Cesium 根据飞机航线计算飞机的Heading(偏航角)、Pitch(俯仰角)、Roll(翻滚角)

需求

设置飞机的一些坐标位置(经纬度高度),插值得到更多的坐标位置,然后飞机按照这些坐标集合形成的航线飞行,飞机的朝向、俯仰角以及飞机转弯时的翻转角根据坐标集合计算得出,而不需要手动设置heading、pitch、roll。

坐标插值

不知道为什么,可能是飞行速度变化太大,我用Cesium自带的插值,计算出的航线很奇怪

// 如下代码插值计算出的航线有问题
property.setInterpolationOptions({ 
    interpolationDegree : 5, 
    interpolationAlgorithm : Cesium.LagrangePolynomialApproximation 
}); 

自己写的插值计算,效果等同于Cesium自带的线性插值。
思路很简单,每次插值,就是取时间的中点,两个坐标的中点。
代码如下:

/**
* 重新采样
* @param { [{ time:string, lng:number, lat:number, height:number }] } positions 坐标集合
*/
function sameple(positions) {
    for (let i = 0; i < 3; i++) {
        samepleOnce(positions);
    }
}

/**
 * 重新采样
 * @param { [{ time:string, lng:number, lat:number, height:number }] } positions 坐标集合
 */
function samepleOnce(positions) {
    for (let i = 0; i < positions.length - 1; i += 2) {
        let pos1 = positions[i];
        let pos2 = positions[i + 1];
        let time1 = dayjs(pos1.time, 'YYYY-MM-DD HH:mm:ss');
        let time2 = dayjs(pos2.time, 'YYYY-MM-DD HH:mm:ss');
        let time = time1.add(time2.diff(time1) / 2.0, 'millisecond');
        let lng = (pos1.lng + pos2.lng) / 2.0;
        let lat = (pos1.lat + pos2.lat) / 2.0;
        let height = (pos1.height + pos2.height) / 2.0;
        let pos = {
            time: time.format('YYYY-MM-DD HH:mm:ss.SSS'),
            lng: lng,
            lat: lat,
            height: height,
        }
        positions.splice(i + 1, 0, pos);
    }
}

根据航线坐标集合计算heading、pitch、roll

从网上抄的计算heading和pitch的方法(参考博客:https://blog.csdn.net/u010447508/article/details/105562542?_refluxos=a10):

/**
 * 根据两个坐标点,获取Heading(朝向)
 * @param { Cesium.Cartesian3 } pointA 
 * @param { Cesium.Cartesian3 } pointB 
 * @returns 
 */
function getHeading(pointA, pointB) {
    //建立以点A为原点,X轴为east,Y轴为north,Z轴朝上的坐标系
    const transform = Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame(pointA);
    //向量AB
    const positionvector = Cesium.Cartesian3.subtract(pointB, pointA, new Cesium.Cartesian3());
    //因transform是将A为原点的eastNorthUp坐标系中的点转换到世界坐标系的矩阵
    //AB为世界坐标中的向量
    //因此将AB向量转换为A原点坐标系中的向量,需乘以transform的逆矩阵。
    const vector = Cesium.Matrix4.multiplyByPointAsVector(
        Cesium.Matrix4.inverse(transform, new Cesium.Matrix4()),
        positionvector,
        new Cesium.Cartesian3()
    );
    //归一化
    const direction = Cesium.Cartesian3.normalize(vector, new Cesium.Cartesian3());
    //heading
    let heading = Math.atan2(direction.y, direction.x) - Cesium.Math.PI_OVER_TWO;
    heading = Cesium.Math.TWO_PI - Cesium.Math.zeroToTwoPi(heading);
    return Cesium.Math.toDegrees(heading);
}

/**
 * 根据两个坐标点,获取Pitch(仰角)
 * @param { Cesium.Cartesian3 } pointA 
 * @param { Cesium.Cartesian3 } pointB 
 * @returns 
 */
function getPitch(pointA, pointB) {
    let transfrom = Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame(pointA);
    const vector = Cesium.Cartesian3.subtract(pointB, pointA, new Cesium.Cartesian3());
    let direction = Cesium.Matrix4.multiplyByPointAsVector(Cesium.Matrix4.inverse(transfrom, transfrom), vector, vector);
    Cesium.Cartesian3.normalize(direction, direction);
    //因为direction已归一化,斜边长度等于1,所以余弦函数等于direction.z
    let pitch = Cesium.Math.PI_OVER_TWO - Cesium.Math.acosClamped(direction.z);
    return Cesium.Math.toDegrees(pitch);
}

根据航线坐标集合计算heading、pitch、roll:

/**
 * 计算无人机的heading
 * @param { [{ time:string, lng:number, lat:number, height:number }] } positions 坐标集合
 */
function calcHeading(positions) {
    // 清空原有heading
    positions.map(pos => {
        pos.heading = undefined;
    });

    for (let i = 0; i < positions.length - 1; i++) {
        let pos1 = positions[i];
        let pos2 = positions[i + 1];
        let heading = -90 + getHeading(Cesium.Cartesian3.fromDegrees(pos1.lng, pos1.lat), Cesium.Cartesian3.fromDegrees(pos2.lng, pos2.lat));
        if (!pos1.heading) {
            pos1.heading = heading;
        }
        pos2.heading = heading;
    }
}

/**
 * 计算无人机的pitch
 * @param { [{ time:string, lng:number, lat:number, height:number }] } positions 坐标集合
 */
function calcPitch(positions) {
    // 清空原有pitch
    positions.map(pos => {
        pos.pitch = undefined;
    });

    for (let i = 0; i < positions.length - 1; i++) {
        let pos1 = positions[i];
        let pos2 = positions[i + 1];
        let pitch = getPitch(Cesium.Cartesian3.fromDegrees(pos1.lng, pos1.lat, pos1.height), Cesium.Cartesian3.fromDegrees(pos2.lng, pos2.lat, pos2.height));
        if (!pos1.pitch) {
            pos1.pitch = pitch;
        }
        pos2.pitch = pitch;
    }
}

/**
 * 计算无人机的roll(不支持转弯大于90度)
 * @param { [{ time:string, lng:number, lat:number, height:number }] } positions 坐标集合
 */
function calcRoll(positions) {
    // 清空原有roll
    positions.map(pos => {
        pos.roll = undefined;
    });

    for (let i = 1; i < positions.length - 1; i++) {
        let pos1 = positions[i];
        let pos2 = positions[i + 1];
        let deltaHeading = pos2.heading - pos1.heading;
        pos2.roll = deltaHeading / 1.5;
    }
}

效果

主要是飞机的朝向和转弯时的翻滚,俯仰角这里没体现。

遇到的问题

  1. 插值计算的问题,就是设置的坐标集合,是拆线,最好把它插值成平滑曲线,但是Cesium自带的插值,有时间参数,而我想仅仅通过经纬度集合来插值。
  2. 我写的计算roll的方法有问题,不支持转弯大于90度的情况,花了一些时间,没搞定。转弯小于90度,凑合用,测试了几组数据没问题,但仍不确定有没有BUG。严格来讲,根据这些参数,这个roll是算不出来的,但是,该算法要求根据飞机的转弯半径及方向,给出一个相对合理的roll值。
    抛砖引玉,有没有高手给个提示,插值问题怎么解决?roll的正确的通用的计算方法?
posted @ 2024-04-02 12:16  0611163  阅读(638)  评论(0编辑  收藏  举报