Symulator radaru statku powietrznego

Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Informatyki Rok akademicki 2011/2012 PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA Michał Pawłowski mgr inż. Zbigniew Szymański Ocena:...... Podpis Przewodniczącego Komisji Egzaminu Dyplomowego

Specjalność: Inżynieria Systemów Informatycznych Data urodzenia: 1989.07.02 Data rozpoczęcia studiów: 2008.10.01 Życiorys Urodziłem się 2 lipca 1989 roku w Warszawie. Po ukończeniu szkoły podstawowej oraz gimnazjum kontynuowałem naukę w Liceum Ogólnokształcącym im. I Dywizji Kościuszkowskiej w Piasecznie w klasie o profilu matematyczno - fizyczno - geograficznym. W 2008 roku zdałem egzamin maturalny i rozpocząłem studia na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. W trakcie studiów wyjechałem na 4 miesiące do Korei Południowej w ramach wymiany studenckiej, w trakcie której odbyłem praktyki w firmie Duck Yang Industry. W kwietniu 2012 roku rozpocząłem pracę jako programista w firmie Business Management Software.... Podpis studenta EGZAMIN DYPLOMOWY Złożył egzamin dyplomowy w dniu... 20 r z wynikiem... Ogólny wynik studiów:... Dodatkowe wnioski i uwagi Komisji:......... 2

Praca inżynierska - Pawłowski Michał STRESZCZENIE W pracy przedstawiono zaprojektowany symulator radiowego detektora przeszkód wchodzącego w skład systemu unikania kolizji AURA (autonomiczny układ antykolizyjny przeznaczony dla bezzałogowych środków latających wykorzystujący aktywną metodę teledetekcji obiektów), który może zostać użyty w bezzałogowych środkach latających. Symulator może posłużyć do testowania skuteczności algorytmów antykolizyjnych oraz metody tworzenia modelu otoczenia. Ponadto symulator pozwala na dostosowanie parametrów pracy detektora, dzięki czemu możliwe jest przeprowadzenie testów, których wykonanie byłoby bardzo trudne lub niemożliwe przy użyciu rzeczywistego statku powietrznego. W pracy opisano również podstawowe urządzenia wchodzące w skład systemu antykolizyjnego, układ współrzędnych w którym wykonane zostały używane mapy cyfrowe oraz graficzny interfejs użytkownika przedstawiający animację lotu. Słowa kluczowe: symulator, radar, bezzałogowy, statek powietrzny, samolot, AURA, OpenGL, wykrywanie kolizji PC simulator of radar and environment model for unmanned flying vehicles SUMMARY This papers describes designed simulator of radar, which is part of AURA (Autonomous collision avoidance system for unmanned flying vehicles based on active teledetection method) collision avoidance system that can be used in unmanned aerial vehicles. The simulator can be used to generate data required for testing of collision avoidance algorithms and environment model creation methods. The program allows adjusting operating parameters of the simulated device to provide possibility of preparing such test cases which would be very difficult or even impossible to prepare when using real aircraft. Moreover, the paper includes description of basic modules of the device, coordinate system in which digital maps used in the program were created and graphical user interface. Keywords: simulator, radar, unmanned, flying vehicle, aircraft, AURA, OpenGL, collision detection 3

SPIS TREŚCI ROZDZIAŁ 1 WSTĘP... 6 1.1 Wprowadzenie... 6 1.2 Cel pracy... 7 1.3 Podział pracy... 8 ROZDZIAŁ 2 PODSTAWY TEORETYCZNE... 9 2.1 Sposób działania radaru... 9 2.1.1 Elementy radaru... 9 2.1.2 Parametry działania... 10 2.2 Wykonanie symulatora... 11 2.2.1 Przyjęte założenia... 11 2.2.2 Parametry działania symulatora... 12 2.2.3 Algorytm wykrywania kolizji... 12 2.2.4 Sposób wyświetlania obiektów... 14 2.2.5 Mapy cyfrowe... 15 ROZDZIAŁ 3 OPIS SYMULATORA... 17 3.1 Środowisko i wybrane narzędzia... 17 3.2 Informacje o GUI... 18 3.3 Pliki wejściowe... 20 3.3.1 Pliki konfiguracyjne... 20 3.3.2 Mapy cyfrowe... 22 3.3.3 Plik trajektorii... 24 3.4 Pliki wyjściowe... 25 3.4.1 Plik z wykrytymi obiektami... 25 3.4.2 Mapa percepcyjna... 25 3.5 Struktura programu... 27 3.5.1 Diagram przypadków użycia... 27 3.5.2 Diagram klas... 28 3.5.3 Diagram czynności... 29 3.6 Testowanie... 30 3.6.1 Wykrywanie omijanej przeszkody... 30 3.6.2 Przelatywanie nad przeszkodami... 30 4

Praca inżynierska - Pawłowski Michał 3.6.3 Kolizja z przeszkodą... 32 ROZDZIAŁ 4 INSTRUKCJA OBSŁUGI... 33 4.1 Instalacja... 33 4.2 Okno główne... 34 4.3 Obsługa symulatora... 34 ROZDZIAŁ 5 ZAKOŃCZENIE... 35 5.1 Podsumowanie... 35 5.2 Perspektywy kontynuacji... 36 BIBLIOGRAFIA... 37 DODATEK A OPIS KLAS ORAZ METOD... 38 5

ROZDZIAŁ 1 WSTĘP 1.1 Wprowadzenie Samoloty są obecnie jednym z najbardziej rozpowszechnionych środków transportu. Na co dzień są one sterowane przez pilotów, jednak od jakiegoś czasu coraz częściej słyszy się o samolotach bezzałogowych, które mogą być kontrolowane przez człowieka z ziemi lub nawet zdolnych do podejmowania samodzielnych decyzji. Najczęściej są one wykorzystywane do celów militarnych, takich jak obserwacja i rozpoznanie terenu, a także do celów naukowych w sytuacjach, w których wykonanie pomiaru normalnymi metodami nie jest proste (np. w przypadku wykonywania pomiarów grubości warstwy ozonowej na Antarktydzie). Prowadzone są także prace nad stworzeniem bezzałogowych statków bojowych. Obecność bezzałogowych środków latających w ogólnodostępnej przestrzeni powietrznej zacznie być w najbliższej przyszłość znaczącym problemem. Spowoduje ona konieczność opracowania nowych metod zarządzania ruchem powietrznym, a także podniesienie standardów bezpieczeństwa. Ich podstawą będzie zasada Sense and Avoid będąca odpowiednikiem zasady See and Avoid stosowanej w przypadku jednostek latających pilotowanych przez ludzi [8]. Przykładem systemu antykolizyjnego realizującego tę zasadę 6

Praca inżynierska - Pawłowski Michał jest system AURA (autonomiczny układ antykolizyjny przeznaczony dla bezzałogowych środków latających wykorzystujący aktywną metodę teledetekcji obiektów) opracowywany przez Instytut Lotnictwa oraz Politechniką Warszawską. Składa się on z trzech elementów: radiowego detektora przeszkód, radiowysokościomierza oraz modułu odpowiedzialnego za unikanie kolizji [1]. Każdy z nich wyposażony jest w procesor ARM Cortex A8 odpowiedzialny za przetwarzanie danych. Pozycja samolotu ustalana jest przy pomocy urządzenia Attitude and Heading Reference System (AHRS). System ten jest także odpowiedzialny za dostarczanie informacji o składowych prędkości liniowej, składowych przyspieszenia liniowego, składowych prędkości kątowej oraz kątów nachylenia samolotu. Umożliwia on również synchronizację radiowego detektora przeszkód z radiowysokościomierzem. Głównym celem modułu odpowiedzialnego za unikanie kolizji jest tworzenie modelu otoczenia oraz wykonywanie manewrów antykolizyjnych. Model otoczenia jest generowany na podstawie map cyfrowych oraz danych zbieranych w czasie wykrywania przeszkód przez urządzenia znajdujące się na pokładzie samolotu. Zawiera informacje o rozmieszczeniu obiektów w sąsiedztwie statku powietrznego i jest wykorzystywany przez algorytmy unikania kolizji. 1.2 Cel pracy Celem pracy jest zaprojektowanie środowiska testowo symulacyjnego będącego w stanie wygenerować dane dostarczane przez radiowy detektor przeszkód, radiowysokościomierz oraz AHRS. Będą one następnie służyły jako dane wejściowe dla algorytmów wykrywania kolizji. Symulator musi umożliwiać zmianę wszystkich parametrów pracy detektora przeszkód, aby umożliwić znalezienie optymalnej konfiguracji. Elementem pracy jest również utworzenie graficznego interfejsu użytkownika, który umożliwi szybką interpretację uzyskiwanych wyników oraz dostarczy podstawowe informacje na temat lotu i położeniu statku powietrznego. 7

1.3 Podział pracy Praca podzielona jest na pięć rozdziałów. W rozdziale drugim omówione zostaną podstawy budowy symulowanego radaru, algorytmy użyte do wykonania symulatora, różne metody wyświetlania obiektów przy użyciu biblioteki OpenGL oraz podstawowe informacje o układzie współrzędnych PUWG 1992, w którym sporządzone zostały zastosowane mapy cyfrowe. W trzecim rozdziale przedstawiony zostanie sposób działania utworzonej aplikacji wraz z dokładnym opisem graficznego interfejsu użytkownika, plików wejściowych niezbędnych do działania programu oraz generowanych plików wyjściowych. Zawiera on także diagramy UML modelujące budowę i działanie aplikacji. Czwarty rozdział zawiera instrukcję użytkownika, w której przedstawiony zostanie sposób instalacji symulatora, sposób jego obsługi oraz opis dostępnych operacji. W dodatku A znajduje się opis podziału kodu programu na pliki i funkcje. 8

Praca inżynierska - Pawłowski Michał ROZDZIAŁ 2 PODSTAWY TEORETYCZNE W tym rozdziale omówione zostaną podstawy budowy symulowanego radaru, algorytmy użyte do wykonania symulatora, opis różnych metod wyświetlania obiektów przy użyciu biblioteki OpenGL oraz podstawowe informacje o układzie współrzędnych PUWG 1992, w którym sporządzone zostały zastosowane mapy cyfrowe. 2.1 Sposób działania radaru 2.1.1 Elementy radaru Podstawowymi elementami radiowego detektora przeszkód są: obrotowa głowica detektora radarowego, układ napędowy z układem sterowania obrotowej głowicy oraz zasilacz [1]. Detektor przeszkód realizuje funkcję detekcji obiektów znajdujących się na drodze statku powietrznego przy pomocy mikrofalowych modułów nadawczo-odbiorczych. Następnie, na podstawie analizy widma, określana jest ich prędkość oraz odległość od statku powietrznego. Na podstawie uzyskanych informacji tworzone są drzewa decyzyjne modelujące otoczenie samolotu. Stanowią one układ wejściowy dla sieci ARTMAP, która jest 9

odpowiedzialna za podejmowanie decyzji. Jest to ucząca się, rekurencyjna sieć neuronowa., składająca się ona z: klasyfikatora rozpoznanych sytuacji (blok wejściowy) klasyfikatora manewrów antykolizyjnych (blok wyjściowy) bloku kojarzenia rozpoznania przeszkody i manewru antykolizyjnego. 2.1.2 Parametry działania Detekcja przeszkód jest realizowana w przedniej półsferze określonej kątem w azymucie ±78º i kątem w elewacji od -12º do +36º, co odpowiada 13 strefom o szerokości 12º w azymucie oraz dwu sektorom o kącie 24º w elewacji (tab. 2.1, rys. 2.1, rys 2.2) [1]. Przestrzeń określoną kątami od 78º do 90º oraz od -78º do -90º w azymucie zajmują dwie dodatkowe strefy służące do ustalenia warunków pracy oraz do redukcji błędów wynikających z budowy radaru. Parametr Wartość Rozdzielczość skanowania w azymucie 12º Rozdzielczość skanowania w elewacji 24º Szerokość skanowanej półsfery w azymucie ±78 º Szerokość skanowanej półsfery w elewacji -12 º - 36º Ilość wydzielonych stref w azymucie 13 Ilość wydzielonych stref w elewacji 2 Zasięg Czas skanowania jednej strefy 200m 11ms Tabela 2.1. Parametry działania radiowego detektora przeszkód [1]. 10

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Rysunek 2.1. Układ wydzielonych stref w płaszczyźnie poziomej, cytat [2]. Rysunek 2.2. Układ wydzielonych stref w płaszczyźnie pionowej, cytat [2]. 2.2 Wykonanie symulatora 2.2.1 Przyjęte założenia Głównym zadaniem projektowanego symulatora jest realizacja wykrywania przeszkód na drodze statku powietrznego. Nie będzie się on zajmował dokładnym odzwierciedleniem procesów zachodzących podczas skanowania, jak również obliczaniem obecnej pozycji oraz trajektorii lotu samolotu. Wszystkie informacje niezbędne do działania programu tj. mapy cyfrowe oraz opis trajektorii przekazywane są do programu przy pomocy plików wejściowych. 11

2.2.2 Parametry działania symulatora Parametry pracy symulatora nieznacznie różnią się od parametrów pracy rzeczywistego urządzenia. Ze względów implementacyjnych skanowanie wszystkich stref odbywa się jednocześnie, a czas jednego pełnego skanowania można zdefiniować w pliku konfiguracyjnym radaru. Ponadto ilość stref w azymucie została ograniczona jedynie do stref, w których zachodzi detekcja przeszkód. W związku z możliwością zmiany parametrów pracy radiowego detektora przeszkód symulator umożliwia zmianę ich wartości w pliku konfiguracyjnym (rozdz. 3.3.1). 2.2.3 Algorytm wykrywania kolizji Wykrywanie obiektów odbywa się przy pomocy promieni wewnętrznych generowanych w każdej strefie (ich liczba może zostać zdefiniowana w pliku konfiguracyjnym). Każdy z nich ma swój początek w miejscu położenia głowicy radaru oraz długość równą jego zasięgowi (rys. 2.3). Rysunek 2.3. Pojedyncza strefa radaru z zaznaczonymi czterema promieniami wewnętrznymi. 12

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Po utworzeniu promieni należy dla każdego obiektu znajdującego się w zasięgu radaru sprawdzić, czy przynajmniej jedna z jego ścian nie przecina któregoś z nich. Jeśli tak, oznacza to, że w strefie do której dany promień należał wykryto przeszkodę. Metoda ta umożliwia również stwierdzenie, jak duża część sfery pokryta przez obiekty. W tym celu należy sprawdzić, przy użyciu ilu promieni zostały one wykryte. W celu zbadania, czy promień przecina jedną ze ścian obiektu, należy najpierw znaleźć równanie płaszczyzny do której ta ściana należy oraz punkt jej przecięcia z promieniem. Jeśli punkt znajduje się wewnątrz danej ściany, oznacza to, że promień ją przecina i w odpowiadającej mu strefie został wykryty obiekt (rys. 2.4). Rysunek 2.4. Sprawdzanie, czy promień przecina ścianę. W powyższym wypadku kolizja nie zostaje wykryta, ponieważ punkt P znajduje się poza oznaczonym czworokątem. 13

2.2.4 Sposób wyświetlania obiektów Biblioteka OpenGL udostępnia wiele funkcji pozwalających na wyświetlenie obiektów [7]. Najprostszą z nich jest funkcja glvertex3f(), która przy każdym wywołaniu określa położenie kolejnego wierzchołka (tab. 2.2). Nie jest to jednak zachowanie optymalne, biorąc pod uwagę ilość wierzchołków wyświetlanych podczas tworzenia wizualizacji terenu. Znacznie wydajniejszym mechanizmem jest tzw. Vertex Array. glbegin(gl_triangles); glvertex3f(x0,y0,z0); glvertex3f(x1,y1,z1); glvertex3f(x2,y2,z2); glend(); Tabela 2.2. Wyświetlenie trójkąta przy pomocy funkcji glvertex3f() Dzięki Vertex Array możliwe jest przesłanie informacji o położeniu wielu wierzchołków przy pomocy pojedynczej funkcji. Informacje o współrzędnych, kolorach i teksturach wierzchołków oraz o normalnych rysowanych powierzchni przechowywane są w tablicach, które następnie są przekazywane jako argumenty funkcji rysującej (tab. 2.3). Ponadto, w przypadku wielokrotnego wykorzystania tego samego wierzchołka, możliwe jest zdefiniowanie jego współrzędnych tylko raz i odwoływanie się do niego przy pomocy przypisanego do niego numeru. Pozwala to na optymalizacje przesyłania danych pomiędzy procesorem a kartą graficzną, co znacznie poprawia wydajność. GLfloat vertices[] = {x0, y0, z0, x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3}; GLubyte indices[] = {0, 1, 2, 1, 2, 3}; glenableclientstate(gl_vertex_array); glvertexpointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices); gldrawelements(gl_triangles, 6, GL_UNSIGNED_BYTE, indices); gldisableclientstate(gl_vertex_array); Tabela 2.3. Wyświetlenie czworokąta złożonego z dwóch trójkątów przy pomocy Vertex Array 14

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Wadą obu tych metod pozostaje jednak przesyłanie informacji o wyświetlanych wierzchołkach z procesora do karty graficznej przy każdym wywołaniu funkcji rysującej. Aby temu zapobiec należy użyć Vertex Buffer Object. Mechanizm ten pozwala na jednorazowe przesłanie tablic z informacjami o wierzchołkach do karty graficznej, a następnie na odwoływanie się do nich poprzez przypisane identyfikatory (tab. 2.4). GLuint vboverticesid, vboindicesid; GLfloat vertices[] = {x0, y0, z0, x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3}; GLubyte indices[] = {0, 1, 2, 1, 2, 3}; glgenbuffers(1, &vboverticesid); glgenbuffers(1, &vboindicesid); glbindbuffer(gl_array_buffer, vboverticesid); glbindbuffer(gl_element_array_buffer, vboindicesid); glbufferdata(gl_array_buffer, sizeof(glfloat) * 12, vertices, GL_STATIC_DRAW); glbufferdata(gl_array_buffer, sizeof(glubyte) * 6, indices, GL_STATIC_DRAW); glenableclientstate(gl_vertex_array); glvertexpointer(3, GL_FLOAT, 0, 0); gldrawelements(gl_triangles, 6, GL_UNSIGNED_BYTE, 0); gldisableclientstate(gl_vertex_array); Tabela 2.4. Wyświetlenie czworokąta złożonego z dwóch trójkątów przy pomocy Vertex Buffer Object 2.2.5 Mapy cyfrowe Do utworzenia wizualizacji samolotu oraz jego otoczenia niezbędne są informacje o terenie nad jakim znajduje się statek powietrzny. Będą one dostarczane przez pliki zewnętrzne, będące odpowiednio przygotowanymi mapami cyfrowymi zawierającymi dane o rodzaju terenu nad jakim znajduje się samolot, przewidywanej wysokości względna, poniżej 15

której jego ruch nie jest wskazany oraz ewentualnych przeszkodach lotniczych wraz z wysokościami na jakich się one znajdują. Wszystkie mapy są wykonane w układzie współrzędnych PUWG-1992 [4]. Jest to układ współrzędnych płaskich prostokątnych utworzony przez Państwowy Układ Współrzędnych Geodezyjnych opracowany w 1992 roku. Jest to obecnie jedyny układ obowiązujący w Polsce dla opracowań małoskalowych. Układ ten powstał w wyniku zastosowania odwzorowania Gaussa-Krügera na elipsoidę WGS-84 (elipsoida określająca kształt kuli ziemskiej, znajdująca szerokie zastosowanie w kartografii oraz systemach nawigacji satelitarnej). Ze względu na zniekształcenia sięgające do 90cm/km (rys. 2.5), układ ten jest przeznaczony do sporządzania map w skalach 1:10 000 i mniejszych. Rysunek 2.5. Rozkład zniekształceń długości w PUWG 1992 (w cm/km ), cytat [5] 16

Praca inżynierska - Pawłowski Michał ROZDZIAŁ 3 OPIS SYMULATORA W tym rozdziale przedstawiony zostanie sposób działania utworzonej aplikacji wraz z dokładnym opisem graficznego interfejsu użytkownika, plików wejściowych niezbędnych do działania programu oraz generowanych plików wyjściowych. Rozdział zawiera także diagramy UML modelujące budowę i działanie aplikacji. 3.1 Środowisko i wybrane narzędzia Symulator jest realizowany w języku C++. Do utworzenia graficznego interfejsu użytkownika jest używana biblioteka OpenGL. Wybór ten podyktowany jest faktem, że za jej pomocą można zarówno w prosty sposób tworzyć animacje jak i zrealizować podstawowe zarządzanie oknami aplikacji [6]. 17

3.2 Informacje o GUI Głównym celem tworzonej wizualizacji jest umożliwienie użytkownikowi szybkiej interpretacji uzyskiwanych wyników, a także obserwacji aktualnego położenia i trajektorii lotu statku powietrznego. W jej skład wchodzą: statek powietrzny teren znajdujący się w jego najbliższym otoczeniu siatka przedstawiająca strefy radaru rzuty perspektywiczne wybranych warstw siatki radaru informacje o trajektorii lotu przedstawiane w trybie tekstowym Teren przedstawiony na wizualizacji (rys. 3.1) tworzony jest przy pomocy map cyfrowych. Jest on budowany z sześcianów, których kolor oraz wysokość zależy od rodzaju terenu oraz wysokości, na jakiej ruch powietrzny nie jest dla danego terenu wskazany (wysokość ta będzie uważana przez radar oraz wysokościomierz za poziom ziemi). Radar wyświetlany jest w postaci siatki zbudowanej z ostrosłupów. każdy z nich reprezentuje jedną strefę radaru. W przypadku wykrycia obiektu w danej strefie, zostanie ona oznaczona kolorem czerwonym (rys. 3.2). Ze względu na rozmiar map cyfrowych, podczas pokazywania całego terenu niemożliwe okazało się płynne działanie radaru. W związku z tym wprowadzona została możliwość zmiany promienia pola widzenia w zakresie 1000~2500m, co pozwala znacznie poprawić efektywność działania aplikacji. 18

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Rysunek 3.1. Widok podstawowy graficznego interfejsu użytkownika. Rysunek 3.2. W przypadku wykrycia przeszkody strefa zostaje oznaczona kolorem czerwonym. 19

3.3 Pliki wejściowe 3.3.1 Pliki konfiguracyjne Pliki konfiguracyjne stanowią podstawę działania programu. Dzięki nim podczas uruchamiania ustalane są parametry działania symulatora oraz pozycja startowa statku powietrznego. Ponadto są w nich zawarte ścieżki plików wejściowych i wyjściowych. Dla przejrzystości utworzone zostały trzy pliki konfiguracyjne: config.txt zawierający informacje o lokalizacji wszystkich plików wejściowych i wyjściowych (w tym pozostałych dwóch plików konfiguracyjnych) (tab. 3.1), plik konfiguracyjny samolotu zawierający informacje o jego pozycji startowej (tab. 3.2) oraz plik konfiguracyjny radaru umożliwiający zmianę jego parametrów(tab. 3.3). Parametry symulatora, które nie są definiowane w pliku konfiguracyjnym tj. rozdzielczość skanowania w azymucie i w elewacji oraz szerokość skanowanej półsfery w azymucie wyznaczane są automatycznie. AIRPLANE_CONFIG config/airplane_config.dat RADAR_CONFIG config/radar_config.dat TERRAIN_TYPE_MAP maps/clutter.txt TERRAIN_HEIGHT_MAP maps/clutter_h.txt AIR_OBSTACLE_MAP maps/air_obstacles.txt PERCEPTION_MAP maps/perception_map.txt TRAJECTORY trajectory/wynik_zakret50ms.dat DETECTION_RESULTS detection_results.dat INCLUDE_TERRAIN_DETECTING false Tabela 3.1. Przykładowy plik konfiguracyjny config.txt. 20

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Znaczenie pól w pliku konfiguracyjnym: AIRPLANE_CONFIG lokalizacja pliku konfiguracyjnego statku powietrznego, RADAR_CONFIG lokalizacja pliku konfiguracyjnego radaru, TERRAIN_TYPE_MAP lokalizacja pliku wejściowego zawierającego mapy cyfrowe z danymi o typie terenu TERRAIN_HEIGHT_MAP lokalizacja pliku wejściowego zawierającego mapy cyfrowe z danymi o wysokości terenu AIR_OBSTACLE_MAP lokalizacja pliku wejściowego zawierającego mapy cyfrowe z danymi o przeszkodach lotniczych PERCEPTION_MAP - lokalizacja pliku wyjściowego zawierającego mapy cyfrowe z danymi o prawdopodobieństwie wykrycia przeszkody TRAJECTORY - lokalizacja pliku wejściowego zawierającego informacje o trajektorii lotu DETECTION_RESULTS - lokalizacja pliku wyjściowego zawierajacego infromacje o wynikach detekcji obiektów INCLUDE_TERRAIN_DETECTING - informacja dla symulatora, czy w detekcji obiektów należy uwzględniać elementy terenu (zalecane dla symulacji przy niskim pułapie lotu). Możliwe wartości: "true", "false". START_POS_X 698632 START_POS_Y 200000 Tabela 3.2. Przykładowy plik konfiguracyjny statku powietrznego. Znaczenie pól w pliku konfiguracyjnym statku powietrznego: START_POS_X współrzędna x pozycji startowej (w układzie PUWG 1992), START_POS_Y współrzędna y pozycji startowej (w układzie PUWG 1992). 21

ZONES_IN_AZIMUTH 13 ZONES_IN_ELEVATION 2 LINES_IN_AZIMUTH 2 LINES_IN_ELEVATION 2 EL_MAX_SPHERE_WIDTH 36 EL_MIN_SPHERE_WIDTH -12 RANGE 200 TIME 0.08 Tabela 3.3. Przykładowy plik konfiguracyjny radaru. Znaczenie pól w pliku konfiguracyjnym radaru: ZONES_IN_AZIMUTH ilość wydzielonych stref w azymucie, ZONES_IN_ELEVATION ilość wydzielonych stref w elewacji, LINES_IN_AZIMUTH ilość promieni wewnętrznych w azymucie przypadających na jedną strefę, LINES_IN_ELEVATION ilość promieni wewnętrznych w elewacji przypadających na jedną strefę, EL_MAX_SPHERE_WIDTH - kąt określający położenie skanowanej półsfery w elewacji EL_MIN_SPHERE_WIDTH - kąt określający położenie skanowanej półsfery w elewacji RANGE - zasięg radaru TIME - czas skanowania wszystkich stref 3.3.2 Mapy cyfrowe Mapy cyfrowe są liczbową reprezentacją terenu, nad którym porusza się statek powietrzny. Każda z map składa się z nagłówka określającego położenie opisywanego terenu oraz ciągu wartości liczbowych (tab. 3.4), który określa wysokość lub rodzaj terenu. Każdy rodzaj terenu posiada numer identyfikacyjny interpretowany przez mapy oraz przypisaną, typową wysokość względną, przy której ruch powietrzny nie jest wskazany (tab. 3.5). 22

Praca inżynierska - Pawłowski Michał ncols 485 nrows 762 xllcorner 693632.37616363 yllcorner 193146.72739078 cellsize 20 NODATA_value -9999 80 80 80 80 176 176 176 80 80 220 220 220 220 220 220 220 220... 80 80 80 80 176 176 176 176 80 220 220 220 220 220 220 220 220... Tabela 3.4. Przykładowy nagłówek mapy cyfrowej wraz z jej fragmentem. Znaczenie pól w nagłówku mapy: ncols rozmiar mapy w poziomie (liczba komórek), nrows rozmiar mapy w pionie (liczba komórek), xllcorner współrzędna x dolnego lewego rogu mapy(w układzie PUWG1992 jest to współrzędna y), yllcorner - współrzędna y dolnego lewego rogu mapy (w układzie PUWG1992 jest to współrzędna x), cellsize rozmiar pojedynczej komórki mapy w metrach, NODATA_value wartość oznaczająca brak danych o wysokości/typie terenu w danej komórce. 23

Oznaczenie Rodzaj terenu Wysokość 1 Woda 0 16 Tereny wyasfaltowane 0 80 Tereny otwarte 5 108 Drzewa/teren otwarty przemiennie 25 112 Lasy mieszane 25 116 Lasy liściaste 25 120 Lasy iglaste 25 176 Zabudowa podmiejska 10 200 Ogródki działkowe 10 208 Zabudowa miejska 15 220 Zabudowa wysoka 30 221 Zabudowa gęsta 30 241 Obszary przemysłowe 20 Tabela 3.5. Rodzaje terenu interpretowane przez symulator. 3.3.3 Plik trajektorii Do animacji lotu samolotu potrzebne są także informacje o trajektorii lotu. Zawarte są one w pliku trajektorii, którego pierwsza linia podaje rodzaj i kolejność danych znajdujących się w pliku, a następne zawierają ciąg wartości liczbowych oddzielanych przecinkiem. W pliku mogą pojawić się następujące dane: x1, y1 położenie liniowe samolotu w płaszczyźnie (względem położenia początkowego) [m], z1=-h wysokość samolotu ze znakiem minus [m], składowa pozioma prędkości liniowej [m/s], składowa poprzeczna prędkości liniowej[m/s], składowa pionowa prędkości liniowej [m/s], składowa prędkości kątowej wzdłuż podłużnej osi samolotu [deg/s], składowa prędkości kątowej wzdłuż poprzecznej osi samolotu [deg/s], 24

Praca inżynierska - Pawłowski Michał składowa prędkości kątowej wzdłuż pionowej osi samolotu [deg/s], kąt przechylenia samolotu [deg], kąt pochylenia samolotu [deg], kąt odchylenia samolotu [deg]. Do działania symulatora wymagane są jedynie: położenie liniowe samolotu, wysokość oraz kąt pochylenia w każdej z płaszczyzn, jednak plik trajektorii jest plikiem wyjściowym innego elementu systemu antykolizyjnego, w związku z czym aplikacja musi być w stanie wybrać z niego interesujące ją informacje [1]. 3.4 Pliki wyjściowe 3.4.1 Plik z wykrytymi obiektami Podczas animacji symulator zbiera dane o wykrytych obiektach. Są one zapisywane do pliku wyjściowego, którego każda linia odpowiada jednemu skanowaniu stref radaru. Zawarte są w niej informacje o aktualnej pozycji i rotacji statku powietrznego oraz numery identyfikacyjne oraz stopień pokrycia obiektami każdej ze stref (w szczególności 0 oznacza brak obiektów wykrytych w danej strefie). 3.4.2 Mapa percepcyjna Drugi z tworzonych plików jest to mapa percepcyjna utworzona o strukturze podobnej do wcześniej przedstawionych map cyfrowych [2]. Jest ona budowana zgodnie z ideą siatki pewności (certainty grid) i zawiera informacje o prawdopodobieństwie wykrycia obiektów w danym miejscu w oparciu o poprzednio wykonywane skanowania (tab 3.6). Za każdym razem kiedy radar wykryje obiekt w danym obszarze, prawdopodobieństwo wykrycia go ponownie rośnie. Zebrane w ten sposób informacje mogą sprawić, że przy następnym przelocie system antykolizyjny zdecyduje się zmienić trajektorię lotu zanim jeszcze przeszkoda zostanie wykryta przez radar. 25

Możliwe jest wyświetlenie utworzonej przez program mapy percepcyjnej. Jest to mapa o dokładności i parametrach identycznych jak mapa przeszkód lotniczych, przedstawiona w skali szarości. Prawdopodobieństwo wykrycia przeszkody w danym obszarze jest tym wyższe, im ciemniejszy jest jego kolor. ncols 485 nrows 762 xllcorner 693632.37616363 yllcorner 193146.72739078 cellsize 20 NODATA_value -9999 0 0 0.34 0.82 0.4 0 0 0 0 0... 0 0.33 1.0 0.7 0.02 0 0 0 0 0... 0 0.98 0.99 0.05 0 0 0 0 0 0... Tabela 3.6. Przykładowy nagłówek mapy percepcyjnej wraz z jej fragmentem. 26

Praca inżynierska - Pawłowski Michał 3.5 Struktura programu 3.5.1 Diagram przypadków użycia 27

3.5.2 Diagram klas 28

Praca inżynierska - Pawłowski Michał 3.5.3 Diagram czynności 29

3.6 Testowanie Do testowania programu posłużyły dane zapisane w mapie percepcyjnej. Zostały one porównane z odpowiadającymi im obszarami mapy przeszkód lotniczych. 3.6.1 Wykrywanie omijanej przeszkody W tym teście celem radaru było wykrycie przeszkód podczas manewru skręcania (rys. 3.3). Pełne wykrycie pierwszej przeszkody było niemożliwe, ponieważ duża jej część znajdowała się poza zasięgiem radaru (rys. 3.4). Rysunek 3.3. Przeszkody lotnicze wykrywane podczas manewru skrętu w lewo. Rysunek 3.4. Mapa percepcyjna wygenerowana podczas manewru skrętu w lewo. 3.6.2 Przelatywanie nad przeszkodami W tym teście sprawdzona została efektywność radaru podczas przelatywania tuż nad przeszkodami podczas identycznego skrętu w lewo (rys. 3.5). W związku z rozmieszczeniem stref radaru w elewacji przeszkody były widoczne tylko przez chwilę, co spowodowało niską wartość gęstości prawdopodobieństwa wpisaną do mapy cyfrowej w miejscu położenia 30

Praca inżynierska - Pawłowski Michał przeszkody (rys. 3.6). Po zmianie parametrów pracy radaru na 3 strefy w elewacji wykrywające w zakresie -35-35 uzyskane wyniki dużo lepiej oddają położenie przeszkód (rys. 3.7). Rysunek 3.5. Przeszkody lotnicze wykrywane podczas manewru skrętu w lewo podczas przelatywania nad przeszkodami znajdującymi się po lewej stronie rysunku. Rysunek 3.6. Mapa percepcyjna wygenerowana podczas manewru skrętu w lewo podczas przelatywania nad przeszkodami znajdującymi się po lewej stronie rysunku. Rysunek 3.7. Mapa percepcyjna wygenerowana podczas manewru skrętu w lewo podczas przelatywania nad przeszkodami znajdującymi się po lewej stronie rysunku po zmianie parametrów pracy radaru. 31

3.6.3 Kolizja z przeszkodą W tym teście pokazane zostały dane generowane podczas kolizji z przeszkodą podczas lotu prosto (rys 3.8). W związku z niedużą odległością przeszkody symulator jest w stanie oznaczyć ją na mapie percepcyjnej dużo lepiej niż w poprzednich testach (rys. 3.9). Rysunek 3.8. Przeszkody lotnicze znajdujące się w polu widzenia podczas kolizji z przeszkodą znajdującą się po prawej stronie. Rysunek 3.9. Mapa percepcyjna wygenerowana podczas kolizji z przeszkodą. 32

Praca inżynierska - Pawłowski Michał ROZDZIAŁ 4 INSTRUKCJA OBSŁUGI Ten rozdział zawiera instrukcję użytkownika, w której przedstawiony zostanie sposób instalacji symulatora, sposób jego obsługi oraz opis dostępnych operacji. 4.1 Instalacja W katalogu, w którym znajduje się program należy utworzyć folder config, a w nim plik config.dat (o ile nie istnieje) według schematu podanego w rozdziale 3.3.1, w którym należy uzupełnić wszystkie wymagane pola. Następnie można uruchomić program przy pomocy pliku wykonywalnego RadarSimulator.exe. 33

4.2 Okno główne Po uruchomieniu programu użytkownik może zobaczyć okno główne składające się z widoku perspektywicznego oraz panelu bocznego znajdującego się po prawej stronie ekranu. W widoku perspektywicznym widoczny jest statek powietrzny wraz z jego najbliższym otoczeniem oraz siatką symulowanego radaru. W panelu bocznym znajdują się cztery okna, przedstawiające informacje o aktualnie wykrywanych obiektach oraz trajektorii lotu. W dwóch górnych oknach znajduje się rzut perspektywiczny kolejnych stref radaru w azymucie. W trzecim oknie przedstawiany jest widok radaru z boku, natomiast w czwartym oknie przedstawione są informacje o trajektorii lotu w trybie tekstowym. Istnieje możliwość wyświetlenia mapy przeszkód lotniczych oraz utworzonej mapy percepcyjnej poprzez wybranie odpowiedniego trybu w zakładce "View" menu kontekstowego. Spowoduje to zatrzymanie animacji i niemożność jej wznowienia, dopóki program nie zostanie ponownie przełączony w tryb widoku perspektywicznego. 4.3 Obsługa symulatora możemy: Obsługa programu odbywa się przy pomocy menu kontekstowego. Za jego pomocą wznowić/zatrzymać animację (skrót klawiszowy: P) włączyć/wyłączyć tryb podążania kamery za statkiem powietrznym (skrót klawiszowy: M) zwiększyć/zmniejszyć promień widzenia (skróty klawiszowe: +/-) wybrać tryb wyświetlania (skrót klawiszowy: V) zakończyć działanie aplikacji (skrót klawiszowy: ESC) 34

Praca inżynierska - Pawłowski Michał ROZDZIAŁ 5 ZAKOŃCZENIE 5.1 Podsumowanie W ramach pracy inżynierskiej został wykonany symulator radaru statku powietrznego spełniający wszystkie wymagania funkcjonalne ujęte w zakresie pracy. Umożliwia on sprawdzenie sposobu działania radaru przy użyciu różnych ustawień i porównanie ich na podstawie plików wyjściowych. Może on zostać wykorzystany w projekcie AURA bez potrzeby ingerencji w pliki, ani w strukturę tego systemu. Poza przeprowadzaniem samych symulacji, utworzona aplikacja może posłużyć także do zaprezentowania działania całego systemu antykolizyjnego. W tym wypadku jako pliki wejściowe powinny posłużyć dane wygenerowane podczas lotu. Dzięki temu poza wykrywanymi obiektami, będzie można także zaobserwować podejmowane przez system decyzje o zmianie trajektorii lotu. Temat pracy został zaprezentowany 30 maja na konferencji XXX-th IEEE-SPIE Joint Symposium Wilga 2012 [3]. 35

5.2 Perspektywy kontynuacji Pomimo spełnienia wszystkich wymagań pracy, nadal istnieje wiele możliwości ulepszenia utworzonego symulatora. Obecnie program obsługuje tylko jedną mapę cyfrową, której ścieżka jest podana w pliku konfiguracyjnym. W momencie opuszczenia przez statek powietrzny terenu opisywanego przez mapę animacja ulega zatrzymaniu. W kolejnej wersji programu możliwe mogłoby być wykrycie tego typu sytuacji i wczytanie kolejnego pliku z mapami z odpowiedniego katalogu lub pobranie odpowiednich map z Internetu. Kolejną możliwą ścieżką rozwoju jest utworzenie narzędzia do samodzielnego definiowania przeszkód lotniczych oraz prostych trajektorii lotu, dzięki któremu testowanie zachowania radaru będzie wymagało mniejszego wkładu pracy. Możliwe jest także poprawienie wydajności programu poprzez minimalizację informacji przesyłanych z procesora karty graficznej. W tym celu należałby zmienić sposób wyświetlania elementów terenu w taki sposób, aby analizowane były tylko te widoczne w scenie oraz zastosować mechanizm Vetrex Buffer Objects. 36

Praca inżynierska - Pawłowski Michał BIBLIOGRAFIA [1] "Autonomiczny układ antykolizyjny przeznaczony dla bezzałogowych środków latających wykorzystujący aktywną metodę teledetekcji obiektów - Koncepcja systemu antykolizyjnego", Instytut Lotnictwa, 2011. [2] Stanisław Jankowski, Zbigniew Szymański, Jan Szczyrek, "Metoda tworzenia modelu otoczenia z pomiarów Radarowego Detektora Przeszkód w systemie unikania kolizji", w druku. [3] Michał Pawłowski, Zbigniew Szymański, "Environment model for unmanned flying vehicles based on simulated radar data", w druku. [4] R. Pażus, J. Bosy, "Państwowy system odniesień przestrzennych. Część 1: systemy i układy odniesienia w Polsce", Główny Urząd Geodezji I Kartografii [5] Układ współrzędnych PUWG 1992, http://www.pl.wikipedia.org/, 09.2012 [6] Mark J. Kilgard, "The OpenGL Utility Toolkit (GLUT) Programming Interface", 1996. [7] Mark Segal, Kurt Akeley, "The OpenGL Graphics System: A Specification (Version 4.2)", 2011. [8] J. D. Grithy, M. J. Kochenderferz, J. K. Kuchar, "Electro-Optical System Analysis for Sense and Avoid", AIAA Guidance - Navigation and Control Conference and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1-11 (2008) 37

DODATEK A OPIS KLAS ORAZ METOD W plikach OpenGL.cpp oraz OpenGL.hpp (nagłówkowy) zawarte są funkcje pozwalające zarządzać budową oraz wyświetlaniem okien. Służą jako kontroler całej aplikacji. Nazwa funkcji Argumenty Wartość Opis zwracana initanimation() Argumenty wywołania programu (int, int**) - Inicjalizuje zmienne i wczytuje pliki wejściowe startanimation() - - Rozpoczyna animacje przy pomocy funkcji glutmainloop() close() - - Zamyka program createmenus() menu() menumap() menufollow() - - Inicjalizacja i zarządzanie menu kontekstowym 38

Praca inżynierska - Pawłowski Michał createwindows() init() idle() timer() reshapesubwindows() reshapemainwindow() displaymain() inputkey() specialkey() displaytoplayer() displaybotlayer() displayside() displayperspective() displayobjects() - - Inicjalizacja i zarządzanie podoknami aplikacji - - Definicja skrótów klawiszowych - - Wyświetlenie rzutów perspektywicznych w trzech górnych pod oknach aplikacji - - Wyświetlenie widoku perspektywicznego displayinfo() - - Wyświetlenie żądanych informacji w dolnym podoknie aplikacji drawstring Tekst, Kolor, Czcionka (char*, flaot*, void*) - Wyświetla podany tekst w wybranym kolorze oraz przy użyciu wybranej czcionki calculatefps() - - Oblicza ilosć wyświetlanych klatek na sekundę na podstawie numeru klatki Tabela 1. Funkcje w plikach OpenGL.cpp oraz OpenGL.hpp. 39

Klasa Radar zawarta jest w plikach Radar.cpp oraz Radar.hpp (nagłówkowy). Pozwala ona wykrywać obiekty znajdujące się na liście pobliskich przeszkód lotniczych, a także wyświetlić wyniki detekcji na ekranie. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Radar:: Radar() Nazwa pliku konfiguracyjnego (std::string) - Tworzy obiekt reprezentujący radar na podstawie pliku konfiguracyjnego Radar:: drawzones() Radar:: drawinnerlines() - - Wyświetla strefy radaru - - Wyświetla promienie wewnętrzne w każdej ze sfer Radar:: drawlayer() Numer warstwy siatki radaru (int) - Wyświetla rzut perspektywiczny w poziomie wybranej warstwy siatki radaru Radar:: drawside() - - Wyświetla rzut perspektywiczny w pionie siatki radaru Radar:: Odległość w jakiej Prawda/Fałsz Sprawdza, czy podana odległość isinrange() znajduje się inny obiekt (bool) jest mniejsza od zasięgu radaru (float) Radar:: detect() Lista przeszkód (Obstacles*) - Sprawdza, czy przeszkody znajdujące się na liście zostaną wykryte przez radar Tabela 2. Metody publiczne klasy Radar. 40

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Klasa Altimeter zawarta jest w plikach Altimeter.cpp oraz Altimeter.hpp (nagłówkowy). Reprezentuje ona wysokościomierz i pozwala obliczyć wykrywaną przez niego wysokość. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość Opis Nazwa metody zwracana Altimeter:: Altimeter Mapa cyfrowa (DigitalMap*) - Tworzy obiekt reprezentujący wysokościomierz, który będzie pobierał dane z podanej mapy cyfrowej Altimeter:: Indeksy aktualnej pozycji float Zwraca wartość wysokości getdetectedheight() w podanej mapie cyfrowej, wykrywaną przez aktualna wysokość wysokościomierz (int, int, float) Tabela 4. Metody publiczne klasy Altimeter. Klasa Airplane zawarta jest w plikach Airplane.cpp oraz Airplane.hpp (nagłówkowy). Przechowuje ona informacje o aktualnym położeniu samolotu w przestrzeni. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Airplane:: Airplane() Nazwa pliku konfiguracyjnego (std::string) - Tworzy obiekt reprezentujący statek powietrzny Airplane:: draw() - - Wizualizuje obiekt przy pomocy biblioteki OpenGL Tabela 4. Metody publiczne klasy Airplane. 41

Klasa Trajectory zawarta jest w plikach Trajectory.cpp oraz Trajectory.hpp (nagłówkowy). Przechowuje ona informacje o trajektorii lotu statku powietrznego. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Trajectory:: Trajectory() Nazwa pliku konfiguracyjnego (std::string) - Tworzy obiekt reprezentujący trajektorię lotu Trajectory:: scale() Skala (float) - Przeskalowanie wszystkich parametrów trajektorii wyrażonych w metrach Trajectory:: reset() - - Ustawia pozycję początkową jako aktualną pozycję Trajectory:: printtrajectory() Nazwa pliku (std::string) - Zapisuje trajektorię do pliku o wskazanej nazwie Tabela 3. Metody publiczne klasy Trajectory. 42

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Klasa DigitalMap zawarta jest w plikach DigitalMap.cpp oraz DigitalMap.hpp (nagłówkowy). Służy ona do reprezentacji wszystkich map cyfrowych używanych w czasie działania aplikacji. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody DigitalMap:: DigitalMap() Wartości nagłówka mapy cyfrowej (int, int, float, float, float, float) - Tworzy obiekt reprezentujący mapę cyfrową o podanych parametrach i wartościach równych NODATA_value DigitalMap:: DigitalMap() Nazwa pliku z mapą cyfrową (std::string) - Tworzy obiekt reprezentujący mapę cyfrową na podstawie podanego pliku DigitalMap:: printmap() - - Zapisuje mapę cyfrową do pliku o wcześniej podanej nazwie DigitalMap:: printmap() Nazwa pliku docelowego (std::string) - Zapisuje mapę cyfrową do podanego pliku DigitalMap:: scale() Skala (float) - Skaluje wartości nagłówka wyrażone w metrach i wartości mapy cyfrowej, jeśli są wyrażone w metrach Tabela 5. Metody publiczne klasy DigitalMap. 43

Pliki Geometry.cpp oraz Geometry.hpp (nagłówkowy) zawierają klasy reprezentujące punkt, linię, odcinek, czworokąt, trójkąt, płaszczyznę oraz wektor. Każda z nich umożliwia wykonywanie operacji matematycznych, dzięki którym realizowany jest algorytm wykrywania obiektów. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Point:: Point() - - Tworzy obiekt reprezentujący punkt o współrzędnych (0, 0, 0) Point:: Point() Współrzędne punktu (float, float, float) - Tworzy obiekt reprezentujący punkt o podanych współrzędnych Point:: Point() Punkt (Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący punkt o współrzędnych równych współrzędnym podanego punktu Point:: rotate() Kąty obrotu w osiach OX, OY oraz OZ (float, flaot, float) - Obraca punkt wokół punktu (0, 0, 0) static Point:: rotate() Punkt, kąty obrotu w osiach OX, OY oraz OZ (Point*, float, flaot, float) - Obraca podany punkt wokół punktu (0, 0, 0) Point:: Punkt Odległość od Oblicza odległość od podanego distance() (Point*) podanego punktu punktu (float) static Point:: Punkt, Punkt Odległość pomiędzy Oblicza odległość pomiędzy distance() (Point*, Point*, dwoma punktami dwoma punktami Point*) (float) 44

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Point:: Współrzędne punktu Prawda/Fałsz Sprawdza, czy współrzędne isequal() (float, float, float) (bool) punktu są równe podanym współrzędnym Point:: Punkt Prawda/Fałsz Sprawdza, czy współrzędne isequal() (Point*) (bool) punktu są równe współrzędnym podanego punktu Point:: gldraw() - - Wykonuje funkcję glvertex3f() przy użyciu współrzędnych punktu Tabela 6. Metody publiczne klasy Point. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody LineSegment:: LineSegment() - - Tworzy obiekt reprezentujący odcinek LineSegment:: LineSegment() Punkt, Punkt (Point*, Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący odcinek o punktach początkowym i końcowym równym podanym pounktom LineSegment:: LineSegment() Odcinek (LineSegment*) - Tworzy obiekt reprezentujący odcinek o identyczny do podanego LineSegment:: gldraw() - - Wyświetla linię przy pomocy biblioteki OpenGL Tabela 7. Metody publiczne klasy LineSegment. 45

Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Vector:: Vector() - - Tworzy obiekt reprezentujący wektor o współrzędnych (0, 0, 0) Vector:: Vector() Współrzędne punktu (float, float, float) - Tworzy obiekt reprezentujący wektor o podanych współrzędnych Vector:: Vector() Punkt, Punkt (Point*, Point*, Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący wektor o początku w punkcie pierwszym i końcu w punkcie drugim Vector:: Vector() Wektor (Vector*) - Tworzy obiekt reprezentujący wektor o współrzędnych równych współrzędnym podanego wektora Vector:: Współrzędne wektora Prawda/Fałsz Sprawdza, czy współrzędne isequal() (float, float, float) (bool) wektora są równe podanym współrzędnym Vector:: Wektor Prawda/Fałsz Sprawdza, czy współrzędne isequal() (Vector*) (bool) wektora są równe współrzędnym podanego wektora Vector:: Wektor Iloczyn wektorowy Oblicza iloczyn wektorowy crossproduct() (Vector*) (Vector*) static Vector:: Wektor, Wektor Iloczyn wektorowy Oblicza iloczyn wektorowy crossproduct() (Vector*, Vector*) (Vector*) dwóch wektorów Tabela 8. Metody publiczne klasy Vector. 46

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Line:: Line() - - Tworzy obiekt reprezentujący prostą Line:: Line() Punkt, Punkt (Point*, Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący prostą przechodzącą przez podane punkty Line:: Line() Punt, Wektor kierunkowy prostej (Point*, Vector*) - Tworzy obiekt reprezentujący prostą o podanym wektorze kierunkowym, która przechodzi przez dany punkt Line:: Line() Linia (Line*) - Tworzy obiekt reprezentujący prostą identyczną do podanej Line:: Punkt Prawda/Fałsz Sprawdza, czy podany punkt belong() (Point*) (bool) należy do prostej Line:: Punkt Punkt będący rzutem Rzutuje punkt na prostą project() (Point*) punktu podanego jako argument funkcji (Point*) Tabela 9. Metody publiczne klasy Line. 47

Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Plane:: Plane() - - Tworzy obiekt reprezentujący płaszczyznę Plane:: Plane() Parametry równania ogólnego płaszczyzny (float, float, float) - Tworzy obiekt reprezentujący płaszczyznę o podanych parametrach równania ogólnego Plane:: Plane() Punkt, Punkt, Punkt (Point*, Point*, Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący płaszczyznę przechodzącą przez podane punkty Plane:: Plane() Płaszczyzna (Plane*) - Tworzy obiekt reprezentujący płaszczyznę identyczną do podanej Plane:: Punkt Prawda/Fałsz Sprawdza, czy podany punkt belongs() (Point*) (bool) należy do płaszczyzny Plane:: Linia Punkt przecięcia Oblicza punkt przecięcia podanej crosspoint() (Line*) prostej z płaszczyzną prostej z płaszczyzną (Point*) Plane:: getnormal() - Wektor prostopadły do płaszczyzny (Vector*) Zwraca wektor prostopadły do płaszczyzny Tabela 10. Metody publiczne klasy Plane. 48

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Triangle:: Triangle () - - Tworzy obiekt reprezentujący trójkąt Triangle:: Triangle () Punkt, Punkt, Punkt (Point*, Point*, Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący trójkąt składający się z podanych punktów Triangle:: Triangle () Trójkąt (Triangle *) - Tworzy obiekt reprezentujący trójkąt identyczny do podanego Triangle:: getnormal() - Wektor prostopadły do trójkąta (Vector*) Zwraca wektor prostopadły do trójkąta Triangle:: gldraw() - - Wyświetla trójkąt przy pomocy biblioteki OpenGL Triangle:: gldraw () Wektor (Vector*) - Wyświetla trójkąt przy pomocy biblioteki OpenGL przyjmując podany wektor jako jego normalną Tabela 11. Metody publiczne klasy Triangle. 49

Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Quadrilateral:: Quadrilateral() - - Tworzy obiekt reprezentujący czworokąt Quadrilateral:: Quadrilateral() Punkt, Punkt, Punkt, Punkt (Point*, Point*, Point*, Point*) - Tworzy obiekt reprezentujący czworokąt składający się z podanych punktów Quadrilateral:: Quadrilateral() Czworokąt (Quadrilateral*) - Tworzy obiekt reprezentujący czworokąt identyczny do podanego Quadrilateral:: Punkt Prawda/Fałsz Sprawdza, czy punkt należy do belongs() (Point*) (bool) czworokąta Quadrilateral:: getnormal() - Wektor prostopadły do czworokąta (Vector*) Zwraca wektor prostopadły do czworokąta Quadrilateral:: gldraw() - - Wyświetla czworokąt przy pomocy biblioteki OpenGL Quadrilateral:: gldraw () Wektor (Vector*) - Wyświetla czworokąt przy pomocy biblioteki OpenGL przyjmując podany wektor jako jego normalną Tabela 12. Metody publiczne klasy Quadrilateral. 50

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Klasa Complex zawarta jest w plikach Complex.cpp oraz Complex.hpp (nagłówkowy). Pozwala ona na wykonywanie operacji na liczbach zespolonych. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Complex:: Complex() Część rzeczywista i część urojona (float float) - Tworzy obiekt reprezentujący liczbę zespoloną o części rzeczywistej i urojonej równej podanym Complex:: Complex() Liczba zespolona (Complex&) - Tworzy obiekt reprezentujący liczbę zespoloną równą podanej liczbie zespolonej Operatory Liczba zespolona Liczba zespolona Tworzy obiekt będący wynikiem +, -, *, / (Complex&) (Complex) podanej operacji na dwóch liczbach zespolonych Operatory Liczba zespolona Liczba zespolona Wykonuje operację na dwóch +=, -=, *=, /= (Complex&) (Complex&) liczbach zespolonych Complex:: Liczba zespolona Odległość pomiędzy Oblicza odległość pomiędzy distance() (Complex&) dwoma liczbami zespolonymi dwoma liczbami zespolonymi (float) Complex:: Liczba zespolona, Odległość pomiędzy Oblicza odległość pomiędzy distance() Liczba zespolona dwoma liczbami dwoma liczbami zespolonymi (Complex&, zespolonymi Complex&) (float) Tabela 13. Metody publiczne klasy Complex. 51

Klasa FileWriter zawarta jest w plikach FileWriter.cpp oraz FileWriter.hpp (nagłówkowy). Służy ona do przechowywania i zapisu do pliku dowolnych operacji. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody FileWriter:: FileWriter() - - Tworzy nowy obiekt do przechowywania informacji FileWriter:: FileWriter() Nazwa pliku docelowego (std::string) - Tworzy nowy obiekt do przechowywania informacji FileWriter:: addline() Następna linia pliku (std::string) - Dodaje do przechowywanych informacji kolejną linię FileWriter:: createfile() - Tworzy nowy plik o nazwie podanej podczas tworzenia obiektu FileWriter:: createfile() Nazwa pliku docelowego (std::string) - Tworzy nowy plik o podanej nazwie Tabela 14. Metody publiczne klasy FileWriter. 52

Praca inżynierska - Pawłowski Michał Klasa Obstacles zawarta jest w plikach Obstacles.cpp oraz Obstacles.hpp (nagłówkowy). Służy ona do przechowywania listy znajdujących się w pobliżu przeszkód. Nazwa klasy:: Argumenty Wartość zwracana Opis Nazwa metody Obstacles:: Obstacles() - - Tworzy nową listę przeszkód Obstacles:: begin() - Pierwsza przeszkoda z listy (Obstacle*) Zwraca wskazanie na pierwszą przeszkodę z listy Obstacles:: end() - Ostatnią przeszkoda z listy (Obstacle*) Zwraca wskazanie na ostatnią przeszkodę z listy Obstacles:: add() Punkt, Punkt, Punkt, Punkt (Point*, Point*, Point*, Point*) - Tworzy nową przeszkodę o podanych współrzędnych i dodaje ją do listy Obstacles:: add() Czworokąt (Quadrilateral*) - Tworzy nową przeszkodę o współrzędnych równych współrzędnym czworokąta i dodaje ją do listy Obstacles:: clear() - - Usuwa wszystkie przeszkody z listy Obstacles:: isempty() - Prawda/Fałsz (bool) Sprawdza, czy lista przeszkód jest pusta Obstacles:: size() - Ilość obiektów znajdujących się w liście Zwraca informację o ilości przeszkód znajdujących się na liście Tabela 15. Metody publiczne klasy Obstacles. 53