基于Google Earth的無人機地面站的地理圍欄研究?

強明輝 把翠芳

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 蘭州 730050）（2.甘肅省工業(yè)過程先進控制重點實驗室 蘭州 730050）（3.蘭州理工大學電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心 蘭州 730050）

1 引言

無人機從軍用領(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，帶來的社會安全問題［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］的新應用，早在十多年前就被提出了，是人機交互服務(wù)類型中的一種，目前的應用場景多是應用程序［7］。地理圍欄技術(shù)在無人機中的應用是近幾年才被提出的，主要為了防止無人機進入禁飛區(qū)域，引發(fā)安全事故。國內(nèi)外對該技術(shù)在無人機的應用還在研究階段。2015年10月13日美國媒體KOED報道稱，美國國家航空航天局（NASA）的某研究中心［8］目前正在研究一種被稱為“地理圍欄”的技術(shù)，通過該技術(shù)為無人機劃分靜態(tài)地理圍欄，設(shè)置圍欄事件。NASA無人機管理首席調(diào)查員KoDardekar還表示，設(shè)置兩類地理圍欄事件：禁止其他無人機飛入和禁止自家無人機飛出，同時依靠無人機飛行器中的傳感器進行識別并避障。在國內(nèi)，作為全球民用無人機行業(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)的民用無人機制造商。

地理圍欄實質(zhì)是真實世界地理區(qū)域上的虛擬邊界，可以在定位源進入或離開時觸發(fā)圍欄事件。地理圍欄在無人機系統(tǒng)的主要是安全性方面的應用，可以在地面站引入地理圍欄，無人機無論在手動操控還是自動模式下，當進入禁飛域時，地理圍欄算法通過定義的圍欄事件，觸發(fā)聲音警報，使得操作人員能夠操控無人機避讓禁飛區(qū)域［9］；也可以應用于無人機飛行控制系統(tǒng)，當無人機在自動模式下飛行時，在地理圍欄算法的幫助下，無人機將不會進入禁飛區(qū)域。

本文將地理圍欄技術(shù)作為解決無人機“黑飛”、“亂飛”安全事故的一種“新”技術(shù)引入，主要研究在無人機地面站系統(tǒng)中的地理圍欄，在Visual Studio 2010.NET［10］的開發(fā)環(huán)境下，以C#語言為主，研究地理圍欄算法，劃分的地理圍欄可以是多邊形、圓形等，用戶可以選擇禁止無人機進入的范圍，利用地理圍欄算法畫出一個多邊形或者圓形禁飛區(qū)域，通過相應的地理圍欄算法解算并判斷無人機是否在禁飛區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)如果無人機進入禁飛區(qū)域，就會顯示帶有信號框的報警信號或語音提示。

2 基于Google Earth的無人機地面站系統(tǒng)

無人機是無人機系統(tǒng)的控制對象，包括了飛行器本體、飛行控制器、負載設(shè)備（包括電池、圖像傳輸［11］等）幾個部分。地面站系統(tǒng)是整個無人機系統(tǒng)的重要部分，可以稱之為無人機系統(tǒng)的大腦，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃和導航控制。本文所涉及的無人機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，地面站系統(tǒng)由便攜式PC機、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)備等幾個部分組成。

圖1 無人機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地面站系統(tǒng)地面站監(jiān)控系統(tǒng)對導航位置的精度要求較高，本文利用Google Earth客戶端使得無人機監(jiān)控系統(tǒng)能夠加載更加精準地電子地圖，模擬無人機的飛行仿真，實時顯示觀察無人機的飛行狀態(tài)信息。但是目前無人機地面站的安全性能不高，尤其缺乏針對無人機“黑飛”、“亂飛”，引發(fā)事故的安全應用。在地面站中引入地理圍欄技術(shù)，提高了無人機系統(tǒng)的安全水平，幫助無人機預先劃分禁飛區(qū)域，構(gòu)建基于地理圍欄的避讓禁飛區(qū)域的地面站，實現(xiàn)無人機的安全應用。

圖2 地面站軟件設(shè)計流程

基于Google Earth的無人機地面站系統(tǒng)［12］實現(xiàn)地理圍欄功能，在Google地圖中劃分禁飛區(qū)域，然后由無人機機載GPS定位模塊實時向地面站傳送無人機位置信息，利用地理圍欄算法解算無人機位置與預劃分禁飛區(qū)域的位置關(guān)系，從而判斷無人機是否進入禁飛區(qū)域，若未進入且沒有進入禁飛區(qū)域的趨勢，則無人機正常飛行；若進入禁飛區(qū)域，則通知地面操作人員，向飛行控制系統(tǒng)傳達返航或避讓指令，進而實現(xiàn)無人機對禁飛區(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］，對無人機進行飛行模擬仿真。具體的軟件設(shè)計流程如圖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。基于Visual Studio 2010.NET開發(fā)地理圍欄算法，利用基于Google Earth的地面站實現(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)，選擇地圖類型等功能，為無人機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，無人機由機載GPS設(shè)備定位到的位置信息經(jīng)緯度（X，Y），無人機與地理圍欄中心點距離為d，那么存在如下判斷規(guī)則算法：

判斷規(guī)則1：d-r≤0時，此時無人機已到達指定的地理圍欄。

判斷規(guī)則2：d-r＞0時，無人機在地理圍欄外部，同時可由與前一狀態(tài)的差值判斷此時的無人機是不斷接近或是遠離地理圍欄，若不斷接近，說明有進入地理圍欄的可能，需進行頻繁地判斷；若不斷遠離，正常飛行。

通過無人機飛行器系統(tǒng)的定位模塊可獲知無人機信息（X，Y），同時指定的圍欄中心點的經(jīng)緯度信息已知，求出無人機與圍欄中心點的距離d。進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

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

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

判斷規(guī)則1：在無人機位置的左側(cè)存在奇數(shù)個節(jié)點，那么無人機在地理圍欄內(nèi)部。

判斷規(guī)則2：在無人機位置的左側(cè)存在偶數(shù)個節(jié)點，那么無人機在地理圍欄外部。

圖4 射線與多邊形交點的幾種可能情況

但也有特殊情況：例如水平閾值線剛好經(jīng)過多邊形圍欄邊界的一個頂點，如圖4中所示，AB會被誤認為和地理圍欄兩條邊界都有交點，而AC與某一條邊界共線被誤認為與地理圍欄邊界有無窮多的交點。這些情況均會導致對于地理圍欄事件的錯誤判斷。

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

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

判斷規(guī)則2：如果水平閾值線正好穿過A1或者A1A2，那么，若無人機坐標的縱坐標與A1，A2中較小的縱坐標相同，且在此次判斷過程中，忽略這個交點。

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

4 地理圍欄功能的實現(xiàn)

4.1 圓形地理圍欄功能

用戶可以在圓形地理圍欄功能選項中輸入任意半徑，在興趣點上繪制一個圓圈。這個圓圈將作為禁飛區(qū)域，如果無人機跨越禁飛區(qū)域邊界，則會出現(xiàn)語音提示以及消息框。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#代碼實現(xiàn)地理圍欄功能，實現(xiàn)效果圖如圖5所示。

圖5 圓形地理圍欄效果圖

實現(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，連接繪制一個多邊形邊界，如圖6所示，將某機場沿其邊界劃分為禁飛區(qū)。

地理圍欄算法利用所選點來定義圍欄邊界，進而判斷無人機的位置是否在邊界內(nèi)。多邊形是任意形狀的，對于復雜的多邊形，很難判斷無人機是在邊界內(nèi)還是在邊界外［18］，具體實現(xiàn)利用多邊形地理圍欄算法的判斷規(guī)則。確定無人機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；

｝

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

圖6 多邊形地理圍欄效果圖

5 結(jié)語

基于Google Earth的地面站系統(tǒng)［3］中地理圍欄功能的實現(xiàn)，在Visual Studio 2010.NET的開發(fā)環(huán)境下，以C#語言為主，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先繪制虛擬邊界，為無人機劃分禁飛區(qū)域。無人機在飛行過程中，飛行控制系統(tǒng)通過遙測鏈路向地面站系統(tǒng)的地理圍欄模塊發(fā)送位置信息，通過地理圍欄算法解算檢查無人機是否進入禁飛區(qū)域，如果無人機越過禁飛區(qū)域邊界，則在地面站收到音頻和彈出消息框來通知操作人員。在具體實現(xiàn)應用方面，圓形地理圍欄比多邊形地理圍欄容易實現(xiàn)，但是多邊形地理圍欄的精確度更高，后續(xù)工作中，進一步研究實現(xiàn)針對多邊形地理圍欄的實時地大范圍索引技術(shù)，使基于地理圍欄的地面站更具有實際工程價值，對無人機的安全應用具有深遠意義。