无人飞机航线轨迹及任务设计与模拟工具

论文总字数：21264字

摘 要

随着科技的不断发展，无人机逐步走上历史舞台,在军用，尤其是民用方面发挥着越来越重要的作用。但针对民用无人机设计的相关软件并不常见、不成熟。对此，本次设计尝试利用JAVA语言开发一款可以进行无人机航线轨迹及任务设计与模拟的软件。本文详细介绍了设计思路、设计过程并展示了设计结果。

本文采用软件设计实现的基本方法，从需求分析入手，对软件进行系统总体设计，功能设计，模块设计，界面设计以及数据结构层面的设计，分析得到一套比较完整的设计思路。并介绍了如何利用JFC技术、Java多线程技术，通过JFrame，Canvas，JTree等颇具特色的JFC组件，遵循设计思路，为用户构建并实现一个简单的无人机航线轨迹及任务设计与模拟工具。

在实现过程中，对Canvas的使用做了较为大胆的尝试，包括添加定点的响应、利用多个对象同时在Canvas中绘制图案以及利用Canvas和线程技术制作简单的动画；也尝试利用多线程技术来达到弹出窗口的效果。

文章的最后展示了本次设计所拟定实现的软件的效果图和使用流程，以及一些简单的总结

关键词：无人机航线设计工具、JFC软件编程、JAVA多线程技术应用

Design Method of UAV track and mission design and simulation Tool

09011413 Qu Yue

Supervised by Shen Jun

Abstract：

With the continuous development of technology, UAVs gradually embarked on the stage of history, it is playing an increasingly important role in the military, especially in the civil context. But for civilian UAV design software is not common, immature. In this regard, this design attempts to use JAVA language to develop a software for UAV track and mission design and simulation. This paper describes the design concept, the design process and shows the design results.

In this paper, using the basic method of software design and implementation, and from the analysis of the needs, software system design, functional design, module design, interface design and data structure level design, to give a more complete analysis of design ideas. Describes how to use the JFC Technologies, Java multi-threading technology, through JFrame, Canvas, JTree and other distinctive JFC component, follow the design ideas , to build and implement a simple route of UAVs trajectories and mission design and simulation tools for the users.

In the implementation process, we made a more bold attempt of using the Canvas, including adding sentinel response, using of multiple objects at the same time drawing pattern in the Canvas ,using Canvas and threading technology to produce simple animation; also try to take advantage of multi-threading technology achieve the effect of pop-up window.

Finally, the article shows the realization of this software and use processes, as well as some simple summary

Keywords:

UAV route planning tools, JFC software programming, JAVA Multithreading Technology

目 录

摘要 ………………………………………………………………………… 3

Abstract ………………………………………………………………………… 4

1. 引 言 ……………………………………………………………………6

1.1 背景 ……………………………………………………………………6

1.2 现状分析……………………………………………………………………6

1.3 论文结构……………………………………………………………………7

第二章 相关技术 ……………………………………………………………………8

2.1 JFC技术 ……………………………………………………………8

2.2 多线程技术 ……………………………………………………………8

2.3 Canvas画图技术……………………………………………………………8

第三章 功能需求 ……………………………………………………………9

3.1 任务编辑 ……………………………………………………………9

3.2 任务文件生成 ……………………………………………………………9

• 1. 模拟演示 ……………………………………………………………9

第四章 系统设计 ……………………………………………………………………10

4.1 系统整体结构设计…………………………………………………………10

4.2 模块结构设计………………………………………………………………10

4.3 GUI界面设计 ………………………………………………………………12

4.4 数据结构设计………………………………………………………………14

第五章 系统实现 ……………………………………………………………………16

3.1 任务编辑模块的实现………………………………………………………16

3.2 模拟演示模块的实现………………………………………………………20

3.3 文件导出模块的实现………………………………………………………22

第四章 系统测试 ……………………………………………………………………23

总结 …………………………………………………………………………………28

致谢 …………………………………………………………………………………29

参考文献（References） ……………………………………………………………30

第一章 引言

1.1背景：

随着科技的不断发展，无人机逐步走上历史舞台,在军用、民用方面发挥着越来越重要的作用。

在军用方面，相对于传统飞机，无人机具有以下优势：更强的机动性、重量更小、更好的空气动力、环境感知、不会令相关人员疲劳、耗资更低、让飞行员远离危险。另外，无人战斗机能够开展远程超视距外空对空攻击以及视距内近程作战，而且无人战斗机成本低、数量与质量相当并且有可能用于与敌军同归于尽的战术中。

在民用方面，由于便利、经济、环保、安全等优势，使民用无人机在许多领域得到了广泛应用。除了最常见的航拍、影视拍摄和新闻报道，还有搜索救援、执法、防火、电力巡线、环保科研等行业。2014年被全球消费电子业界视为民用无人机的“起飞”之年，消费级别的无人驾驶飞行器从崭露头角到大行其道，谷歌、脸书、亚马逊、GoPro这些领先的科技企业纷纷展露出跨界野心。值得注意的是，中国企业正在这个领域快速崛起，并成为其中一支不容忽视的力量。年初美国拉斯维加斯消费电子展首次开辟的无人机展区，参展企业中有“半壁江山”来自中国，而发布了4款新产品的“大疆创新”是这些中国企业中的领跑者。

民用无人机执行任务的容错性比较小。为其定义一个错误的、不合理的任务，很可能导致无人机发生事故、损坏，而无人机的维修成本是很高的，同样也是很麻烦的。本次毕业设计所拟定制作的软件可以方便模拟、演示用户为无人机设定的任务，可以让用户更早的认识到任务的不合理所在，减小了无人机因执行的任务不合理而损坏的可能性，进而为用户减少不必要的麻烦。

更进一步，如果所有无人机的任务均按照统一格式进行编辑，本次毕业设计所拟定设计的软件，完全可以充当一个简单的、可视的无人机任务编辑工具，充当用户与高科技无人机之间的友好桥梁。让用户仅通过图形页面，便可以为无人机编辑一个安全的任务。

希望可以通过本项目做出一个真正有价值的软件，融合自己在本科学习生活中所收获的尽可能多的知识，加以利用。相信可以在制作的过程中锻炼自己的算法设计能力，JAVA项目制作的动手能力，以及相关的计算机图形学知识的运用能力，最终可以给自己的大学本科生活画上一个完美的句点。

1.2现状分析：

无人机作为一种新型的航空工具，可以完成许多传统航空工具的可以执行的任务，并且具有低能耗，更强的机动性，更长续航时间等更多的优点。

无人机的目前关于无人机的相关文献，更多的是关于如何设计一个合理的航线网络^[1]，比如如何布置航线点^[2]，如何设计优化航线^[3]。而关于无人机航线设计的软件也更多是用途比较专业的，不仅应用面比较单一，而且操作起来比较复杂。

但必须承认，目前对无人机航线的研究，已经为无人机航线的设计构建了一个比较完整的结构；无人机航线设计的相关软件也已经逐步形成规模，这些软件的基本框架是比较完善的。

本次毕业设计，希望可以对已有的结论与方法做进一步整合，取其精魄，制作一个操作简单、应用面广的无人机航线及任务设计与模拟工具。

1.3论文结构：

本文采用软件设计实现的基本方法，从需求分析入手，对软件进行系统总体设计，功能设计，模块设计，界面设计以及数据结构层面的设计，分析得到一套比较完整的设计思路。

第二章至第三章，介绍了本文应用到的主要技术，分析了本次毕业设计所拟定设计的软件的功能需求。

第四章按照从系统整体、模块到GUI界面、数据结构的顺序，一层一层的介绍了本项目的设计方案。

第五章则依次介绍了系统的主要模块的实现方法，即任务编辑模块、模拟演示模块和文件整合模块。

在第六章中，为了证实本次设计的可行性，利用简单的数据对软件进行了初步测试，并展示了测试结果。

文章的最后整合了本次设计中的优点与不足，并致谢于对本次毕业设计提供重要帮助的人。

第二章 相关技术

本次毕业设计用JAVA语言进行编写，JRE版本为JRE 1.7。故所应用到的相关技术都是java语言中的常用技术。其中最主要的相关技术如下：

2.1 JFC技术

JFC主要是由AWT、Swing以及Java 2D三者所构成，若将这些一同搭配运用，则用Java程式语言撰写开发成的使用者介面。本次设计中，利用JFC技术构建了主要的用户GUI，即软件的基本操作基本界面^[4]。

2.2 多线程技术：

多线程，是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。这要求程序能够停下手头的工作，改为处理其他一些问题，再返回主进程。在本次设计中，任务的模拟演示功能的实现和任务结点编辑功能的实现放在线程中去执行，其他功能的实现则放在主进程中去执行。当用户需要对任务结点进行编辑或者要进行模拟演示时，系统启动相应的线程完成用户的需要。在完成了用户指定的任务后，线程结束，将控制权从新返回给主进程。

2.3 Canvas画图技术：

Canvas的中文意思是画布，是JAVA中的一个基础类。相对于直接在Panel类中绘制图形，Canvas类提供了更完善的功能。最主要的是Canvas类在每次绘制图像时，都会只显示最新的内容，而不是像一般的JAVA控件一样，新旧图像一起显示。在本次设计中，我们对Canvas类做了拓展，进而生成了本项目中的MapEditer，PaintSpace两个类。这两个类分别是任务路线编辑功能和模拟演示功能中的核心类。

第三章 功能需求：

本次毕业设计所拟定设计的软件的是一个无人机航线轨迹及任务设计与模拟的工具，其基本功能需求如下：

3.1 任务编辑：

允许用户编辑多个无人机，即无人机组的航线任务：包括地图的选择，航线的轨迹设计，航线轨迹中每个任务结点的具体任务设计以及添加无人机功能。用户应可以通过地图选择功能确定其将为无人机编辑的任务所在的地图；通过航线轨迹设计功能在指定的地图上编辑无人机航线的基本轨迹；通过结点的具体任务设计功能为无人机在其要经过的航线点处下达任务；最后，用户可以通过添加无人机功能在其所指定的地图中为多个无人机编辑任务。

3.2 任务文件生成：

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