一种面向直升机低空任务规划的地面验证系统及方法

技术领域

本发明属于系统测试验证技术领域，具体涉及一种面向直升机低空任务规划的地面验证系统及方法。

背景技术

直升机在低空环境下执行突防、侦查、吊装等任务时，无论是飞行员自主驾驶还是借助任务管理系统，均需要时刻根据周围地形和环境做出决策，在控制直升机高度、速度、姿态的同时还要保持航线运行，相比于正常飞行成倍地增加了飞行员工作量和管理系统复杂度，也使得面向此类复杂场景和功能庞大系统的测试验证成为了一个难题。

目前，国内对于直升机任务规划和执行类系统的地面验证主要是常规飞行剖面的功能测试验证，配备有相关的数据记录和测试验证系统，但尚无针对直升机低空执行任务等场景的地面验证系统，在场景设计、地面预处理、雷达传感器建模等技术上成熟度较低，也没有形成一套完整的测试验证体系，尚无法针对直升机低空任务要求和系统需求进行充分和高效的测试验证。

发明内容

本发明的目的：提出一种面向直升机低空任务规划的地面验证系统及方法，支持直升机在低空执行突防、侦查、吊装等任务时的航路规划、策略选择和执行，为直升机低空任务规划提供地面信息预处理、数据激励和反馈、场景编辑和测试验证等能力。

本发明的技术方案：根据本发明的第一方面，一种面向直升机低空任务规划的地面验证系统，包括场景编辑模块、航路预规划模块、仿真激励模块、飞行显示模块、飞行操控模块、地图和数据库管理模块、IO管理模块、自动测试模块；所述IO管理模块与场景编辑模块、航路预规划模块、仿真激励模块、飞行显示模块、飞行操控模块、地图和数据库管理模块、自动测试模块传输通讯连接；并与待验证低空任务规划系统交联。

在一个可能的实施例中，所述地图和数据库管理模块存储地图信息、障碍物数据；所述场景编辑模块接收地图信息、障碍物数据并直接传输至所述仿真激励模块，同时进行场景编辑处理并将编辑后的场景信息提供给所述航路预规划模块；所述航路预规划模块根据场景信息在地面预规划应飞航路形成地面预规划航路信息并将地面预规划信息发送给待验证低空任务规划系统，由待验证低空任务规划系统完成航路规划后，将机载规划航路发给所述仿真激励模块作为待飞航路；所述飞行操控模块将手动操纵和自动飞行信息发送给所述仿真激励模块来控制飞行仿真模型；所述仿真激励模型接收来自所述地图和数据库管理模块的地图信息用于逻辑判断、参数解算，并将飞行和导航信息发送给所述飞行显示模块；所述自动测试模块根据设计好的测试脚本接收来自所述IO管理模块的测试验证输入信息，完成对直升机低空任务规划的地面验证。

在一个可能的实施例中，所述场景编辑模块包含可视化的地图界面和参数设置界面；地图界面支持障碍物和威胁区图符的拖拽布置；参数设置界面支持飞行状态设置、气象条件设置、状态记录和回放。

在一个可能的实施例中，飞行操控模块包括仿真驾驶杆和自动飞行控制面板；仿真驾驶杆分为总距杆、油门台、周期变距杆和脚蹬，模拟飞行员手动操控飞机的各项机构；自动飞行控制面板提供高度保持、速度保持、航向保持自动飞行模态和相关参数的设置界面。

在一个可能的实施例中，地图和数据库管理模块包含数字高程模型和系统运行所需的各类数据库，地图管理可实现大规模DEM数据的处理，包含数据裁剪/分割、数据插值/上采样、数据存储、调用；数据库管理包括障碍物数据库、导航数据库、性能数据库的管理，能够实现对各类数据库的查看、编辑和调用，满足系统验证对相关数据的调用和处理需求。

在一个可能的实施例中，IO管理模块提供所有实验室网络数据和标准总线数据的管理，包括数据管理模块和接口转换部件，其中接口转换部件只适用于基于总线通信的机载系统，如验证对象是任务规划功能软件且基于实验室网络进行通信，则验证系统不包含接口转换部件；IO管理模块符合验证系统接口控制文件，具备总线板卡读写处理，及交互数据格式转换、存储、配置、监控和故障注入功能，是地面验证系统的数据管理中心。

在一个可能的实施例中，自动测试模块能够进行基于需求的自动化测试验证，根据与需求对应的测试用例编辑测试脚本并运行评估，实现测试用例管理、测试脚本开发、测试空跑和跑分运行、测试报告生成和测试结果评估，同时能够记录测试的输入输出数据，也可以导入外部的地面和试飞验证数据，实现数据的记录和回放，辅助进行实验室的数据综合分析和测试结果评估。

在一个可能的实施例中，仿真激励模块包括飞行仿真模型和传感器仿真模型；飞行仿真模型包含直升机气动模型、发动机模型和飞行控制系统模型，基于试飞数据构建，为直升机低空仿真运行提供数据激励和反馈，并向飞行显示模块等可视化界面提供各类基础飞行数据；传感器仿真模型包括惯性导航、卫星导航、无线电高度、雷达传感器仿真模型，基于飞行仿真数据和各类传感器误差特性构建。

根据本发明的第二方面，提供一种面向直升机低空任务规划的地面验证方法，采用上述的一种面向直升机低空任务规划的地面验证系统，包括如下步骤：

步骤1：分析直升机低空任务运行场景，构建任务规划所需的外部场景信息；

步骤2：根据预设场景和任务特点进行地面航路预规划；

步骤3：基于需求开展测试用例设计，进行测试脚本编写；

步骤4：运行地面验证系统中的各个模块，执行测试脚本，完成自动化测试验证。

本发明的优点：本发明能够对直升机低空任务规划功能软件或系统进行全面的地面测试验证，并为机载端低空任务规划提供复杂信息的地面预处理能力，提升了直升机任务规划的准确性，提高了复杂场景下的测试验证效率，为直升机实现各项低空任务规划和决策奠定了基础。

附图说明

图1为本发明优选实施例的地面验证系统架构示意图；

图2为本发明优选实施例的直升机低空任务规划测试验证流程。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1为地面验证系统架构图。整个地面验证系统由围绕直升机低空任务规划软件或系统的各个功能模块组成。其中，IO(输入输出)管理模块与验证系统中的其它模块连接，并与验证对象交联，仿真激励模块也与验证系统中的其它模块连接。本验证系统中各个模块的具体说明如下：

场景编辑模块基于直升机在低空执行突防、侦查、吊装等任务时的运行场景设计，包含可视化的地图界面和参数设置界面。地图界面支持障碍物和威胁区图符的拖拽布置；参数设置界面支持飞行状态设置、气象条件设置、状态记录和回放。在进行任务规划初始设置时，场景编辑模块能够将障碍物和威胁区通过图符拖拽加参数设置的方式布置在地图界面的预期位置，实现对直升机低空运行的外部场景编辑。

航路预规划模块根据机载全局航路规划需求，依托于地面验证系统处理能力强、存储空间大等优势，在全局航路规划时调用更高精度的任务区地形数据进行地面预规划，作为机载规划航路的参照，从而提升机载航路规划的准确性。

仿真激励模块包括飞行仿真模型和传感器仿真模型。飞行仿真模型包含直升机气动模型、发动机模型和飞行控制系统模型，基于试飞数据构建，为直升机低空仿真运行提供数据激励和反馈，并向飞行显示模块等可视化界面提供各类基础飞行数据；传感器仿真模型包括惯性导航、卫星导航、无线电高度、雷达传感器仿真模型，基于飞行仿真数据和各类传感器误差特性构建。其中，雷达传感器仿真可以使用点云库(PCL)和开源计算机视觉库(OpenCV)来实现点云生成、点云滤波、特征估计、三维重建、点云配准、模型拟合、目标识别和分割等。首先，输入相机视口的深度图和RGB图，根据内外参矩阵变换将深度图中的图像点转换到世界坐标点，再根据相机焦距等参数计算图像坐标点真实距离，最后输出点云数据，完成点云渲染，点云图像根据仿真的激光/光电雷达、毫米波雷达探测点云数据进行针对性的渲染，实现三维点云图像效果。仿真记录模块能够为直升机低空运行提供准确和完整的仿真数据激励和反馈。

飞行显示模块包含主飞行显示(PFD)和多功能显示(MFD)，以数字或模拟的方式显示各类飞行信息。PFD上显示空速、高度、姿态、航向、垂直速度、飞行模式、飞行指引、无线电高度等信息，同时，PFD上能够叠加显示综合视景，提升飞行员对外部环境的情景意识；MFD上显示飞行计划、导航参数、发动机参数、气象参数、应飞航向，待飞时间，待飞距离等信息。飞行显示模块能够让验证人员实时和直观地了解各类飞行信息。

飞行操控模块包括仿真驾驶杆和自动飞行控制面板(FCP)。仿真驾驶杆分为总距杆、油门台、周期变距杆和脚蹬，模拟飞行员手动操控飞机的各项机构；FCP提供高度保持、速度保持、航向保持等自动飞行模态和相关参数的设置界面。飞行操控模块提供了人机交互装置，保证了人在环的验证过程实施。

地图和数据库管理模块包含数字高程模型(DEM)和系统运行所需的各类数据库，地图管理可实现大规模DEM数据的处理，包含数据裁剪/分割、数据插值/上采样、数据存储、调用等。数据库管理包括障碍物数据库、导航数据库、性能数据库的管理，能够实现对各类数据库的查看、编辑和调用等，满足系统验证对相关数据的调用和处理需求。

IO管理模块提供所有实验室网络数据和标准总线数据的管理，包括数据管理模块和接口转换部件，其中接口转换部件只适用于基于总线通信的机载系统，如验证对象是任务规划功能软件且基于实验室网络进行通信，则验证系统不包含接口转换部件。IO管理模块符合验证系统接口控制文件(ICD)，具备总线板卡读写处理，及交互数据格式转换、存储、配置、监控和故障注入功能，是地面验证系统的数据管理中心。

自动测试模块能够进行基于需求的自动化测试验证，根据与需求对应的测试用例编辑测试脚本并运行评估，实现测试用例管理、测试脚本开发、测试空跑和跑分运行、测试报告生成和测试结果评估，同时能够记录测试的输入输出数据，也可以导入外部的地面和试飞验证数据，实现数据的记录和回放，辅助进行实验室的数据综合分析和测试结果评估。自动化测试模块保证了验证的充分性、完整性、准确性和可重复性，提升了测试验证的效率。

场景编辑模块接收地图和数据库管理模块的地图信息、障碍物数据等，将初始化信息发给仿真激励模块，将编辑后的障碍物和威胁区等外部场景信息提供给航路预规划模块，航路预规划模块根据外部场景信息在地面预规划应飞航路，将预规划航路信息发给机载低空任务规划软件/系统，机载完成航路规划后，将机载规划航路发给仿真激励模块作为待飞航路，地面预规划航路信息也可以直接发给仿真激励模块作为参照航路；同时，飞行操控模块将手动操纵和自动飞行信息发给仿真激励模块来控制飞行仿真模型，仿真激励模型接收来自地图和数据库管理模块的地图信息用于逻辑判断、参数解算等，并将主要飞行和导航信息发送给飞行显示模块。另外，自动测试模块根据设计好的测试脚本接收来自IO管理模块的测试验证输入信息，完成对直升机低空任务规划的地面验证。

图2为直升机低空任务规划测试验证流程。基于上文所述的地面验证系统功能模块，通过以下步骤实现直升机低空任务规划的地面验证。

步骤1：分析直升机低空任务运行场景，构建任务规划所需的外部场景信息。

直升机执行低空任务时关注的外部场景主要包括地形、障碍物和威胁区，在任务规划前需要对这些场景的信息进行设置。地形信息为验证系统中的DEM数据，基础精度为1角秒(约30米)，如需更高精度数据，可通过地图管理的数据差值/上采样处理功能得到；障碍物信息可以通过调用障碍物数据库在该区域的数据得到，也可以通过在可视化地图界面拖拽不同类型的障碍物图符到任务区域，并在参数设置界面对障碍物位置、包络等特性信息进行修正和确认，实现准确的障碍物信息配置；威胁区可以通过任务规划预先定义的威胁区进行设置，也可以通过在可视化地图界面拖拽不同类型的威胁区图符到任务区域，并在参数设置界面对威胁区位置、范围等特性信息进行修正和确认，实现准确的威胁区信息配置。最终完成地图、数据库、威胁区信息的地面预处理，实现对直升机低空运行外部场景信息的构建。

步骤2：根据预设场景和任务特点进行地面航路预规划。

地面航路预规划是在完成上一步地面数据预处理的基础上，开展的地面全局航路预规划。本验证系统支持多模式的低空全局航路规划设计，根据预先定义的飞行计划和航路点约束信息，采用分段规划的方法实现全局航路预规划，首先从飞行计划中提取相邻两个航路点作为规划的起点和终点，并根据规划前设定的低空任务航路类型(地形回避，地形跟随，综合突防等)，调用相应的规划函数进行分段规划；分段规划完成后，将此次输出的终点航路点作为下一规划过程的起点，并从飞行计划中提取下一个航路点，继续迭代规划，直到规划至飞行计划最后一个航路点，最终实现参考航路的全局预规划，并将预规划航路传输至机载低空任务规划软件/系统。

步骤3：基于需求开展测试用例设计，进行测试脚本编写。

基于直升机低空任务规划需求，面向各类运行场景设计测试用例，针对需求的正常和异常输入、典型和边界条件设计用例，保证测试用例的准确、全面、可执行，通过命名规范和编号保障测试用例与需求的可追溯性，测试用例主要包含测试输入、测试步骤、预期输出和结果判定逻辑，通过Excel编写，以便通过模块功能快速转换为测试脚本。

测试脚本采用Python语言编制，由七类基本操作指令构成：创建用例、添加用例、添加输入、添加输出、结束添加、执行用例、等待执行结束，这些基本操作指令组合形成完整的测试脚本，并与测试用例构成顺序和逻辑能够完全对应。自动测试模块解析测试用例，根据测试用例的测试步骤将文字描述转为程序语言，可以将通过Excel编写的测试用例转为Python脚本语言，形成系统可执行的测试脚本。

步骤4：运行地面验证系统中的其它模块，执行测试脚本，完成自动化测试验证。

将可执行的测试脚本导入自动测试模块，查看完整的测试用例信息，也可以对其中的参数更改后重新保存为新的测试用例。在测试验证之初运行地面验证系统，在导入测试脚本后，运行机载低空任务规划软件/系统，接着执行测试脚本，通过脚本自动控制完成测试验证步骤、生成测试结果并返回至自动测试模块，自动进行测试结果判定，显示通过/未通过/未测试三种测试结果，并自动生成包含用例信息、测试结果判定和追溯关系的测试报告，完成自动化测试验证过程。