強(qiáng)明輝 把翠芳

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050）（2.甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730050）（3.蘭州理工大學(xué)電氣與控制工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 蘭州 730050）

1 引言

無(wú)人機(jī)從軍用領(lǐng)域逐漸走向民用以及商用領(lǐng)域［1～2］，便捷人們生活的同時(shí)，帶來(lái)的社會(huì)安全問(wèn)題［3］也逐漸暴露，尤其是闖入禁飛區(qū)域，引發(fā)“黑飛”、“亂飛”現(xiàn)象，威脅人員或者破壞公共設(shè)備［4］。地理圍欄［5］技術(shù)是一種基于位置服務(wù)［5～6］的新應(yīng)用，早在十多年前就被提出了，是人機(jī)交互服務(wù)類(lèi)型中的一種，目前的應(yīng)用場(chǎng)景多是應(yīng)用程序［7］。地理圍欄技術(shù)在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用是近幾年才被提出的，主要為了防止無(wú)人機(jī)進(jìn)入禁飛區(qū)域，引發(fā)安全事故。國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)在無(wú)人機(jī)的應(yīng)用還在研究階段。2015年10月13日美國(guó)媒體KOED報(bào)道稱(chēng)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的某研究中心［8］目前正在研究一種被稱(chēng)為“地理圍欄”的技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)為無(wú)人機(jī)劃分靜態(tài)地理圍欄，設(shè)置圍欄事件。NASA無(wú)人機(jī)管理首席調(diào)查員KoDardekar還表示，設(shè)置兩類(lèi)地理圍欄事件：禁止其他無(wú)人機(jī)飛入和禁止自家無(wú)人機(jī)飛出，同時(shí)依靠無(wú)人機(jī)飛行器中的傳感器進(jìn)行識(shí)別并避障。在國(guó)內(nèi)，作為全球民用無(wú)人機(jī)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)的深圳大疆創(chuàng)新科技公司，目前是全球唯一一家研究地理圍欄技術(shù)的民用無(wú)人機(jī)制造商。

地理圍欄實(shí)質(zhì)是真實(shí)世界地理區(qū)域上的虛擬邊界，可以在定位源進(jìn)入或離開(kāi)時(shí)觸發(fā)圍欄事件。地理圍欄在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的主要是安全性方面的應(yīng)用，可以在地面站引入地理圍欄，無(wú)人機(jī)無(wú)論在手動(dòng)操控還是自動(dòng)模式下，當(dāng)進(jìn)入禁飛域時(shí)，地理圍欄算法通過(guò)定義的圍欄事件，觸發(fā)聲音警報(bào)，使得操作人員能夠操控?zé)o人機(jī)避讓禁飛區(qū)域［9］；也可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，當(dāng)無(wú)人機(jī)在自動(dòng)模式下飛行時(shí)，在地理圍欄算法的幫助下，無(wú)人機(jī)將不會(huì)進(jìn)入禁飛區(qū)域。

本文將地理圍欄技術(shù)作為解決無(wú)人機(jī)“黑飛”、“亂飛”安全事故的一種“新”技術(shù)引入，主要研究在無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)中的地理圍欄，在Visual Studio 2010.NET［10］的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，以C#語(yǔ)言為主，研究地理圍欄算法，劃分的地理圍欄可以是多邊形、圓形等，用戶(hù)可以選擇禁止無(wú)人機(jī)進(jìn)入的范圍，利用地理圍欄算法畫(huà)出一個(gè)多邊形或者圓形禁飛區(qū)域，通過(guò)相應(yīng)的地理圍欄算法解算并判斷無(wú)人機(jī)是否在禁飛區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)如果無(wú)人機(jī)進(jìn)入禁飛區(qū)域，就會(huì)顯示帶有信號(hào)框的報(bào)警信號(hào)或語(yǔ)音提示。

2 基于Google Earth的無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制對(duì)象，包括了飛行器本體、飛行控制器、負(fù)載設(shè)備（包括電池、圖像傳輸［11］等）幾個(gè)部分。地面站系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要部分，可以稱(chēng)之為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的大腦，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃和導(dǎo)航控制。本文所涉及的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，地面站系統(tǒng)由便攜式PC機(jī)、地面站監(jiān)控軟件、圖像接收設(shè)備、地面數(shù)據(jù)終端、通信設(shè)備等幾個(gè)部分組成。

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地面站系統(tǒng)地面站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航位置的精度要求較高，本文利用Google Earth客戶(hù)端使得無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠加載更加精準(zhǔn)地電子地圖，模擬無(wú)人機(jī)的飛行仿真，實(shí)時(shí)顯示觀(guān)察無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)信息。但是目前無(wú)人機(jī)地面站的安全性能不高，尤其缺乏針對(duì)無(wú)人機(jī)“黑飛”、“亂飛”，引發(fā)事故的安全應(yīng)用。在地面站中引入地理圍欄技術(shù)，提高了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全水平，幫助無(wú)人機(jī)預(yù)先劃分禁飛區(qū)域，構(gòu)建基于地理圍欄的避讓禁飛區(qū)域的地面站，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的安全應(yīng)用。

圖2 地面站軟件設(shè)計(jì)流程

基于Google Earth的無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)［12］實(shí)現(xiàn)地理圍欄功能，在Google地圖中劃分禁飛區(qū)域，然后由無(wú)人機(jī)機(jī)載GPS定位模塊實(shí)時(shí)向地面站傳送無(wú)人機(jī)位置信息，利用地理圍欄算法解算無(wú)人機(jī)位置與預(yù)劃分禁飛區(qū)域的位置關(guān)系，從而判斷無(wú)人機(jī)是否進(jìn)入禁飛區(qū)域，若未進(jìn)入且沒(méi)有進(jìn)入禁飛區(qū)域的趨勢(shì)，則無(wú)人機(jī)正常飛行；若進(jìn)入禁飛區(qū)域，則通知地面操作人員，向飛行控制系統(tǒng)傳達(dá)返航或避讓指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)禁飛區(qū)域的避讓。還可以根據(jù)不同的需求加載不同的三維模型［12］，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行模擬仿真。具體的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3 地理圍欄算法

本文主要介紹兩種典型常用的地理圍欄算法：多邊形地理圍欄和圓形的地理圍欄?；赩isual Studio 2010.NET開(kāi)發(fā)地理圍欄算法，利用基于Google Earth的地面站實(shí)現(xiàn)地理圍欄功能，還包括像保存XML［13］格式的地圖數(shù)據(jù)，加載已保存的數(shù)據(jù)，選擇地圖類(lèi)型等功能，為無(wú)人機(jī)的飛行和地理圍欄模擬提供基礎(chǔ)。

3.1 圓形地理圍欄算法

圓形地理圍欄的示意圖如圖3。假設(shè)圓形地理圍欄［15］圓心位置的為（x0，y0），地理圍欄半徑為r，無(wú)人機(jī)由機(jī)載GPS設(shè)備定位到的位置信息經(jīng)緯度（X，Y），無(wú)人機(jī)與地理圍欄中心點(diǎn)距離為d，那么存在如下判斷規(guī)則算法：

判斷規(guī)則1：d-r≤0時(shí)，此時(shí)無(wú)人機(jī)已到達(dá)指定的地理圍欄。

判斷規(guī)則2：d-r＞0時(shí)，無(wú)人機(jī)在地理圍欄外部，同時(shí)可由與前一狀態(tài)的差值判斷此時(shí)的無(wú)人機(jī)是不斷接近或是遠(yuǎn)離地理圍欄，若不斷接近，說(shuō)明有進(jìn)入地理圍欄的可能，需進(jìn)行頻繁地判斷；若不斷遠(yuǎn)離，正常飛行。

通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行器系統(tǒng)的定位模塊可獲知無(wú)人機(jī)信息（X，Y），同時(shí)指定的圍欄中心點(diǎn)的經(jīng)緯度信息已知，求出無(wú)人機(jī)與圍欄中心點(diǎn)的距離d。進(jìn)入圓形地理圍欄的算法為：d-r≤0，即設(shè)置的地理圍欄觸發(fā)事件。為了計(jì)算地理空間距離d，使用了“Haversine公式［16］”。

圖3 圓形方法示意圖

其中，R為地球半徑，可取平均值6371Km。

由式（1）、（2）可求出d，如下：

3.2 多邊形地理圍欄算法

由于實(shí)際應(yīng)用中，地理圍欄側(cè)重于對(duì)禁飛區(qū)域的實(shí)際形狀邊界的界定，因此地理圍欄基本都是不規(guī)則的復(fù)雜多邊形。多邊形地理圍欄算法的關(guān)鍵是找出有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)在多邊形［17］地理圍欄內(nèi)，即奇偶定理。

多邊形地理圍欄如圖4所示，由無(wú)人機(jī)定位位置A向左作射線(xiàn)，將其作為水平閾值線(xiàn)，多邊形每條邊與水平閾值線(xiàn)相交的點(diǎn)表示為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。那么地理圍欄的算法判斷規(guī)則如下：

判斷規(guī)則1：在無(wú)人機(jī)位置的左側(cè)存在奇數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么無(wú)人機(jī)在地理圍欄內(nèi)部。

判斷規(guī)則2：在無(wú)人機(jī)位置的左側(cè)存在偶數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么無(wú)人機(jī)在地理圍欄外部。

圖4 射線(xiàn)與多邊形交點(diǎn)的幾種可能情況

但也有特殊情況：例如水平閾值線(xiàn)剛好經(jīng)過(guò)多邊形圍欄邊界的一個(gè)頂點(diǎn)，如圖4中所示，AB會(huì)被誤認(rèn)為和地理圍欄兩條邊界都有交點(diǎn)，而AC與某一條邊界共線(xiàn)被誤認(rèn)為與地理圍欄邊界有無(wú)窮多的交點(diǎn)。這些情況均會(huì)導(dǎo)致對(duì)于地理圍欄事件的錯(cuò)誤判斷。

針對(duì)這些特殊情況進(jìn)行判斷的規(guī)則如下：其中假設(shè)當(dāng)前處理的邊是A1A2。

判斷規(guī)則1：如果點(diǎn)A為無(wú)人機(jī)的位置，在多邊形圍欄邊A1A2上，則直接判定無(wú)人機(jī)在地理圍欄內(nèi)部。

判斷規(guī)則2：如果水平閾值線(xiàn)正好穿過(guò)A1或者A1A2，那么，若無(wú)人機(jī)坐標(biāo)的縱坐標(biāo)與A1，A2中較小的縱坐標(biāo)相同，且在此次判斷過(guò)程中，忽略這個(gè)交點(diǎn)。

判斷規(guī)則3：如果水平閾值線(xiàn)與多邊形圍欄邊A1A2平行，則忽略對(duì)其與該邊交點(diǎn)的判斷。

4 地理圍欄功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 圓形地理圍欄功能

用戶(hù)可以在圓形地理圍欄功能選項(xiàng)中輸入任意半徑，在興趣點(diǎn)上繪制一個(gè)圓圈。這個(gè)圓圈將作為禁飛區(qū)域，如果無(wú)人機(jī)跨越禁飛區(qū)域邊界，則會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)音提示以及消息框。與多邊形地理圍欄相比，圓形地理圍欄更容易，用圓形地理圍欄算法規(guī)則的C#代碼實(shí)現(xiàn)地理圍欄功能，實(shí)現(xiàn)效果圖如圖5所示。

圖5 圓形地理圍欄效果圖

實(shí)現(xiàn)圓形地理圍欄功能的C＃代碼如下：

public double Distance（Point y0x0pos1，

Point YX pos2）

｛

int Radius=6371；

//地球的半徑

double dY=this.toRad（pos2.Y-pos1.y0）；

double dX=this.toRad（pos2.X-pos1.x0）；

double inn_brckt=Math.Sin（dY/2）*Math.Sin（dY/2）+Math.Cos（this.toRad（pos1.x0））*Math.Cos（this.toRad（pos2.X））*Math.Sin（dX/2）*Math.Sin（dX/2）；

double f=2*Math.Asin（Math.Min（1，Math.Sqrt（inn_brckt）））；

double d=Radius*f；

return d；

｝

private double toRad（double deg_val）

｛

return（Math.PI/180）*deg_val；

｝

if（r_circle.Checked==true & & r_poly.Checked ！ =true）

｛

Pointy0x0LL_circle=gMapfence1.Position；double d_re?sult=Distance（circle_centre，LL_circle）；

if（d_result＞（radius/1000））

｛

Warningsound.Play（） ； MessageBox.Show（“UAV Crossed boundary”，“Error”，MessageBoxButtons.OK）；

｝

｝

4.2 多邊形地理圍欄功能

在基于Google Earth的地面站的Google地圖上，在禁飛區(qū)域邊界上選擇關(guān)鍵頂點(diǎn)，連接繪制一個(gè)多邊形邊界，如圖6所示，將某機(jī)場(chǎng)沿其邊界劃分為禁飛區(qū)。

地理圍欄算法利用所選點(diǎn)來(lái)定義圍欄邊界，進(jìn)而判斷無(wú)人機(jī)的位置是否在邊界內(nèi)。多邊形是任意形狀的，對(duì)于復(fù)雜的多邊形，很難判斷無(wú)人機(jī)是在邊界內(nèi)還是在邊界外［18］，具體實(shí)現(xiàn)利用多邊形地理圍欄算法的判斷規(guī)則。確定無(wú)人機(jī)的位置是多邊形地理圍欄內(nèi)部或外部的C#代碼如下：

Public bool FindUAVPs（double X，double Y）

｛

int no_of_pySides=this.Count（）-1；

int j=no_of_pySides-1；

bool UAVStatus=false；

for（int i=0；i＜no_of_pySides；i++）

｛

if（boundryPt［i］.Y＜Y & & boundryPt［j］.Y＞=Y

||boundryPt［j］.Y＜Y & & boundryPt［i］.Y＞=Y）

｛

if（boundryPt［i］.X+（Y-bndryPt［i］.Y）/（ bndryPt［j］.Y-bndryPt［i］.Y）*（bndryPt［j］.X-bndryPt［i］.X）＜X）

｛

UAVStatus=！ UAVStatus；

｝

｝

j=i；

｝

return UAVStatus；

｝

上面代碼的運(yùn)行過(guò)程中，首先會(huì)檢查（bound?ryPt［i］，boundryPt［j］）范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)位置的Y坐標(biāo)，如果檢查到，則繼續(xù)檢查無(wú)人機(jī)位置的X坐標(biāo)是否在水平閾值線(xiàn)以下，從i點(diǎn)連接到j(luò)點(diǎn)，或者不連接。如果在這兩個(gè)條件在奇數(shù)次都為真，則“FindUAVPs（）”函數(shù)將返回true，那么無(wú)人機(jī)就在地理圍欄里面；否則返回false，否則無(wú)人機(jī)就在地理圍欄外面。

圖6 多邊形地理圍欄效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于Google Earth的地面站系統(tǒng)［3］中地理圍欄功能的實(shí)現(xiàn)，在Visual Studio 2010.NET的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，以C#語(yǔ)言為主，利用地理圍欄算法在地面站系統(tǒng)的Google電子地圖上用多邊形或圓形地理圍欄算法預(yù)先繪制虛擬邊界，為無(wú)人機(jī)劃分禁飛區(qū)域。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，飛行控制系統(tǒng)通過(guò)遙測(cè)鏈路向地面站系統(tǒng)的地理圍欄模塊發(fā)送位置信息，通過(guò)地理圍欄算法解算檢查無(wú)人機(jī)是否進(jìn)入禁飛區(qū)域，如果無(wú)人機(jī)越過(guò)禁飛區(qū)域邊界，則在地面站收到音頻和彈出消息框來(lái)通知操作人員。在具體實(shí)現(xiàn)應(yīng)用方面，圓形地理圍欄比多邊形地理圍欄容易實(shí)現(xiàn)，但是多邊形地理圍欄的精確度更高，后續(xù)工作中，進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)針對(duì)多邊形地理圍欄的實(shí)時(shí)地大范圍索引技術(shù)，使基于地理圍欄的地面站更具有實(shí)際工程價(jià)值，對(duì)無(wú)人機(jī)的安全應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。