 六自由度飞行状态了解，同时对无人机即将要飞行的既定航路、周围飞行环境、 可能遇到的飞行威胁以及无人机上所携带的载荷系统的工作情况等具有空间多自 由度感知。通过航路制定，无人机任务规划视景仿真模块可以对航路

3、进行仿真试 验，开展可行性分析，经过这样一个相辅相成循序渐进的过程，就可以最终生成 所需要的最有航路。3.研究了多种设计模式在无人机三维任务规划软件中的应用。设计了软件总体 程序架构和任务规划人机交互界面。对辅助规划控件如空间对象测距，不规则区 域测面积的算法进行了研究。本文所开发的系统在 XX 无人机任务规划中取得了实际工程应用。系统提供 了友好的人机交互界面，充分发挥了人的分析能力与计算机的计算能力，使得无 人机任务规划简单而高效，具有强的工程现实意义。关键词：任务规划、人机交互、三维建模、虚拟视景IABSTRACTUAVs are increasingly used in modern

4、warfare, and the task UAV mission planning is a crucial step in the process. The purpose of the UAV mission is to find an optimal plan flight routes, so that the UAV can maximize the role of drones to complete the mission in ensuring the safety of the premise, . However, the current UAV mission plan

5、ning mostly based on two-dimensional model, and the results under the two-dimensional simulation and verification, which is not strong human-computer interaction, simulation display is not intuitive. UAV mission planning in the implementation technology can sense the urgent need to provide an aircra

6、ft with six degrees of freedom the state space of a three-dimensional environment combines an intuitive, dynamic UAV mission planning support system has.This thesis, based on the XX UAV mission planning requirements, carry out assisted visualization technology research and development projects UAV m

7、ission planning, specific research and development as follows:- Studied the simulation of unmanned aerial vehicle six degrees of freedom flight 3 d modeling method, the modeling of aircraft and space environment constraints. Through flight parameters, the flight attitude of unmanned aerial vehicle,

8、task load status, consumption situation in various aspects, such as modeling of 3 d model, mission planning personnel can easily for unmanned aerial vehicle flight situation overall accurate grasp, realized the simulation of the six degrees of freedom in the process of uav mission planning.- Uavs vi

9、rtual visual technology is studied, using the virtual simulation technology and the integration of mission planning algorithm, the method of realize the dynamic simulation of mission planning of unmanned aerial vehicle. Mission planning researchers not only get the understanding of the six degrees o

10、f freedom flight of uav, the established route of unmanned aerial vehicle is going to fly, flying around the environment, may encounter threats and the load carried by unmanned aerial vehicle flight systems, such as working condition with many degrees of freedom space perception. By air route, uav m

11、ission planning visual simulation module can simulation experiment was carried out on the route, a feasibility analysis, supplement each other after such a gradual process, can ultimately make most needed to route.II- Studied a variety of design patterns in the application of uav mission planning so

12、ftware. Overall program design of the software architecture and mission planning human-computer interaction interface. Control of auxiliary planning such as space object range, irregular area area measurement algorithm is studied.In this thesis, the development system in XX uav mission planning engi

13、neering application were obtained. System provides the friendly man-machine interface, give full play to the ability of analysis and the calculation of computer, the uav mission planning is simple and efficient, has a strong engineering practical significance.Keywords:Missionplanning,Human-computeri

14、nteraction,Three-dimensional modeling, Virtual viewV目录目 录第一章 绪 论11.1 研究工作的背景与意义11.2 国内外研究历史与现状41.3 研究目标和主要研究内容61.3.1 论文研究目标61.3.2 主要研究内容71.4 本文的主要贡献与创新8第二章 系统需求分析及总体设计102.1 系统需求分析102.1.1 系统功能要求102.1.2 软件开发要求112.2 系统总体设计122.2.1 无人机任务规划方法设计122.2.2 系统流程分析122.2.3 软件架构设计132.2.4 用户界面设计152.3 本章小结16第三章 无人机任

15、务规划对象三维建模研究173.1 系统的三维建模173.1.1 无人机任务规划对象要素模型173.1.2 三维视景渲染建模流程173.2 战场环境对象建模183.3 航迹对象建模223.4 飞行对象建模243.4.1 无人机模型构建和加载243.4.2 飞行数字仪表建模263.5 本章小结30第四章 无人机三维任务规划软件设计与实现314.1 基于三维建模的无人机任务规划系统设计314.1.1 基于三维建模的规划流程分析314.1.2 任务规划软件数据交换系统设计334.2 空间对象测绘算法的研究与实现334.2.1 三维空间坐标转换算法334.2.2 空间两点飞行距离计算344.2.3 空间

16、不规则禁飞区面积计算374.2.4 航迹高程分析384.3 三维任务规划过程设计与实现404.3.1 战场环境对象配置404.3.2 任务段、载荷配置434.3.3 无人机三维任务规划464.4 辅助规划设计484.4.1 属性窗数据管理494.4.2 系统状态监控514.4.3 辅助规划选项534.5 本章小结54第五章 系统测试及结果分析555.1 系统评价标准555.2 测试流程和方法565.3 测试过程及结果分析575.3.1 系统子模块测试575.3.2 航迹规划整体测试595.3.3 结果分析615.4 本章小结61第六章 总结与展望626.1 全文总结626.2 后续工作展望63

17、致 谢64参考文献65第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 研究工作的背景与意义无人机通俗来讲，就是无人驾驶的飞机，通常是指地面站通过无线电遥控设 备和无人机自带的控制装置来进行控制的不载人飞机。无人机上没有载人飞机上 装有的驾驶舱，无人机一般是通过自动驾驶仪、以及地面控制站的程序控制装置 来进行任务的执行。地面站可以设在很多地方，比如地面、航母甚至潜艇上。地 面站通过无线电、雷达等设备对无人机进行定位、跟踪，实时控制。目前无人机 应用十分广泛，在生活、学习、军事活动中都有体现。尤其是在军事活动中，例 如监控、中继通信、电磁干扰等。无人机由于其自身众多优点，目前被广泛运营与战争中，首先无人机速度

18、快、 体型小，所以隐身特性很好，程序控制的准确定保证了其攻击失误很小，而且由 于无人驾驶，所以无人机即时在战争任务中失事也不会造成人员伤亡1。这些都为 无人机战争任务的执行提供了很大的便利。不过无人机由于其无人驾驶特性，所 以无人机在执行任务之前必须要进行无人机任务规划。图 1-1 无人机无人机任务规划顾名思义就是指在无人机执行任务之前对其飞行航路、任务 载荷等要素统一规划的过程，其最主要的根据无人机相关参数和任务要求求得一 条最最佳的飞行航路，以达到任务完成的同时效率最高、最安全又能充分发挥无 人机作用的目的。无人机任务规划可以分为很多种，按照规划时间来分，无人机 任务规划可以分为提前任务规

19、划和飞行过程中实时任务规划，提前规划顾名思义 就是指无人机在起飞之前就根据任务需求制定好任务规划的细节，制定一套完整 的规划。而实时任务规划是当前的热点和难点，实时规划与提前规划相对应，是66电子科技大学硕士学位论文指在无人机任务执行过程中，根据无人机周围地形环境、气候环境、敌方威胁等 综合因素实时的制定当前的任务规划细节。细节包括了对已规划好的任务的修改 和紧急处理预案规划等。而从层次功能上来划分，无人机任务规划又可以分为系 统保障、数据链路的规划、紧急预案规划等多个方面。无人机任务规划要保证无 人机在执行任务过程中实现资源分配、轨迹导向、任务载荷变化等任务，如果战 场情况发生变化，系统要根

20、据无人机任务规划的结果给出相应的处理。任务规划首先要对战术目标进行高级的任务分析，并根据地形的数据威胁数 据、气象数据、任务的内容等信息，提出对当前无人机和地面站以及数据链的需 求，并根据各种情况求出最优航路。对无人机的需求状况包括了机场维度信息， 任务载荷的类型、数量、分辨率，目标区域的地理信息、携带消耗油量等。而对 地面站和数据链的需求则包括了位置信息、频率信息、中继信息等。然后进行高 级任务规划，并给出任务指令，从而由单机轨迹规划器进行任务规划求最优航路。 飞行任务的任务规划包括了：飞行任务单信息、机场配置单信息、飞行器配置信 息、测控地面站配置信息。这是在统一的飞行任务规划下进行的无人

21、机单机规划。 单机规划的结果需要包括：目标区信息、载荷配置情况、携油量多少、航路航点 位置等。整个过程首先通过任务确定目标是什么、再根据目标信息库、载荷配置 情况、单机还是多机协同的情况实现目标的分配以及权重不同的目标分配；如果 是要求目标区域，还必须要进行区域算法等相关算法设计从而最终确定飞行航路； 然后还要查找无人机构型飞行性能表信息，并选取典型起飞着陆的剖面以及起降 机场等信息，共同生成完整的飞行航路规划全过程。无人机三维任务规划软件系统视景仿真是指无人机任务规划过程场景通过虚 拟现实技术真实再现，视景仿真的目的首先是让现实场景可视化，并于虚拟场景 仿真互动。基于虚拟现实技术的视景仿真技

22、术在目前得到了广泛的使用，由于其 本身对逼真性、精确性等要求很高所以在实现的时候会涉及到方方面面的技术背 景，例如计算机图形学用来处理显示场景所生成的图片文件2。三维视景仿真应用 广泛，但是它涉及到的技术非常的多，例如计算机图形学可以用来再现真实场景， 图像处理亦然，而模式识别也可以运用到三维视景仿真中来，另外网络技术、控 制动力学、高速运算的计算机技术、计算机多核并行处理等相关的技术也在三维 视景仿真技术中得到了比较广泛的运用2。当然，三维视景仿真技术牵扯的范围比 较广，但是它能够在现实生活用到的方向也很多。比如，技术人员可以运用城市 仿真技术再现城市生态环境、可以在模拟飞行训练中体验真实的

23、飞行场景、可以 在工程漫游中运用，当然了，在现环境下多数很多娱乐游戏都是基于三维视景的， 人们可以在 3D 游戏享受生活的乐趣。因此，本文在无人机任务规化过程六自由度第一章 绪 论仿真的时候就用到了视景仿真技术。在对对无人机任务规划全过程进行六自由度 视景仿真时须构建一个视景仿真显示平台，它能够融入到无人机三维任务规划软 件的体系当中，成为其任务规划过程的最后一部分。我们可以在这个平台之上， 完成规划好的最有航路的展示，虚拟战场环境比如禁飞区、机场、迫降场等的展 示，任务关键区域的展示比如任务点、任务段的展示，无人机任务规划飞行过程 六自由度全方位多角度立体展示，地面站在控制无人机时所需要的参

24、数如经纬高 数据、旋转角度数据、剩余路程、油量的展示等等与无人机任务规划过程相关的 场景的展示。本课题来源于与某航空单位合作的国家重点型号无人机 XX 研发项目,该型号 无人机是目前国内飞行性能最好的顶级无人机之一，能够执行超远距离侦查，测 控等任务。任务规划作为无人机项目重点组成部分，目前任务规划算法只能通过 国内顶级行任务规划法工程师根据当前的战区环境、无人机机性能等因素计算并 通过 Matlab 仿真验证，过程及其复杂。而且无人机在交予军方后，军队自身无法 自行根据最新的战区情况进行行任务规划。所以根据任务规划组要求，针对军方 设计一款能够通过界面化操作实现战区环境配置，航路规划等功能的

25、 3D 任务规划 软件。在无人机应用和发展技术日新月异的今天，无人机任务也越发重要，目前规 划算法也越来越成熟，但是与之相匹配的无人机三维任务规划软件却相对落后， 首先任务规划算法不成系统，每次任务规划时都需要重新计算，再者仿真手段非 常单一，大都是通过 Matlab 对规划好的算法进行仿真，仿真大都是二维视图，缺 乏直观性，而且对于目标区、危险区等关键区域的建模非常复杂，所以针对以上 提出的问题，无人机三维任务规划软件做了相对应的改进。无人机三维任务规划软件以 visualstudio2008 为开发平台，采用基于模块通信 的中介者设计模式，将任务规划算法集成、关键区域建模（战场环境配置）、

26、任务 规划过程、任务规划三维视景仿真等多项功能集中予以实现，对当前无人机任务 规划提供了极大的方便。无人机三维任务规划软件系统从功能上分主要包含如下：战区环境配置系统 包括：机场、禁飞区、迫降场、测控区等因素的创建、修改、删除以及与之对应 的 3D 模型显示及其他管理；航路要素配置系统包括：无人机机型选择、任务载荷 选择、起降机场设置、任务点任务段设置修改等；任务规划算法动态链接库可以 通过输入战区环境及航路配置进行任务规划，生成最优航路飞行数据包；六自由 度仿真系统能够解析任务规划生成的飞行数据包，并将最优航路以及组成航路的 任务点任务段等元素分别进行静态和动态 3D 显示；动态航路规划系统

27、通过拖动、电子科技大学硕士学位论文点击等键鼠操作实现航路的动态规划，航路根据当前操作实时生成并显示；行路 规划辅助系统包含测距、测面积、气候环境仿真、公路河流等自然环境仿真等功 能。从界面构成上分主要包含如下：快捷键和菜单栏包含了六自由度仿真及辅助 规划等功能选项；对象库主要有机场禁飞区等区域元素、载荷、无人机、载机相 关功能选项；任务框主要包含了(多条)航路的组成元素及其功能选项；3D 显示窗 主要用于 3D 模型如机场、禁飞区、以及航路等模型的显示；属性窗负责显示以及 修改对象库以及任务框的组成元素的属性；状态栏能够对当前操作以及操作的完 成情况进行说明，便于修改规划中的错误。通过以上功能

28、可以看出，该软件可以自行配置战场环境，设置飞行参数，并 通过行路规划算法动态链接库生成所需的飞行数据包，并对飞行数据包进行仿真 飞行试验。有效提高了行路规划的效率，使规划过程更加形象易操作。对于无人 机任务规划提供了极大的方便。1.2 国内外研究历史与现状无人机的所有飞行参数都需要通过链路传回到地面控制站进行显示，在地面 控制站中会有技术人员对六自由度等飞行参数进行监控分析，并在无人机的参数 传回地面后通过各种方式呈现出来3。目前我们的主要方式是直接把参数用二维数字的方式显示出来，这种数字型 的显示方式不能直观的反应出整个飞行状况，而且随着无人机的长时间飞行，大 量的数据可能会导致指挥控制站中

29、的技术人员视觉疲劳，给飞行安全带来很大的 隐患。计算机的发展已经越偏向小型化，但是计算机的性能却越来越高，随着计 算机软硬件技术的不断发展，国内外基于计算机海量处理能力的视景仿真技术也 发展越来越快，各种三维视景仿真技术问世，他的主要目的就是让我们可以观察 到现实生活中不太容易见到或者很难在眼前发生的场景，这种重现是通过一直三 维可视化的方式来实现。并且要求在场景重现的过程中要保持虚拟场景和真实场 景的一致性，准确性。三维视景仿真的好处就是可以使人们在花费比较小的情况 下就能够观察到在现实世界中需要很大代价才能完成的事情。视景仿真功能巨大， 但是要求也极高，他是一个复杂而又庞大的信息处理系统，

30、但是它涉及到的技术 非常的多，例如计算机图形学可以用来再现真实场景，图像处理亦然，而模式识 别也可以运用到三维视景仿真中来，另外网络技术、控制动力学、高速运算的计 算机技术、计算机多核并行处理等相关的技术也在三维视景仿真技术中得到了比 较广泛的运用，与之相对应他的用处也相当广泛，例如在航空航天、远洋测绘、第一章 绪 论制造控制、医疗检测、军事演习仿真以及各种模拟培训等各个领域视景仿真技术 都得到了广泛的应用。无人机三维任务规划软件所包含的六自由度飞行仿真系统，能使将飞行中的 无人机的飞行参数、飞行姿态、任务载荷状态、耗油情况等各个方面用图形化的 方式展现在任务规划人员的面前，任务规划人员因此能

31、够轻易的对无人机的飞行 态势进行整体准确的把握，当然，为了实现无人机任务规划过程中的六自由度仿 真，我们需要运用计算机网络知识、计算机图形知识、人工智能知识、数学知识 等多学科的知识。我们可以利用视景仿真技术实现虚拟战场环境的的建模、无人 机六自由度数据的获取和控制、实时空中探测信息以及威胁信息的三维方式显示、 任务规划航路的三维方式显示，从而逼真的显示无人机飞行的全过程，为无人机 任务规划人员研究和控制无人机飞行运动过程，制定出切实有效的最佳任务航路， 并提供直观易懂的操作界面。无人机任务规划系统视景仿真模块是把虚拟仿真技术与传统的任务规划功能 相结合，从而可以使规划人员不仅仅对当前无人机现

32、有的六自由度飞行的状态实 时了解，还可以对无人机即将要飞行的既定航路、周围飞行环境、可能遇到的飞 行威胁以及无人机上所携带的载荷系统的工作情况等进行全面的三维视景仿真。 无人机任务规划仿真系统不仅能显示规划好的航路4，并对在该航路上飞行的无人 机与周围地形进行碰撞检测，也对可能发生的坠机事件等意外情况提前告警，还 可以对任务规划过程中预定出现的威胁信息、可能出现的威胁信息进行提前的告 警，并要求系统重新进行任务规划并求出最佳航路。通过航路制定，无人机任务 规划视景仿真模块可以对制动好的航路进行仿真实验，并作出可行性分析，如果 在仿真过程中出现危险，可以对无人机进行提前警示，任务规划人员就可以根

33、据 出现的危险对任务进行修改或者重新规划。经过这样一个相辅相成循序渐进的过 程，就可以最终生成所需要的最有航路。同时还可以通过精确的规划最大发挥无 人机的作用，保证无人机完美完成任务。以色列在无人机任务规划方面做的工作比较完善，即使缺少专业的任务规划 算法工程师，控制无人机的军方可以通过手动战场环境配置，飞行参数设置能够 通过调用事先生成的任务规划算法库生成所需的飞行数据包，并对飞行数据包进 行仿真飞行试验。以色列向俄罗斯出售的“I-ViewMK150”型战术无人驾驶机和“探 索者 MK.II”型多用途无人驾驶机任务规划采用的就是这种规划方式。与国外相比，中国目前缺少能构兼容各种型号无人机的任

34、务规划软件。常见 的任务规划方式是任务规划算法工程师根据强实时规划算法或者弱实时规划算法 计算得到某特定型号无人机任务规划方案，并在 Matlab 上对算法各个模块进行仿电子科技大学硕士学位论文真实验。在任务规划算法工程师和实际控制无人机的空军人员之间缺少良好的沟 通桥梁。中航工业某飞机设计研究所研发的任务规划算法服务器通过集成任务规划算 法库实现了能够根据输入要求的战区环境、航路组成等参数生成最优航路的功能， 但是生成的航路仍然无法进行实时具体仿真，仿真需要在算法完成时就进行。而 国内西安高校开发的行路规划实时仿真软件现阶段是基于 2D 成像。综上所述，基于 3D 成像，能够同时完成战区环境

35、配，航路规划并能够进行实 时仿真的任务规划软件在国内少之又少，而能够同时兼容各种机型无人机的任务 规划软件更是没有。1.3 研究目标和主要研究内容1.3.1 论文研究目标针对当前无人机任务规划过程复杂、仿真单一的现状，本论文的研究目标是 开发一套能够通过人机交互的方式在三维视景环境下进行无人机任务规划的软件 系统。具体实现目标是软件能够首先将计算好的任务规划算法封装成库，然后通 过机场、禁飞区等战场环境的三维视景建模并对模型数据进行配置，然后对任务 点、任务段、载荷等任务要素进行建模和数据配置，调用任务规划算法动态链接 库对所有对象模型参数输入进行任务规划计算，最后对规划结果进行仿真。研究目标

36、主要分为三大块：建立机场、禁飞区、无人机、载机、载荷、任务 点、任务段等对象进行三维视景模型体系并保存相应的对象数据；利用三维视景 与无人机任务规划相结合的方式进行三维视景环境下的任务规划；设计友好的人 机交互界面，提供用来任务规划操作的界面。虚拟机视景环境下进行任务规化的模式完整的机场禁飞区无人机等模型管理系统友好的任务规化人机交互界面研 究 目 标图 1-2 软件目标图第一章 绪 论战场环境配置和任务要素配置要告别之前繁琐不宜懂得数据形式，改为具体 的模型表现形式，将任务规划算法封装直接通过接口计算节省任务规划算法设计 时间，三维仿真改进以前的二维数字仿真模式，使整个无人机任务规划过程变得

37、 更加简单直观容易上手。任务规划过程界面化使得任务规划门槛降低，不懂任务 规划算法的人（军方人员）也能进行任务规划；帮助任务规划算法工程师进行三 维验证、仿真和展示；具体实现目标实现如下所示：表 1-1 软件具体目标目标方向对象三维模型系统人机交互界面三维视景下任务规划整体目标建立对象三维模型系 统人机交互方式，操作 实现任务规划过程构建任务规划三维仿 真环境功能目标机场、禁飞区、任务 点等对象建模显示一系列实现三维规划 整体过程模拟三维任务规划环 境性能指标模型管理，显示准确界面操作无 BUG仿真准确、速度快1.3.2 主要研究内容无人机三维任务规划软件根据研究目标制订了很多研究内容，首先是

38、三维视 景下无人机、载荷、禁飞区、机场等模型的构建。其次是任务点、任务段等数据 模型的构建。另外要结合虚拟视景和任务规划的特点设计虚拟视景下进行无人机 任务规划的整体流程，包括虚拟仿真技术与任务规划算法相融合，将任务规划算 法封装调用节省计算时间；援引对象模型进行任务规划生成最优航迹等规划结果； 通过三维仿真对于任务规划结果进行验证和修改。最后是人机交互界面的设计， 通过构建人性化的人机交互界面操作来实现无人机任务规划所有流程。人机交互 设计主要是设计能够与无人机三维任务规划相对应的功能选项，使之通过一系列 的操作实现对象配置、任务规划、任务仿真以及其他辅助设计功能界面。综上所 述主要研究内容

39、如下图所示：电子科技大学硕士学位论文仪表建模机场、禁飞区、迫降场等 建模无人机实时建模航线建模任务规划算法封装调用援引模型数据建立仿真体 系利用三维仿真结果验证修 改软件架构搭建（多种设计 模式设计）人机交互界面构建测距、测面积等功能控件 设计实现研 究 内 容虚拟视景仿真在无人 机任务规划中的应用人机交互实现任务规 划三维建模方法图 1-3 论文研究内容1.4 本文的主要贡献与创新无人机三维任务规划软件的创新点在于采用了虚拟视景与任务规划相结合的 方式对原来的无人机任务规划方式进行了改进，另外为任务规划过程添加了人性 化的人机交互操作界面。三维视景下可以进行机场、禁飞区、迫降场等战场环境 对

40、象建模，任务点、任务段建模。任务规划算法封装成库，通过实时调用省去了 任务规划算法每次计算的时间，提高了任务规划效率。三维视景仿真可以对无人 机任务规划结果进行仿真、修改。无人机三维任务规划软件采用了很多新技术、新资源，并通过技术和资源的 重新整合为无人机任务规划过程增添了很多实用的功能，比如战场环境配置、任 务要素配置、动态任务规划等。从技术方面来讲：无人机三维任务规划软件采用 了多种设计模式，使得程序框架明确，各个模块之间通信井然有序，各个模块合 理分工共同完成无人机任务规划的全部过程；采用了 EV-Globe 三维显示平台，搭 建了三维视景仿真环境；通过动态链接库封装无人机任务规划算法并

41、提供了调用 接口，使得算法可重复使用，减少不必要的反复计算。在无人机三维任务规划软件设计与实现的过程中，本人提出很多新的理论和 方法，比如全新的无人机任务规划模式告别了之前无休止的计算和 MATLAB 仿真 的模式，其次针对所有规划类软件提供了可以复制的界面设计和架构设计经验，第一章 绪 论再次在无人机三维任务规划软件设计过程中使用到的算法给出了集中的实现比如 坐标转换算法、距离计算、面积计算等，最后是给出了三维仿真的整个实现流程 和所有算法。为以后的仿真工作提供了经验。通过以上可以看出，无人机三维任 务规划软件在无人机任务规划系统工作模式和任务规划过程的各个功能上都有了 理论和工程上的贡献和

42、创新点，与目前国内多数任务规划软件相比功能更加多元 化，模式更加新颖，使用也更加容易方便。本人负责从需求分析、模块设计、界 面设计、完成代码、后期提交等事宜。电子科技大学硕士学位论文第二章 系统需求分析及总体设计无人机三维任务规划软件系统的设计和实现，经历了设计需求取证分析、系 统理论研究、模块设计、模块实现、版本审核等多个过程。软件系统主要是为了 通过人机交互的方式在三维视景环境下进行任务规划的整体流程。需要研究三维 建模、虚拟视景仿真的知识，并在规划过程中加以实现。2.1 系统需求分析首先是设计需求取证分析过程，2012 年 11 月进入中航工业 XX 研究所，详细 了解了 XX 型号无人

43、机任务规划的整体流程，通过了解得知当前所使用的规划方 式多是首先计算算法然后通过工具软件进行部分仿真，仿真结果得出飞行包，而 不能将整个规划过程一体化进行。2.1.1 系统功能要求无人机三维任务规划软件系统的功能除了包含二维任务规划软件的基本功 能，还要包括无人机任务规划对象三维建模，三维视景下进行无人机任务规划过 程的所需功能，机场、禁飞区、迫降场、测控区等对象的配置，任务点、任务段 等构成航路的要素的配置、调用任务规划算法动态链接库进行任务规划，对任务 规划结果进行三维仿真。这些操作的实现都是依靠人机交互界面的载体来实现的， 所以必须设计一套人性化的人机交互操作界面，通过一系列的操作来实现

44、无人机 三维任务规划的整体流程。根据上述三个整体的目标，在进行目标分析的过程中根据需求还要设计子目 标，主要是针对每一个目标模块实现时的指标的分析。每一个功能模块都有自己 的实现目标具体功能指标如下所示：三维任务规划对象建模：机场、禁飞区等任务规划对象建模；模型显示与底层数据系统一一对应，例如显示位置与经纬高数据对应；三维模型建立显示时间必须小于 0.2S;三维视景下进行任务规划实现二维任务规划的功能；根据三维任务规划的特点增加三维模型构建、三维视景仿真的功能； 无人机任务规划人机交互界面界面美观，提供所有功能选项;第二章 系统需求分析及总体设计系统功能分解任务规 划对象 建模人机交 互界面

45、实现规 划过程三维视 景仿真操作简单，反应时间快。机 场禁 飞 区任 务 段无 人 机 规 划 流 程 界 面 实 现 无人 机仿 真 飞行 特性 仿真图 2-1 系统功能分解2.1.2 软件开发要求从任务规划软件设计分析可知，软件需要大量的人机交互界面化操作，而且 3D 显示所必需的 EV-Globe 平台插件提供的又是 C#接口，所以选用.NET 的高级开 发语言 C#作为主要设计语言。而由于任务规划软件系统分为了五个独立的模块， 在界面设计时采用 Dockpanel 联系各个模块窗口(内部联系是通过中介者设计模式 进行)。具体的开发研究如下所示：表 2-1 任务规划软件设计要素主要设计语

46、言C#、C+主要设计平台VS2008应用插件EV-Globe、Dockpanel软件架构多线程、中介者设计模式规划算法来源任务规划算法动态链接库电子科技大学硕士学位论文2.2 系统总体设计无人机三维任务规划软件以 c#为设计语言，以 visualstudio2008 为主要开发平 台，采用基于模块通信的中介者设计模式，通过 EV-Globe3D 开发平台，在.NET 窗体工程下完成设计。软件主窗口分为六部分，各个部分通过插件 Dockpanel 串联， 六个部分分别对应一个模块对象，模块之间通过中介者设计模式进行通信。2.2.1 无人机任务规划方法设计从上述设计中可以看出无人机三维任务规划软件

47、将原来的 任务规划算法设 计-Matlab 仿真模式-规划结果论证 的方式改为了全新的在一个软件体系下能够 进行参数配置-任务规划-任务仿真-任务结果论证 的新体系。目标是改进了以 前的任务规划模式，使得满足非专业任务规划人员能够在脱离任务规划算法(封装 成库，可直接调用)的前提下进行任务规划，也可以帮助专业的任务规划算法工程 师对自己设计的算法进行算法结果验证、结果仿真和论证,其流程如图 2-2 所：将任务规划结果六自由度仿真配置战场环境对象（机场禁飞区）参数配置 使对象三维可视配置任务要素（无人机型，载荷类型）参数配置 使对象三维可视调用任务规划算法动态链接库将任务规划算法封装成库图 2-2 三维视景下的任务规划方式2.2.