第11卷第2期 智能系统学报 Vol.11 No.2 2016年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2016 D0I:10.11992/is.201508014 网络出版地址：htp:/www.cmki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20160315.1252.022.html 有人/无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 李一波，王仓库，姬晓飞 (沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳110136) 摘要：针对未来有人/无人机混合编队的作战模式和增强三维可视化虚拟实现效果的需求，设计了在某无人机真 实的Simulink模型的基础上结合FlightGear和MFC的有人/无人机编队三维可视化系统。系统充分利用FlightGear 的强大视景系统、MATLAB-Simulink快速解算控制算法的能力、MFC开发的应用程序以及各个功能模块结构化，使得 三维可视化系统的飞行数据和飞行视景具有时序性、可视性，各模拟模块可以根据不同的需求进行更改、升级和替 代。经过多次仿真实验，该系统占用资源少，实现了有人/无人机混合编队的编队飞行和空战演示的整个过程的三 维可视化显示，具有很好的三维可视化效果，达到了有人无人机编队三维可视化系统项目的要求。 关键词：模块化：有人V无人机编队：三维可视化系统：虚拟现实；FlightGear:Simulink 中图分类号：V279:TP311文献标志码：A文章编号：1673-4785(2016)02-0272-07 中文引用格式：李一波，王仓库，姬晓飞.有人/无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现[J].智能系统学报，2016,11(2)： 272-278. 英文引用格式：LI Yibo,WANG Cangku,JI Xiaofei..Design and implementation of manned/.unmanned aircraft formations in3D visualization[J].CAAI transactions on intelligent systems,2016,11(2):272-278. Design and implementation of manned/unmanned aircraft formations in 3D visualization LI Yibo,WANG Cangku,JI Xiaofei (School of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China) Abstract:For future war modes requiring cooperative engagements that mix manned aircrafts with unmanned auto- motive vehicles (UAVs)and for enhancing the 3D visualized virtual realization effect,a manned/unmanned aircraft formation 3D visualization system based on Simulink model,FlightGear,and MFC was designed.The system makes full use of FlightGear's powerful visual system,the control algorithm's fast calculating ability on MATLAB Simu- link,the application procedure developed by MFC,and the structuring of each functional module to make the flight data and flight vision sequential and visible and to enable each simulation module to be renewable,updatable,and exchangeable.Numerous simulation experiments indicate that this system requires a small amount of resources to implement a series of 3D visual displays of the entire process,including formation flight simulation,air combat demonstrations,weather conditions,and geographical environments.The system has a good 3D visualization effect and satisfies the requirements for a 3D visualization system for manned/unmanned aircraft formations. Keywords:modulation;manned/unmanned aircraft formation;3D visualization system;VR;FlightGear;Simu- link 有人机作为长机带领有人和无人机的混合编队 收稿日期：2015-08-14.网络出版日期：2016-03-15. 飞行不仅将使系统的综合效能和任务执行时的冗余 基金项目：辽宁省教育厅科技研究项目(L201406):辽宁省高等学校优性能得到大幅提升，而且弥补了单纯无人机编队对 秀人才支持计划项目(LJQ2014018). 通信作者：王仓库.E-mail:13354247128@163.com 复杂环境识别和判断失误等方面的不足，成为有人/
第 １１ 卷第 ２ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１１ №．２ ２０１６ 年 ４ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｒ． ２０１６ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１５０８０１４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１６０３１５．１２５２．０２２．ｈｔｍｌ 有人 ／ 无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 李一波，王仓库，姬晓飞 （沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁 沈阳 １１０１３６） 摘 要：针对未来有人／ 无人机混合编队的作战模式和增强三维可视化虚拟实现效果的需求，设计了在某无人机真 实的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 模型的基础上结合 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 和 ＭＦＣ 的有人／ 无人机编队三维可视化系统。 系统充分利用 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 的强大视景系统、ＭＡＴＬＡＢ⁃Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 快速解算控制算法的能力、ＭＦＣ 开发的应用程序以及各个功能模块结构化，使得 三维可视化系统的飞行数据和飞行视景具有时序性、可视性，各模拟模块可以根据不同的需求进行更改、升级和替 代。 经过多次仿真实验，该系统占用资源少，实现了有人／ 无人机混合编队的编队飞行和空战演示的整个过程的三 维可视化显示，具有很好的三维可视化效果，达到了有人／ 无人机编队三维可视化系统项目的要求。 关键词：模块化；有人／ 无人机编队；三维可视化系统；虚拟现实；ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中图分类号： Ｖ２７９；ＴＰ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１６）０２⁃０２７２⁃０７ 中文引用格式：李一波，王仓库，姬晓飞． 有人／ 无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现［ Ｊ］． 智能系统学报， ２０１６， １１（ ２）： ２７２⁃２７８． 英文引用格式：ＬＩ Ｙｉｂｏ， ＷＡＮＧ Ｃａｎｇｋｕ， ＪＩ Ｘｉａｏｆｅｉ． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｎｅｄ ／ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｉｎ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１６， １１（２）： ２７２⁃２７８． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｎｅｄ ／ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｉｎ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ＬＩ Ｙｉｂｏ， ＷＡＮＧ Ｃａｎｇｋｕ， ＪＩ Ｘｉａｏｆｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１３６， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｗａｒ ｍｏｄｅｓ ｒｅｑｕｉｒｉｎｇ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔｓ ｔｈａｔ ｍｉｘ ｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔｓ ｗｉｔｈ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｕｔｏ⁃ ｍｏｔｉｖｅ ｖｅｈｉｃｌｅｓ （ＵＡＶｓ） ａｎｄ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ， ａ ｍａｎｎｅｄ ／ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｍｏｄｅｌ， ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ， ａｎｄ ＭＦＣ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｋｅｓ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ′ｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ′ｓ ｆａｓｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ Ｓｉｍｕ⁃ ｌｉｎｋ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ＭＦＣ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｅａｃｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｄａｔａ ａｎｄ ｆｌｉｇｈｔ ｖｉｓｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｅａｃｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｔｏ ｂｅ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ， ｕｐｄａｔａｂｌｅ， ａｎｄ ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ． Ｎｕｍｅｒｏｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ａ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌ ｄｉｓｐｌａｙｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｉｇｈｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ａｉｒ ｃｏｍｂａｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｓ， ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ａｎｄ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ａ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍａｎｎｅｄ ／ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ； ｍａｎｎｅｄ ／ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； ＶＲ； ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ； Ｓｉｍｕ⁃ ｌｉｎｋ 收稿日期：２０１５⁃０８⁃１４． 网络出版日期：２０１６⁃０３⁃１５． 基金项目：辽宁省教育厅科技研究项目（Ｌ２０１４０６６）；辽宁省高等学校优 秀人才支持计划项目（ＬＪＱ２０１４０１８）． 通信作者：王仓库．Ｅ⁃ｍａｉｌ：１３３５４２４７１２８＠ １６３．ｃｏｍ． 有人机作为长机带领有人和无人机的混合编队 飞行不仅将使系统的综合效能和任务执行时的冗余 性能得到大幅提升，而且弥补了单纯无人机编队对 复杂环境识别和判断失误等方面的不足，成为有人／
第2期 李一波，等：有人无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 ·273· 无人机混合编队及其应用技术发展的研究新热点 中相关的技术提供了有效的验证平台。 目前在编队队形控制、协同作战、信息交互处理以及 1 具体实现验证等多方面已经开展了广泛的研究。随 可视化系统软件 着研究的不断深入，设定的系统运行环境和编队模 1.1功能需求分析 型的相异性，对验证研究理论的方法和验证手段带 混合编队可视化系统包含单机控制、编队队形 来了更大的困难，由于实体验证需要完备的工程设 保持控制[)、编队队形变换控制、数据通信传输控 计，大量的验证工作，人力资源的浪费，工作的耗时， 制、避障控制、任务分配以及攻击占位控制等，为了 以及昂贵的实验仪器和物质消耗，因此虚拟仿真验 验证这一系列的综合效果，系统必须具有以下几点 证作为一种灵活、低耗的验证方法适用于大多数的 功能： 理论性预研研究14 1)地面站控制指令； 目前有人/无人机编队飞行的虚拟仿真实验平台 2)有人机的任务端指令； 设计与实现方面的取得了一定的研究进展s],Ras 3)编队中控制器的输入输出； mussend等结合MATLAB和VC实现了无人机编 4)编队中避障控制器的输入输出； 队航迹规划过程中的自主避障的仿真，采用MATLAB 5)编队中队形保持和队形变换控制器输入输出。 快速的解算能力和VC设计的操作平台使无人机编 此外，为使得混合编队可视化系统具有系统逻 队在航迹规划过程中达到了很好的避障效果，但是避 辑封装性好、扩展性强、性能稳定、易于维护的特点， 障过程不能够实现三维可视化的呈现并且可视化过 在设计系统时应当充分采用结构模块化、分散控制 程中不能添加指令，占用资源多：Wei等[]构建了一 方式、独立化以及通用化接口设计。 种FlightGear、VC++平台和MFC框架结合的可视化 1.2系统结构设计 仿真平台，利用FlightGear强大视景显示功能和 为了适应未来编队飞行控制技术要求，以系统 MFC设计的操作界面实现了在仿真过程中可以添 结构模块化设计思想为指导，将混合编队可视化系 加指令，同时也具有很好的可视化仿真效果，但是基 统分为人机交互和控制部分。系统的总体架构如图 于FlightGear飞机模型解算速度比较慢，不能达到 1所示。 可视化效果的实时性，且占用资源多：应进等)综 人机交互部分包括： 合应用MATLAB/Simulink、FlightGear设计并实现了 1)可视化视景模块：通过FlightGear软件视景 一个在MATLAB环境下基于FlightGear视景的直升 将各有人机、无人机飞行的状态实时地反映于虚拟 机飞控仿真平台，利用MATLAB/Simulink快速的解 3D场景中，将立体展示了有人/无人协同编队飞行 算能力和FlightGear强大视景显示功能实现了直升 的整个飞行场景，增加用户的沉浸感，达到了人机交 机仿真的三维实时可视化显示，但没有设计仿真系 互、实时可视化的效果，输入为对应当前时刻各架飞 统操作平台界面，不能在仿真过程中添加指令且占 机的飞行信息，输出为3D场景渲染图形图像： 用资源多：李文皓等]提出了模块化结构的无人机 2)界面交互模块：为了方便研究人员在控制过 编队飞行仿真实验平台，使系统占用资源小，但是系 程中添加指令和干预系统的进程，可以通过界面完 统可视化场景单一，不能体现起飞、编队和空战整个 成各种操作，包括编队队形的变换，在飞行航迹上添 过程。综上所述，目前有人/无人机编队三维可视化 加空中或者地面威胁，重新设置控制参数等。 系统的研究还不成熟，均不能同时实现三维实时可 控制部分包括： 视化显示和在仿真过程中随机地添加指令的功能。 1)控制器模块：为了使得僚机能够快速跟踪长 为了解决上述问题，提出了运用FlightGear、MAT- 机的飞行航向、高度和速度，同时与长机保持一定的 LAB-Simulink和VC(MFC框架)结合的方法设计有 横向和纵向间距，通过变换控制信号使得间距误差 人/无人机编队三维实时可视化显示的系统，实现了 趋向于零，无论长机是处于平飞或机动状态，任能保 无人机编队整个起飞、编队变换和空战的三维实时 持一定的编队队形，并能满足性能指标。 的可视化效果和随机添加指令的功能。 2)编队队形保持和变换控制模块：通过地面站 该有人/无人机编队三维可视化系统是目前软 或者长机界面的指令集输入期望保持的编队队形参 件结合最为复杂、功能最全面的研究，为有人无人 数，输出编队队形保持的状态指令。 机编队飞行的研究提供了一个预研性的实验工具， 3)编队队形变换控制模块：通过地面站或者长 同时也为未来研究有人/无人机混合编队协同作战 机界面的指令集输入期望变换的编队队形参数，输
无人机混合编队及其应用技术发展的研究新热点， 目前在编队队形控制、协同作战、信息交互处理以及 具体实现验证等多方面已经开展了广泛的研究。 随 着研究的不断深入，设定的系统运行环境和编队模 型的相异性，对验证研究理论的方法和验证手段带 来了更大的困难，由于实体验证需要完备的工程设 计，大量的验证工作，人力资源的浪费，工作的耗时， 以及昂贵的实验仪器和物质消耗，因此虚拟仿真验 证作为一种灵活、低耗的验证方法适用于大多数的 理论性预研研究［１⁃４］ 。 目前有人／ 无人机编队飞行的虚拟仿真实验平台 设计与实现方面的取得了一定的研究进展［５⁃８］ ，Ｒａｓ⁃ ｍｕｓｓｅｎｄ 等［５］结合 ＭＡＴＬＡＢ 和 ＶＣ 实现了无人机编 队航迹规划过程中的自主避障的仿真，采用 ＭＡＴＬＡＢ 快速的解算能力和 ＶＣ 设计的操作平台使无人机编 队在航迹规划过程中达到了很好的避障效果，但是避 障过程不能够实现三维可视化的呈现并且可视化过 程中不能添加指令，占用资源多； Ｗｅｉ 等［６］构建了一 种 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ、ＶＣ＋＋平台和 ＭＦＣ 框架结合的可视化 仿真平台， 利用 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 强大视景显示功能和 ＭＦＣ 设计的操作界面实现了在仿真过程中可以添 加指令，同时也具有很好的可视化仿真效果，但是基 于 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 飞机模型解算速度比较慢，不能达到 可视化效果的实时性，且占用资源多；应进等［７］ 综 合应用 ＭＡＴＬＡＢ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 设计并实现了 一个在 ＭＡＴＬＡＢ 环境下基于 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 视景的直升 机飞控仿真平台，利用 ＭＡＴＬＡＢ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 快速的解 算能力和 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 强大视景显示功能实现了直升 机仿真的三维实时可视化显示，但没有设计仿真系 统操作平台界面，不能在仿真过程中添加指令且占 用资源多；李文皓等［８］ 提出了模块化结构的无人机 编队飞行仿真实验平台，使系统占用资源小，但是系 统可视化场景单一，不能体现起飞、编队和空战整个 过程。 综上所述，目前有人／ 无人机编队三维可视化 系统的研究还不成熟，均不能同时实现三维实时可 视化显示和在仿真过程中随机地添加指令的功能。 为了解决上述问题，提出了运用 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ、ＭＡＴ⁃ ＬＡＢ⁃Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 和 ＶＣ（ＭＦＣ 框架）结合的方法设计有 人／ 无人机编队三维实时可视化显示的系统，实现了 无人机编队整个起飞、编队变换和空战的三维实时 的可视化效果和随机添加指令的功能。 该有人／ 无人机编队三维可视化系统是目前软 件结合最为复杂、功能最全面的研究，为有人／ 无人 机编队飞行的研究提供了一个预研性的实验工具， 同时也为未来研究有人／ 无人机混合编队协同作战 中相关的技术提供了有效的验证平台。 １ 可视化系统软件 １．１ 功能需求分析 混合编队可视化系统包含单机控制、编队队形 保持控制［９］ 、编队队形变换控制、数据通信传输控 制、避障控制、任务分配以及攻击占位控制等，为了 验证这一系列的综合效果，系统必须具有以下几点 功能： １）地面站控制指令； ２）有人机的任务端指令； ３）编队中控制器的输入输出； ４）编队中避障控制器的输入输出； ５）编队中队形保持和队形变换控制器输入输出。 此外，为使得混合编队可视化系统具有系统逻 辑封装性好、扩展性强、性能稳定、易于维护的特点， 在设计系统时应当充分采用结构模块化、分散控制 方式、独立化以及通用化接口设计。 １．２ 系统结构设计 为了适应未来编队飞行控制技术要求，以系统 结构模块化设计思想为指导，将混合编队可视化系 统分为人机交互和控制部分。 系统的总体架构如图 １ 所示。 人机交互部分包括： １）可视化视景模块：通过 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 软件视景 将各有人机、无人机飞行的状态实时地反映于虚拟 ３Ｄ 场景中，将立体展示了有人／ 无人协同编队飞行 的整个飞行场景，增加用户的沉浸感，达到了人机交 互、实时可视化的效果，输入为对应当前时刻各架飞 机的飞行信息，输出为 ３Ｄ 场景渲染图形图像； ２）界面交互模块：为了方便研究人员在控制过 程中添加指令和干预系统的进程，可以通过界面完 成各种操作，包括编队队形的变换，在飞行航迹上添 加空中或者地面威胁，重新设置控制参数等。 控制部分包括： １）控制器模块：为了使得僚机能够快速跟踪长 机的飞行航向、高度和速度，同时与长机保持一定的 横向和纵向间距，通过变换控制信号使得间距误差 趋向于零，无论长机是处于平飞或机动状态，任能保 持一定的编队队形，并能满足性能指标。 ２）编队队形保持和变换控制模块：通过地面站 或者长机界面的指令集输入期望保持的编队队形参 数，输出编队队形保持的状态指令。 ３）编队队形变换控制模块：通过地面站或者长 机界面的指令集输入期望变换的编队队形参数，输 第 ２ 期 李一波，等：有人／ 无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 ·２７３·
.274. 智能系统学报 第11卷 出编队变换的状态指令。 和飞行数据解算，通过在各个模块设置标准的输入 对于由N架飞机组成的编队，各个模块将生成 端口，方便系统中各个算法的修改和变换。 N个独立的模块，编队中各架飞机相互独立的控制 长机 有人机2,3，N 无人机2,3，N 敌机2 动力学 模型 动力 控制器 学模型 模快 控制器 无人机 初 摸块 界面 始化模 长机 界面 初始化 避障控 控器 制模块 文件存储 文 避障控 初始化模块 模块 制模块 控制器模块 件存储模块 块 有人机 模 块 动力学 界面 模型 存储模块 敌机动力学模 文件存储模块 通信 通信 模块 模块 通信模块 通信模块 通信模块 FlightGear 地面站界面 的计算机 无人机 服务器 地面站指令集 外部模型 多视点 地面站 调整模块 可视化视景 图1系统的总体架构 Fig.1 The overall architecture of the system 2系统的实现 2.2 FlightGear三维可视化视景 系统平台设计总的可以分为人机界面、Flight- 由于单纯以OpenGL语句实现系统编队飞行场 Gear三维可视化模块、无人机模型模块、无人机动 景和飞机模型代码量巨大，也不利于针对不同的无 力学系统仿真模型模块和联合仿真。 人机尺寸模型修改，为此采用AC3D软件构建无人 2.1系统界面的实现 机的外部模型，通过编写模型的配置文件将其映射 混合编队可视化系统包含地面站界面、无人机界 至场景中，而后飞行数据通过通信模块传输给 FlightGear仿真模块，驱动无人机模块仿真。由于 面，人机界面如图2所示。采用MFC框架的CFom- FlightGear包括很多子系统，飞行器模块是各个系统 View为基类[)，并通过添加菜单项和添加按钮、地 的综合，接受环境系统和动力学系统的控制，控制结 图、列表框、图片等控件进行开发设计，用以实现数据 果通过三维可视仿真系统进行渲染，通过日志系统 的显示、无人机编队的实时航迹及位置和控制指令的 记录飞行姿态和位置信息，发动机的响动和风声都 输入。人机交互界面主要包含二维电子地图区、编队 由声音/音效系统模拟，大大简化系统开发的复杂度 放大区、数据信息显示区和操作指令控制区。 和周期，而且针对无人机模型不同尺寸和不同的无 人机模型都可以进行相应的修改，使得建立模型与 系统可视化仿真互相独立，增大了系统仿真的扩容 性和模型的可移植性，同时FlightGear各主要组件 都独立于硬件和操作系统，基于FlightGear开发的 三维可视化仿真系统具有较高的可重用性和可扩展 性，能够轻松地在不同操作系统之间移植。此外，通 图2人机界面 过设置变视点和随机全景视，点，使得可以从多角度 Fig.2 The man-machine interface
出编队变换的状态指令。 对于由 Ｎ 架飞机组成的编队，各个模块将生成 Ｎ 个独立的模块，编队中各架飞机相互独立的控制 和飞行数据解算，通过在各个模块设置标准的输入 端口，方便系统中各个算法的修改和变换。 图 １ 系统的总体架构 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ２ 系统的实现 系统平台设计总的可以分为人机界面、Ｆｌｉｇｈｔ⁃ Ｇｅａｒ 三维可视化模块、无人机模型模块、无人机动 力学系统仿真模型模块和联合仿真。 ２．１ 系统界面的实现 混合编队可视化系统包含地面站界面、无人机界 面，人机界面如图 ２ 所示。 采用 ＭＦＣ 框架的 ＣＦｏｒｍ⁃ Ｖｉｅｗ 为基类［９］ ，并通过添加菜单项和添加按钮、地 图、列表框、图片等控件进行开发设计，用以实现数据 的显示、无人机编队的实时航迹及位置和控制指令的 输入。 人机交互界面主要包含二维电子地图区、编队 放大区、数据信息显示区和操作指令控制区。 图 ２ 人机界面 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ２．２ ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 三维可视化视景 由于单纯以 ＯｐｅｎＧＬ 语句实现系统编队飞行场 景和飞机模型代码量巨大，也不利于针对不同的无 人机尺寸模型修改，为此采用 ＡＣ３Ｄ 软件构建无人 机的外部模型，通过编写模型的配置文件将其映射 至场景 中， 而 后 飞 行 数 据 通 过 通 信 模 块 传 输 给 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 仿真模块，驱动无人机模块仿真。 由于 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 包括很多子系统，飞行器模块是各个系统 的综合，接受环境系统和动力学系统的控制，控制结 果通过三维可视仿真系统进行渲染，通过日志系统 记录飞行姿态和位置信息，发动机的响动和风声都 由声音／ 音效系统模拟，大大简化系统开发的复杂度 和周期，而且针对无人机模型不同尺寸和不同的无 人机模型都可以进行相应的修改，使得建立模型与 系统可视化仿真互相独立，增大了系统仿真的扩容 性和模型的可移植性，同时 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 各主要组件 都独立于硬件和操作系统，基于 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 开发的 三维可视化仿真系统具有较高的可重用性和可扩展 性，能够轻松地在不同操作系统之间移植。 此外，通 过设置变视点和随机全景视点，使得可以从多角度、 ·２７４· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷
第2期 李一波，等：有人/无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 .275. 大跨度、多尺距地观察虚拟可视化场景，为操作员的 感官认知带来有利的支撑。其无人机模型制作和场 景多视点观察效果如图3所示。 图4无人机Simulink动力学模型 Fig.4 Simulink dynamic model of UAV 图3无人机模型制作和场景多视点观察效果 2.4仿真的实现 Fig.3 The model production and multi- 启动VC和FlightGear,VC初始化模块对Flight- view observation effect of scene Gear的初始化模块和Simulink模型中的初始化文件 2.3模块化与集成的实现 进行设置，然后将VC的环境设置模块传给FlightGear 为了使得仿真系统具备较强的可扩展性，其各 的环境设置模块，此时，运行控制模块，开始起飞，地 模块都采用UDP通信模式，在不断深入的研究中可 面站界面模块利用UDP网络传输方式（通信模块）将 以在离线的条件下修改对应模块算法而无需对仿真 飞行指令传给僚机任务终端界面模块，根据指令将基 系统内部各个模块进行升级，当仿真系统出现运行 于PD的控制模块解算出的飞行控制数据传=传输 报错或者异常时可通过逐步检查各模块的输入输出 给无人机Simulink动力学模型，飞行控制数据被解算 给予以定位和修复。无人机编队三维可视化系统 为飞行数据，这时飞行数据被分别传送到采用外部数 的内部模块之间存在着相互独立又有数据信息 据驱动的并已载入无人机模型的FlightGear,.驱动 交互性耦合，为了使数据传输能够在独立的情况 FlightGear可视化引擎，生成混合编队的编队飞行、编 下实现数据交互的耦合性，设立了指令集和无人 队巡航和空战的三维可视化显示和界面终端模块，再 次经过飞行控制器和动力学模型解算出下一时刻的 机状态显示集。当地面站利用UDP网络传输方 式将飞行指令传给僚机任务终端，各架僚机之间 各飞机飞行状态并更新状态，完成一次解算轮回，通 实施分散协同控制，同时将基于PID编队队形控 过间歇式的时序驱动系统仿真不断进行解算飞行数 制算法解算的飞行控制数据传输给无人机Simu 据，使得仿真系统的飞行数据具有较高的实时性，实 lik动力学模型，如图4所示，飞行控制数据被解 现了VC(控制模块)一Simulink(自驾仪模块)一 算为飞行数据传输到地面站界面，完成一次解算 FlightGear(飞机模块)三者循环调整数据，系统模块 轮回，同时驱动可视化系统不断更新场景，使得 数据传输如图5所示，控制整个飞机作战系统的飞行 三维可视化显示的实时性更高。 任务，其联合仿真图如图6。 地面站 其他模块 通信模块 B 有人机单元 无人机单元 有人机单元 通信模块 通信模块 棋他 二拉 模封 二形：二 输人输出接口 S- 输人接口人 输入输出接可 AB function R B AB 机 无人机 机 敌机模型 有人机模型 无人机 模刑 Fligh B Gear 动力学 B 视景显示 模型 模 视景显示视 视景显示 图5系统模块数据传输 Fig.5 System data transmission
大跨度、多尺距地观察虚拟可视化场景，为操作员的 感官认知带来有利的支撑。 其无人机模型制作和场 景多视点观察效果如图 ３ 所示。 图 ３ 无人机模型制作和场景多视点观察效果 Ｆｉｇ． ３ Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ⁃ ｖｉｅｗ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｃｅｎｅ ２．３ 模块化与集成的实现 为了使得仿真系统具备较强的可扩展性，其各 模块都采用 ＵＤＰ 通信模式，在不断深入的研究中可 以在离线的条件下修改对应模块算法而无需对仿真 系统内部各个模块进行升级，当仿真系统出现运行 报错或者异常时可通过逐步检查各模块的输入输出 给予以定位和修复。 无人机编队三维可视化系统 的内部模块之间存在着相互独立又有数据信息 交互性耦合，为了使数据传输能够在独立的情况 下实现数据交互的耦合性，设立了指令集和无人 机状态显示集。 当地面站利用 ＵＤＰ 网络传输方 式将飞行指令传给僚机任务终端，各架僚机之间 实施分散协同控制，同时将基于 ＰＩＤ 编队队形控 制算法解算的飞行控制数据传输给无人机 Ｓｉｍｕ⁃ ｌｉｎｋ 动力学模型，如图 ４ 所示，飞行控制数据被解 算为飞行数据传输到地面站界面，完成一次解算 轮回，同时驱动可视化系统不断更新场景，使得 三维可视化显示的实时性更高。 图 ４ 无人机 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 动力学模型 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＵＡＶ ２．４ 仿真的实现 启动 ＶＣ 和 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ，ＶＣ 初始化模块对 Ｆｌｉｇｈｔ⁃ Ｇｅａｒ 的初始化模块和 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 模型中的初始化文件 进行设置，然后将 ＶＣ 的环境设置模块传给 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 的环境设置模块，此时，运行控制模块，开始起飞，地 面站界面模块利用 ＵＤＰ 网络传输方式（通信模块）将 飞行指令传给僚机任务终端界面模块，根据指令将基 于 ＰＩＤ 的控制模块解算出的飞行控制数据传＝传输 给无人机 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 动力学模型，飞行控制数据被解算 为飞行数据，这时飞行数据被分别传送到采用外部数 据驱动的并已载入无人机模型的 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ，驱动 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 可视化引擎，生成混合编队的编队飞行、编 队巡航和空战的三维可视化显示和界面终端模块，再 次经过飞行控制器和动力学模型解算出下一时刻的 各飞机飞行状态并更新状态，完成一次解算轮回，通 过间歇式的时序驱动系统仿真不断进行解算飞行数 据，使得仿真系统的飞行数据具有较高的实时性，实 现了 ＶＣ （控制模块）—Ｓｉｍｕｌｉｎｋ （自驾仪模 块）— ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ（飞机模块）三者循环调整数据，系统模块 数据传输如图 ５ 所示，控制整个飞机作战系统的飞行 任务，其联合仿真图如图 ６。 图 ５ 系统模块数据传输 Ｆｉｇ．５ Ｓｙｓｔｅｍ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ 第 ２ 期 李一波，等：有人／ 无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 ·２７５·
·276· 智能系统学报 第11卷 WC网 Simulink ka[0.(t)-28.(t-2)+0.(t-1)]+0cr(t-1) 初始化 初始化 (5) 对于横向偏差采用位置式PD,其中kpk.ka分 自驾仪 别为横向偏差调节的比例、积分、微分系数，公式为 环境设置 FlightGear 初始化 0-.（)=kpx()）+k∑x.()d业+ 控制模块 0i=0 航向角 府仰 环境设置 高度 kd[x.(t)-x.(t-1)] (6) 角 速度 速度 将长僚机航向偏差经过PD后计算的速度量 显示模块 飞机模块 ωc--r与横向偏差经过PID后计算的速度量wc-.线 图6系统仿真流程图 性组合，最终得到速度控制量ωc为 Fig.6 Simulation flow chart of the system c()=0cr(t）+0e-.() (7) 3基于PD的编队飞行控制 由于无人机飞行滚转角受限，故输入的滚转角 系统采用了经典的PD控制进行编队队形控 要设定在一定范围之内。 制，编队采用长僚模式飞行，由于长机采用航迹跟踪 [30, wc(t)>30 控制，故编队队形协同控制主要是对僚机控制，分为 wc(t)= -30. ωc(t)7 分别为纵向偏差的比例、积分、微分系数，公式为 ψc(t)= -5, ψc(t)280 参数 值 Vc(t)=100, Ve(t)<100 (4) 平均仿真时间 58'12" Ve(t), 其他 平均飞行数据 143.27M 2)航向通道（滚转）：对于长僚机航向偏差采用 仿真数据刷新率 13帧/s 增量式PID,其中kpka、kd分别为长僚机航向偏差 VR帧数 7帧/s 调节的比例、积分、微分系数，计算公式为 系统资源占用度 Cpu26%内存：24M 平均重绘图线 68幅 0cr(t)=kp[0.(t)-0.(t-1)]+ka9.(t)d+ 0
图 ６ 系统仿真流程图 Ｆｉｇ．６ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ３ 基于 ＰＩＤ 的编队飞行控制 系统采用了经典的 ＰＩＤ 控制进行编队队形控 制，编队采用长僚模式飞行，由于长机采用航迹跟踪 控制，故编队队形协同控制主要是对僚机控制，分为 速度通道、航向通道、高度通道，分别对应为速度控 制量、滚转角控制量和俯仰角控制量，并且将各个通 道强制解耦，即每个通道不存在相互影响。 １）速度通道（速度）：对于长僚机速度偏差采用 增量式 ＰＩＤ，其中 ｋｖｐ、ｋｖｉ、ｋｖｄ 分别为长僚机速度偏差 调节的比例、积分、微分系数，计算公式为 ＶＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ） ＝ ｋｖｐ ｖｅ（ｔ） － ｖ [ ｅ（ｔ － １） ] ＋ ｋｖｉ ∫ ｔ ０ ｖｅ（ｔ）ｄｔ ＋ ｋｖｄ ｖｅ（ｔ） － ２ｖｅ（ｔ － ２） ＋ ｖ [ ｅ（ｔ － １） ] ＋ ＶＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ － １） （１） 对于纵向偏差采用位置式 ＰＩＤ，其中 ｋｙｐ、ｋｙｉ、ｋｙｄ 分别为纵向偏差的比例、积分、微分系数，公式为 Ｖｅ－ｙｅ （ｔ） ＝ ｋｙｐ ｙｅ（ｔ） ＋ ｋｙｉ ∫ ｔ ０ ∑ ｉ ＝ ｔ ｉ ＝ ０ ｙｅ（ｉ）ｄｔ ＋ ｋｙｄ ｙｅ（ｔ） － ｙ [ ｅ（ｔ － １） ] （２） 式中： ＶＣ＿Ｌ＿Ｆ 、ＶＣ－ｙｅ 、ＶＣ 分别将长僚机速度偏差经过 ＰＩＤ 后计算的速度量、纵向偏差经过 ＰＩＤ 后计算的速 度量、最终得到速度控制量。 经过线性组合得 ＶＣ (ｔ) ＝ ＶＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ） ＋ Ｖｃ－ｙｅ (ｔ) （３） 由于无人机 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 模型输入的空速受限，故 输入的速度要设定在一定的范围之内。 ＶＣ（ｔ） ＝ ２８０， ＶＣ（ｔ） ＞ ２８０ １００， ＶＣ（ｔ） ＜ １００ ＶＣ（ｔ）， 其他 ì î í ï ï ï ï （４） ２）航向通道（滚转）：对于长僚机航向偏差采用 增量式 ＰＩＤ，其中 ｋｗｐ、ｋｗｉ、ｋｗｄ 分别为长僚机航向偏差 调节的比例、积分、微分系数，计算公式为 ｗＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ） ＝ ｋｗｐ θｅ（ｔ） － θ [ ｅ（ｔ － １） ] ＋ ｋｗｉ ∫ ｔ ０ θｅ（ｔ）ｄｔ ＋ ｋｗｄ θｅ（ｔ） － ２θｅ（ｔ － ２） ＋ θ [ ｅ（ｔ － １） ] ＋ ｗＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ － １） （５） 对于横向偏差采用位置式 ＰＩＤ，其中 ｋｘｐ、ｋｘｉ、ｋｘｄ 分 别为横向偏差调节的比例、积分、微分系数，公式为 ｗｃ－ｘｅ (ｔ) ＝ ｋｘｐ ｘｅ (ｔ) ＋ ｋｘｉ ∫ ｔ ０ ∑ ｉ ＝ ｔ ｉ ＝ ０ ｘｅ (ｉ) ｄｔ ＋ ｋｘｄ ｘｅ (ｔ) － ｘｅ [ (ｔ － １) ] （６） 将长僚机航向偏差经过 ＰＩＤ 后计算的速度量 ωＣ－Ｌ－Ｆ 与横向偏差经过 ＰＩＤ 后计算的速度量 ωＣ－ｘｅ 线 性组合，最终得到速度控制量 ωＣ 为 ｗＣ (ｔ) ＝ ｗＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ） ＋ ｗｃ－ｙｅ (ｔ) （７） 由于无人机飞行滚转角受限，故输入的滚转角 要设定在一定范围之内。 ωＣ（ｔ） ＝ ３０， ωＣ（ｔ） ＞ ３０ － ３０， ωＣ（ｔ） ＜ － ３０ ωＣ（ｔ）， 其他 ì î í ï ï ï ï （８） ３）高度通道（俯仰）：对于高度偏差采用增量式 ＰＩＤ，其中 ｋｚｐ、ｋｚｉ、ｋｚｄ 分别为长僚机高度偏差调节的比 例、积分、微分系数，计算公式为 ψＣ＿Ｌ＿Ｆ（ｔ） ＝ ｋｚｐ ｚｅ（ｔ） － ｚ [ ｅ（ｔ － １） ] ＋ ｋｚｉ ∫ ｔ ０ ｚｅ（ｔ）ｄｔ ＋ ｋｚｄ ｚｅ（ｔ） － ２ｚｅ（ｔ － ２） ＋ ｚ [ ｅ（ｔ － １） ] ＋ ψＣ（ｔ － １） （９） 由于无人机飞行俯仰受限，故输入的俯仰要设 定在无人机的俯仰范围之内。 ψＣ（ｔ） ＝ ７， ψＣ（ｔ） ＞ ７ － ５， ψＣ（ｔ） ＜ － ５ ψＣ（ｔ）， 其他 ì î í ï ï ï ï （１０） ４ 无人机编队和空战可视化效果 ４．１ 系统性能测试 为了验证混合编队可视化系统飞行数据的实时 性，进行了 ５６ 次的功能测试，测试平台如表 １。 表 １ 本系统测试结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔ 参数 值 平均仿真时间 ５８′１２″ 平均飞行数据 １４３．２７ Ｍ 仿真数据刷新率 １３ 帧／ ｓ ＶＲ 帧数 ７ 帧／ ｓ 系统资源占用度 Ｃｐｕ２６％ 内存：２４ Ｍ 平均重绘图线 ６８ 幅 ·２７６· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷
第2期 李一波，等：有人/无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 .277. 表2文献[8]系统测试结果 文献[5]、[7]的可视化效果分别图10中的(a) Table 2 Test results of system test in the literature [8] 和(b)。通过对比，本系统的三维实时可视化效果 参数 值 好，并可以通过地图实时显示无人机编队的位置，同 平均仿真时间 36'27" 时还可以在系统运行过程中添加指令。 平均飞行数据 36.90M 平均录像数据 721.59M 仿真数据刷新率 10帧/s VR帧数 5帧/s 系统资源占用度 Cpu31%内存：30M ()地面站编队放大区显示()后视视角可视化显示 平均重绘图线 47幅 图8菱形编队 通过表1和表2的对比，可知该三维可视化系统 Fig.8 The diamond formation 占用资源较少，实时性较高。 4.2无人机编队可视化 设置不同的编队队形进行飞行可视化试验，用 以验证算法的编队队形控制，无人机编队由一字队 形变换成菱形编队，在变换为人形编队。编队相对 (a)地面站编队放大区显示b)前视视角可视化显示 位置参数如表3所示。通过对PD控制算法中比 例、积分、微分参数进行调节快速实现编队队形的变 图9人字形编队 Fig.9 The herringbone formation 换，PID参数如表4示。 表3编队参数 Table 3 The parameters of formation 编队 编队队形参数 队形 长机 无人机1无人机2无人机3 一字形(0.0,0) (0,200,0)(0,400,0)(0,600,0) 菱形 (0.0.0)(-100.200.0X100.200.0)(0,400.0) (a)MATLAB与VC的可视化(b)MATLAB与FightGear 显示 可视化视景 人字形(0,0.0)(-100,200,0X100,200,0)(200,400,0) 图10文献可视化效果 表4PID参数 Fig.10 The visualization effect of literature Table 4 The PID parameters 通道 PID Name 比例 积分 微分 5 结束语 速度 增量式PID 49.8 0.024 个 随着对混合编队飞行控制、空战研究的深入，使 速度 位置式PD 0.0296 0.00000042 0.0 得综合验证混合编队控制理念的需求日趋重要和迫 航向 增量式PD 1.66 0.00088 3.42 切，本文通过可替换的飞机模型、实时的FlightGear 航向 位置式PD 0.006 0.0 0.0 场景的更新、飞行数据的实时显示和混合编队飞行 高度 增量式PD 0.129 014 037 的三维可视化显示，能够给与实验者深刻的沉浸感 通过多次试验，该系统三维可视化效果如图7、 和参与感，解决了现有开发系统文献的不足，为混合 编队控制理论的研究提供有力支撑，为未来研究有 8、9所示 人/无人机混合编队协同作战中相关的技术提供了 有效的验证平台。 参考文献： [1]TORENS C,ADOLF F,GOORMANN L.Certification and (a)编队一字队形起飞 b)编队在机场等待起飞 software verification considerations for autonomous unmanned 图7一字编队 aircraft[].Joumal of aerospace information systems,2014, Fig.7 A word formation 11(10):649-664
表 ２ 文献［８］系统测试结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ［８］ 参数 值 平均仿真时间 ３６′２７″ 平均飞行数据 ３６．９０ Ｍ 平均录像数据 ７２１．５９ Ｍ 仿真数据刷新率 １０ 帧／ ｓ ＶＲ 帧数 ５ 帧／ ｓ 系统资源占用度 Ｃｐｕ３１％ 内存：３０ Ｍ 平均重绘图线 ４７ 幅 通过表 １ 和表 ２ 的对比，可知该三维可视化系统 占用资源较少，实时性较高。 ４．２ 无人机编队可视化 设置不同的编队队形进行飞行可视化试验，用 以验证算法的编队队形控制，无人机编队由一字队 形变换成菱形编队，在变换为人形编队。 编队相对 位置参数如表 ３ 所示。 通过对 ＰＩＤ 控制算法中比 例、积分、微分参数进行调节快速实现编队队形的变 换，ＰＩＤ 参数如表 ４ 所示。 表 ３ 编队参数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ 编队 队形 编队队形参数 长机 无人机 １ 无人机 ２ 无人机 ３ 一字形 （０，０，０） （０，２００，０） （０，４００，０） （０，６００，０） 菱形 （０，０，０） （－１００，２００，０）（１００，２００，０） （０，４００，０） 人字形 （０，０，０） （－１００，２００，０）（１００，２００，０）（２００，４００，０） 表 ４ ＰＩＤ 参数 Ｔａｂｌｅ ４ Ｔｈｅ ＰＩＤ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 通道 ＰＩＤ Ｎａｍｅ 比例 积分 微分 速度 增量式 ＰＩＤ ４９．８ ０．０２４ ７ 速度 位置式 ＰＩＤ ０．０２９６ ０．０００ ０００ ４２ ０．０ 航向 增量式 ＰＩＤ １．６６ ０．０００ ８８ ３．４２ 航向 位置式 ＰＩＤ ０．００６ ０．０ ０．０ 高度 增量式 ＰＩＤ ０．１２９ ０１４ ０３７ 通过多次试验，该系统三维可视化效果如图 ７、 ８、９ 所示。 图 ７ 一字编队 Ｆｉｇ．７ Ａ ｗｏｒｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ 文献［５］、［７］的可视化效果分别图 １０ 中的（ ａ） 和（ｂ）。 通过对比，本系统的三维实时可视化效果 好，并可以通过地图实时显示无人机编队的位置，同 时还可以在系统运行过程中添加指令。 图 ８ 菱形编队 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｄｉａｍｏｎｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ 图 ９ 人字形编队 Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ 图 １０ 文献可视化效果 Ｆｉｇ．１０ Ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ５ 结束语 随着对混合编队飞行控制、空战研究的深入，使 得综合验证混合编队控制理念的需求日趋重要和迫 切，本文通过可替换的飞机模型、实时的 ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 场景的更新、飞行数据的实时显示和混合编队飞行 的三维可视化显示，能够给与实验者深刻的沉浸感 和参与感，解决了现有开发系统文献的不足，为混合 编队控制理论的研究提供有力支撑，为未来研究有 人／ 无人机混合编队协同作战中相关的技术提供了 有效的验证平台。 参考文献： ［１］ ＴＯＲＥＮＳ Ｃ， ＡＤＯＬＦ Ｆ， ＧＯＯＲＭＡＮＮ Ｌ． Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， １１（１０）： ６４９⁃６６４． 第 ２ 期 李一波，等：有人／ 无人机编队三位可视化系统的软件设计与实现 ·２７７·
.278. 智能系统学报 第11卷 [2]REW D Y,LEE W R,KOO C H,et al.HILS approach in LI Wenhao,ZHANG Heng.Simulation platform design and the virtual flight test of the Korean lunar lander demonstrator realization for unmanned aerial vehicle formation control[J]. [C]//Proceedings of AIAA Modeling and Simulation Tech- Journal of system simulation,2007,21(3):691-694. nologies MST)Conference.Boston,MA,2013:4675- [9]徐璇，姜明新，黄静，等.基于MFC的工程软件界面设计 4684. [J].电子设计工程，2011,19(21)：11-13. [3]TIAN Yongliang,LIU Hu,FENG Haocheng,et al.Virtual XU Xuan,JIANG Mingxin,HUANG Jing,et al.Software in- simulation-based evaluation of ground handling for future air- terface design of MFC-based engineering[J].Electronic de- craft concepts[J].Journal of aerospace information systems, sign engineering,2011,19(21):11-13. 2013,10(5):218-228. 作者简介： [4]SULLIVAN B,MALSOM S.Development of a real-time virtu- 李一波.男，1963年生，教授，博士生 al airspace simulation capability for air traffic management re- 导师，博士，主要研究方向为飞行控制 search[C]//Proceedings of AIAA Modeling and Simulation 复杂系统、人机智能、生物特征识别、图 Technologies Conference and Exhibit.Monterey,California, 像处理与模式识别等。曾获军队级科技 2002:4592.4598. 进步三等奖1项、省国防工业办公室科 [5]RASMUSSEN S J,CHANDLER P R.MultiUAV:a multiple 技进步二等奖1项。主持和参与近30 UAV simulation for investigation of cooperative control[C]/项科研项目，发表学术论文lO0余篇，其中被SCI及EI检索 Proceedings of the Winter Simulation Conference.San Diego, 30余篇。 CA,USA,2002,1:869-877. 王仓库，男，1989年生，硕士研究生， [6]WEI Liu,XU Zhi,MA Y M,et al.A study on the flight data 主要研究方向为系统的开发与实现、人 visualization of general aviation based on flightgear[J].Ap- 工智能和自主飞行控制。 plied mechanics and materials,2014,552:367-372. [7]应进，潘浩曼，代冀阳，等.Matlab/FlightGear直升机视 景仿真研究[J].实验技术与管理，2014,31(8)：106 109. 姬晓飞，女，1978年生，副教授，博 YING Jin,PAN Haoman,DAI Jiyang,et al.Research on 士，主要研究方向为视频分析与处理、模 式识别。承担国家自然科学基金项目、 visual flight simulation based on Matlab/FlightGear[J].Ex- perimental technology and management,2014,31(8):106- 教育部留学回国启动基金项目等多项。 109 发表学术论文30余篇，其中被SCI,EI检 [8]李文皓，张珩.用于阵形控制的无人机编队飞行仿真平台 索15篇。 设计与实现[J].系统仿真学报，2009,21(3)：691-694
［２］ＲＥＷ Ｄ Ｙ， ＬＥＥ Ｗ Ｒ， ＫＯＯ Ｃ Ｈ， ｅｔ ａｌ． ＨＩＬＳ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｆｌｉｇｈｔ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ ｌｕｎａｒ ｌａｎｄｅｒ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｏｒ ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＩＡＡ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈ⁃ ｎｏｌｏｇｉｅｓ （ ＭＳＴ ） Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｂｏｓｔｏｎ， ＭＡ， ２０１３： ４６７５⁃ ４６８４． ［３］ＴＩＡＮ Ｙｏｎｇｌｉａｎｇ， ＬＩＵ Ｈｕ， ＦＥＮＧ Ｈａｏｃｈｅｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ⁃ｂａｓｅｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ａｉｒ⁃ ｃｒａｆｔ ｃｏｎｃｅｐｔｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１３， １０（５）： ２１８⁃２２８． ［４］ＳＵＬＬＩＶＡＮ Ｂ， ＭＡＬＳＯＭ Ｓ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ｖｉｒｔｕ⁃ ａｌ ａｉｒｓｐａｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ａｉｒ ｔｒａｆｆｉｃ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｒｅ⁃ ｓｅａｒｃｈ［ Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＩＡＡ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔ． Ｍｏｎｔｅｒｅｙ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ２００２： ４５９２⁃４５９８． ［５］ＲＡＳＭＵＳＳＥＮ Ｓ Ｊ， ＣＨＡＮＤＬＥＲ Ｐ Ｒ． ＭｕｌｔｉＵＡＶ： ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ＵＡＶ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｉｎｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ， ＣＡ， ＵＳＡ， ２００２， １： ８６９⁃８７７． ［ ６］ＷＥＩ Ｌｉｕ， ＸＵ Ｚｈｉ， ＭＡ Ｙ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｄａｔａ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌ ａｖｉａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｌｉｇｈｔｇｅａｒ［ Ｊ］． Ａｐ⁃ ｐｌｉｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１４， ５５２： ３６７⁃３７２． ［７］应进， 潘浩曼， 代冀阳， 等． Ｍａｔｌａｂ ／ ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ 直升机视 景仿真研究［ Ｊ］． 实验技术与管理， ２０１４， ３１（ ８）： １０６⁃ １０９． ＹＩＮＧ Ｊｉｎ， ＰＡＮ Ｈａｏｍａｎ， ＤＡＩ Ｊｉｙａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｖｉｓｕａｌ ｆｌｉｇｈｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ ／ ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ［ Ｊ］． Ｅｘ⁃ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ２０１４， ３１（８）： １０６⁃ １０９． ［８］李文皓， 张珩． 用于阵形控制的无人机编队飞行仿真平台 设计与实现［Ｊ］． 系统仿真学报， ２００９， ２１（３）： ６９１⁃６９４． ＬＩ Ｗｅｎｈａｏ， ＺＨＡＮＧ Ｈｅｎｇ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ［ Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ２００７， ２１（３）： ６９１⁃６９４． ［９］徐璇， 姜明新， 黄静， 等． 基于 ＭＦＣ 的工程软件界面设计 ［Ｊ］． 电子设计工程， ２０１１， １９（２１）： １１⁃１３． ＸＵ Ｘｕａｎ， ＪＩＡＮＧ Ｍｉｎｇｘｉｎ， ＨＵＡＮＧ Ｊｉｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ⁃ ｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＭＦＣ⁃ｂａｓｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［ Ｊ］． Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅ⁃ ｓｉｇｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１１， １９（２１）： １１⁃１３． 作者简介： 李一波，男，１９６３ 年生，教授，博士生 导师，博士，主要研究方向为飞行控制、 复杂系统、人机智能、生物特征识别、图 像处理与模式识别等。 曾获军队级科技 进步三等奖 １ 项、省国防工业办公室科 技进步二等奖 １ 项。 主持和参与近 ３０ 项科研项目，发表学术论文 １００ 余篇，其中被 ＳＣＩ 及 ＥＩ 检索 ３０ 余篇。 王仓库，男，１９８９ 年生，硕士研究生， 主要研究方向为系统的开发与实现、人 工智能和自主飞行控制。 姬晓飞，女，１９７８ 年生，副教授，博 士，主要研究方向为视频分析与处理、模 式识别。 承担国家自然科学基金项目、 教育部留学回国启动基金项目等多项。 发表学术论文 ３０ 余篇，其中被 ＳＣＩ、ＥＩ 检 索 １５ 篇。 ·２７８· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷
