基于舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数获取方法

1.本发明涉及无人机着陆技术领域，具体涉及一种基于舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数获取方法。


背景技术：

2.在舰船配备有导航系统时，可以通过该导航系统测量舰船振荡和平动的全部参数。考虑到盲区以及相机镜头与回收装置瞄准点的分离特性，许多民用船舶缺少确定其摇晃参数的精确导航系统这一事实，导致无人机无法登陆民用船舶；在舰船摇晃时，船载回收装置的位置会沿垂直轴和水平轴移动，为了保证无人机与回收装置的顺利对接，有必要建立舰船在不规则波浪中摇荡模型，为不同着陆条件下的回收装置坐标预测奠定基础。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种基于舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数获取方法。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数获取方法，包括以下分步骤：s1、构建无人机回收着陆装置，并根据无人机回收着陆装置构建运动学模型；s2、根据运动学模型构建基于舰船摇晃下的稳定性模型；s3、根据稳定性模型计算摇荡参数；s4、根据摇荡参数构建基于舰船摇晃的摇荡模型，并根据摇荡模型获取无人机回收着陆的幅频特性参数。
5.本发明具有以下有益效果：通过构建无人机回收着陆装置，并根据无人机回收着陆装置构建运动学模型，并根据运动学模型构建基于舰船摇晃下的稳定性模型；利用稳定性模型计算摇荡参数；并根据摇荡参数构建基于舰船摇晃的摇荡模型，并根据摇荡模型获取无人机回收着陆的幅频特性参数；本发明在不规则摇荡条件下，对摇荡参数进行分析，得到无人机回收着陆的幅频特性参数；为后续根据无人机回收着陆的幅频特性参数构建智能自适应算法来预测瞄准点的位置，提高舰船的航向和速度以提高无人机与回收装置对接精度，奠定基础。
附图说明
6.图1为本发明提供的一种基于舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数获取方法的步骤流程图；图2为本发明实施例中梁式吊车和回收装置在舰船横截面内的布局示意图；图3为本发明实施例中用于稳定瞄准点和电视摄像机位置的伺服装置运动学示意
图；图4为本发明实施例中横梁转角、支柱转角和电视摄像机转角随横摇角的变化曲线；其中图4（a）为 的情况下，横梁转角，支柱转角和电视摄像机转角的关系曲线；图4（b）为 的情况下，横梁转角，支柱转角和电视摄像机转角的关系曲线；图5为本发明实施例中舰船摇晃时的坐标系间相互关系示意图；图6为本发明实施例中无人机回收装置在舰船横截面内的布局示意图；图7为本发明实施例中微机械加速度计测量结果和以及随时间t的变化曲线；图8为本发明实施例中两个空间运动坐标系之间相对关系示意图；图9为本发明实施例中无人机回收装置的瞄准点在不规则海浪作用下的摇荡曲线；其中图9(a)为回收装置的瞄准点p沿
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坐标系的水平轴摇荡
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的仿真结果；图9(b)为回收装置的瞄准点p沿
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坐标系的垂直轴摇荡 的仿真结果。
具体实施方式
7.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
8.如图1所示，本发明实施例提供一种基于舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数获取方法，包括以下分步骤：s1、构建无人机回收着陆装置，并根据无人机回收着陆装置构建运动学模型；优选地，步骤s1具体为：无人机回收着陆装置包括：梁式吊车、回收着陆装置；其中：回收着陆装置包括测量装置、着陆装置；其中梁式吊车的一端与舰船刚性连接，着陆装置设置在梁式吊车的另一端，测量装置设置在着陆装置的一侧；其中测量装置包括不少于一个的微机械加速度计，着陆装置包括不少于一个的伺服装置；并根据梁式吊车、回收装置的物理结构构建运动学模型。
9.本发明实施例中，在舰船横截面内的布局示意图如图2所示，其中，a*表示梁式吊车，b*表示测量装置的安装点，p表示瞄准点，m表示着陆装置；梁式吊车与舰船刚性连接，这意味着在无人机进近着陆期间回收装置在与舰船相关的坐标系中的位置保持不变，因此预测瞄准点在无人机与回收装置对接时刻的位置可以转化为预测船体上任意点p在空间固定坐标系中的位置。使用安装在梁式吊车上的微机械加速度计的测量结果来捕捉装置的位置；且在舰船摇晃时，着陆装置会产生振荡位移；通过两个伺服装置驱动横梁相对于支柱转
动以及支柱相对于夹板转动，进而实现着陆装置的空间稳定。在机电设备中，伺服装置用于稳定着陆装置，更确切地说是稳定着陆装置上的瞄准点p以及电视摄像机在垂直平面内的线性坐标y和z。
10.其中，用于稳定瞄准点和电视摄像机位置的伺服装置运动学示意图如图3所示，加粗黑色实线表示舰船没有摇晃时横梁和支柱的位置，黑实线表示舰船倾角为时横梁和支柱的位置，黑色矩形表示舰船甲板的位置；其中，r1为瞄准点到铰链h2（横梁相对支柱转动的转轴）的距离；r2为铰链h2到铰链h1（支柱相对舰船夹板转动的转轴）的距离；y，z分别为垂直坐标轴和横坐标轴；l为铰链到舰船横摇轴的距离；为直线l与舰船纵向中剖面之间的夹角；为舰船的横摇角；和为铰链h1的垂直和横向位移（在舰船横摇角为时）；为水平面内横梁r1相对于舰船静止时的横梁位置的偏转角（在舰船横摇角为时）；为垂直平面内支柱r2相对于舰船静止时的支柱位置的偏移角（在舰船横摇角为时）；为横梁r1相对于支柱r2的转角（在舰船横摇角为时）；为支柱r2相对于舰船夹板的转角（在舰船横摇角为时）；a为舰船甲板；b为横梁；c为舰船横摇轴；p为瞄准点。
11.且与原型机（撞网回收装置）相比，将回收装置安装在延伸横梁上会显著减小船载设备的尺寸，并且在无人机着陆失败（弹簧钩与回收装置对接失败）时提高舰船安全性。
12.s2、根据运动学模型构建基于舰船摇晃下的稳定性模型；优选地，步骤s2具体包括以下分步骤：s21、根据运动学模型计算基于舰船摇晃下各转角值；优选地，如图3可知，在舰船的横倾角时，需要将横梁r1相对于支柱旋转角度（即，相对于初始水平位置旋转角度），且还需要将支柱r2相对于初始垂直位置旋转角度。为了保持舰船不摇晃时的电视摄像机位置，需要将电视摄像机旋转角度；电视摄像机光轴是对准捕获装置的瞄准点；电视摄像机借助于延伸横梁安装在船舷外侧，且电视摄像机的光轴对准捕获装置的瞄准点p。
13.优选地，步骤s21具体为：在预设横摇角度下，构建基于舰船摇晃下各转角间的运动方程，并通过各转角间的运动方程唯一确定各转角值；其中各转角间的运动方程表示为：其中，为横梁相对于支柱的旋转角度；为支柱相对于初始垂直位置的旋转
角度；为电视摄像机旋转角度；为在预设横摇角度下，水平面内横梁相对于舰船静止时的横梁位置的偏转角；为在预设横摇角度下，垂直平面内支柱相对于舰船静止时的支柱位置的偏移角；为了保持舰船不摇晃时的电视摄像机位置，需要将电视摄像机旋转角度。
14.优选地，步骤s21中，基于横摇角下，水平面内横梁相对于舰船静止时的横梁位置的偏转角与垂直平面内支柱相对于舰船静止时的支柱位置的偏移角的计算式表示为：其中，和分别为舰船的结构设计参数，具体的，为舰船横梁相对支柱转动的转轴的距离；为支柱相对舰船夹板转动的转轴的距离，为直线与舰船纵向中剖面之间的夹角，为铰链到舰船横摇轴的距离，为为横梁相对于z轴的夹角；例如，，，，。
15.本发明实施例中，上述方程的求解可依靠计算程序将舰船的横摇角转换为横梁相对支柱的转角和支柱相对舰船甲板的转角；舰船的结构设计参数和是常值，所以横梁转角，支柱转角和电视摄像机转角可以根据曲线唯一地确定；在的情况下，横梁转角，支柱转角和电视摄像机转角的关系曲线如图4(a)所示；在的情况下，横梁转角，支柱转角和电视摄像机转角的关系曲线如图4(b)所示。
16.s22、根据运动学模型，确定基于舰船摇晃下摇荡角的限制条件；本发明实施例中，在舰船摇晃情况下，无人机的设计尺寸，机身内弹出的弹簧钩尺寸，以及回收装置、延伸横梁和支柱的尺寸限制了无人机与回收装置对接的可能性。
17.优选地，步骤s22中基于舰船摇晃下摇荡角的限制条件表示为：其中，为横摇角设置的限制条件，即为固定角度值；为偏转角设置的限制条件，即为固定角度值。
18.本发明实施例中，在没有风的扰动且船体不摇晃的条件下，无人机进入瞄准点的动态误差不超过于0.1 p，在有侧风的条件下，动态误差增加到0.15
–
0.20 p，这就决定了弹簧钩和弓形钩的基本结构尺寸，以及回收装置的横向尺寸。
19.舰船的摇晃要求增加可行对接区域的尺寸和，然而在舰船横倾角
时，和为1.2 p，从结构上来说，这是不可行的；因此，在舰船摇晃条件下，无人机回收着陆装置的可行操作能力受的约束，也就是说，在本发明实施例下舰船摇晃允许的最大振幅仅为2.5
°
；本发明所提供的方法可以保证瞄准点的稳定误差，其精度不低于0.05p，当且在伺服装置的角度误差达到1
°
，亦满足此条件，因此，即使在舰船摇晃角高达15
°
的情况下，也无需显著增加所需对接区域的尺寸。
20.s23、根据各转角值与摇荡角的限制条件得到基于舰船摇晃下的稳定性模型。
21.s3、根据稳定性模型计算摇荡参数；优选地，步骤s3包括以下分步骤：s31、根据稳定性模型构建基于舰船摇晃下的坐标系，其坐标系包括：空间固定坐标系、第一空间运动坐标系以及第二空间运动坐标系；优选地，步骤s31具体为：将摇晃下的舰船视为6个自由度的绝对刚体，构建三个直角坐标系，包含：空间固定坐标系、第一空间运动坐标系以及第二空间运动坐标系；其中，空间固定坐标系，用于表征舰船和水的绝对运动；该坐标系的平面与未受扰动的水面重合并且坐标轴垂直向下；第一空间运动坐标系，用于确定舰船和水相对于舰船在水平面上稳定平动的振荡；该坐标系的平面与水平面重合并且坐标轴垂直向下；第二空间运动坐标系与船体刚性固连，该坐标系的原点位于舰船的重心处。
22.本发明实施例中，舰船在水面上的摇荡运动通过使用两个笛卡尔坐标系进行数学描述：在第一坐标系中，确定舰船和水面相对于水平面上稳定平动的振荡。该滑动坐标系的平面与未受扰动的自由水面重合，轴垂直向下，轴指向水平面上的舰船直线运动的速度矢量方向；第二空间运动坐标系刚性地固连在船体上，且坐标原点位于舰船的重心处。该坐标系的平面与纵中剖面重合，轴垂直向下，轴指向船首，而轴指向右舷，如图5所示。在舰船不摇晃的情况下，平面和是平行的。为了确定上述坐标系在任意时刻的相对位置，使用欧拉角系统，其中，为舰船相对于通过点并且平行于轴的中心纵轴的倾斜角度；为舰船相对于中心垂直轴（平行于轴）的旋转角度；为舰船相对于通过船体重心的两个平面交线的倾斜角度：其中一个平面是水平的（平行于平面），而另一个平面平行于舰船横剖面（平面）。
23.角度的正方向：为向右舷倾斜为正方向；为向船首倾斜为正方向；为逆时针方向为正方向；在其他两个欧拉角等于零的情况下，视为“纯”横摇，视为“纯”纵摇，视为“纯”艏摇。
24.本发明实施例中，在舰船显著摇晃的情况下，为了确保无人机的精确制导和着陆，通过两个或三个伺服装置来稳定回收装置在垂直和横向平面上的位置；在优化无人机回收着陆装置的在垂直和横向平面上的位置都会发生偏移的问题，通过测量装置上利用两个机械加速度计的测量结果来确定回收装置的当前位置，进而可以预测一段时间后的无人机瞄准点的位置，且在该时段内舰船为稳定摇晃。
25.梁式吊车与船体刚性连接，这意味着在无人机进近着陆期间回收装置在与舰船相关的坐标系中的位置保持不变。由于可以将回收装置看作是船体的组成部分，因此瞄准点在无人机与回收装置对接时刻的位置可以转化为预测船体上任意点在空间固定坐标系中的位置；舰船摇荡是指舰船在自由水面上的振荡，主要由海浪引起，共有六个自由度通常情况下，舰船摇荡是一个复杂的动态过程，可以视为与每个自由度相对应的一组振荡。分为主要摇荡分量和次要摇荡分量。主要摇荡分量伴随着浮力和复原力矩而出现，力求使舰船回到稳定的平衡位置；主要摇荡分量包括：垂荡
–
舰船重心沿其垂向轴的往复振荡运动，即交替的上升和下降；横摇
–
舰船绕其纵向轴（位于舰船纵向中剖面上）的旋转振荡运动，即交替向左舷和右舷滚转；纵摇
–
舰船绕其横向轴（位于平行于中横剖面的平面上）的旋转振荡运动，即交替向船首和船尾纵倾。
26.优选地，步骤s31中第二空间运动坐标系到第一空间运动坐标系的变换公式为：其中，分别为基于欧拉角的方向余弦，为舰船在空间固定坐标系中的重心坐标。
27.本发明实施例中，在该条件下，摇荡舰船在任意时刻的位置由其重心的当前坐标（取为极点）和表征舰船相对于通过选定极点的相应坐标轴旋转的三个欧拉角来确定。
28.无人机回收装置在坐标系中的位置由坐标确定，其中，
在仅有横摇的情况下，舰船在平静水面上摇荡时，点位移在轴上的投影由下面表达式确定：s32、采集测量装置的测量结果结合坐标系，计算当前时刻下的横摇角，其计算式表示为：其中，为当前时刻下的横摇角，为当前时刻下平行于gy轴测量的加速度；当前时刻下平行于gz轴测量的加速度；为测量装置中微机械加速度计的初始角度的正弦值；为测量装置中微机械加速度计的初始角度的余弦值；为测量装置上瞄准点位置到舰船横摇轴的距离，为横摇周期t下的横摇角频率；其中，gy轴，gz轴分别为坐标系中第二空间运动坐标系的坐标轴；本发明实施例中，使用两个加速度计的测量数据解决回收装置的位置预测问题，如图6(a)所示，给出了包含加速度计的回收装置在舰船横截面上的布局示意图；其中，舰船处在水平位置（船体无横摇），第1个加速度计的测量轴平行于垂直坐标轴和，第2个加速度计的测量轴平行于水平坐标轴和。当船体倾角为时，第1个加速度计的测量轴也平行于轴，而第2个加速度计的测量轴平行于轴，如图6(b)；其中，微机械加速度计沿和轴的位移对舰船横摇角的依赖性可表示为：；其中，为舰船的当前倾角；为瞄准点点到舰船横摇轴的距离；为加速度计单元的初始安装角度，对应于舰船无摇荡的位置；且对于瞄准点，一般情况下须使用与瞄准点设计位置相对应的代替l，代替；根据图6(a)所示，其中，和是相对于加速度计在“梁式吊车”上的安装位置来确定的，可表示为：
同时根据舰船横摇时加速度计测量结果与瞄准点位移之间的关系，可得到横摇角度、角速度和角加速度的计算公式（公式1），表示为：其中，为横摇幅值；为横摇的角频率，满足；为横摇周期。
29.根据上述，则可以得到加速度计固定点的线速度和线加速度的计算公式，为：由于加速度计沿着正交轴和安装并且测量轴平行于和轴，各轴上测量得到的加速度和，由以下关系式（公式2）确定：进而，可以得到加速度计测量结果与舰船横摇角速度和角加速度之间的关系（公式3）：结合上述两式，整理可得到整理后得到横摇角的当前值与加速度计当前测量值之间的关系；其中，梁式吊车的初始安装角与加速度计单元相对于舰船纵向中剖面的距离可表示为：
其中，为梁式吊车的结构尺寸；为加速度计测量结果的到最大值，满足：；为测量加速度的最大绝对值，满足：；角度可以从加速度计的读数间接确定，加速度计用于测量平静水面上船舶的自由横摇的参数。
30.在梁式吊车的安装角，且的情况下，加速度计测量结果和，以及随时间的变化曲线如图7所示。
31.因此，角度由沿着梁式吊车正交轴gy，gz安装的加速度计的测量数据唯一地确定。
32.s33、根据当前时刻下的横摇角，并在预设条件下根据测量装置的测量结果确定瞄准点位置；优选地，步骤s33中具体为：采集测量装置的测量结果，并在无人机回收着陆装置中无人机返回舰船的进近着陆速度恒定的条件下，根据测量装置的测量结果计算无人机与无人机回收着陆装置对接时测量装置上瞄准点相对于其无摇荡位置的偏移量，并根据偏移量确定瞄准点位置，其中偏移量的计算式表示为：其中，分别为无人机与无人机回收着陆装置对接时刻下分别在垂直和水平面内瞄准点相对于舰船不摇荡时的位移；为当前摇荡相位的测量时刻，和分别为垂直和水平面内瞄准点摇荡幅值。
33.本发明实施例中，上述计算获取横摇角的当前值（公式1），横摇幅值，以及加速度计相对于舰船重心的位置，取决于角以及距离，（其可分别根据公式2与公式3确定）；可以确定回收装置瞄准点相对于横摇轴的位置和，以及当前在垂直和水平面内瞄准点相对于舰船不摇荡时的位移和；分别表示为：
假设无人机返回舰船的进近着陆速度恒定，那么在每个时刻，在已知的摇荡相位下，可以预测无人机与着陆装置对接时刻的瞄准点相对其无摇荡位置的偏移量；本发明实施例中，可将t时刻预测的瞄准点在水平和垂直平面上的角位移与无人机位标器的信号相加。通过使用脱靶量的预测值以及在摇荡相位的测量中引入的补偿信号，可以有效地减小由预测舰船摇晃引起的动态误差（脱靶量），在精确测量和时，理论上可以达到0 pp，而实际上可以达到1pp。
34.s4、根据摇荡参数构建基于舰船摇晃的摇荡模型，并根据摇荡模型获取无人机回收着陆的幅频特性参数。
35.优选地，步骤s4具体为：基于晃动线性理论，根据摇荡参数构建不少于一个的二阶线性方程式，并根据二阶线性方程式构建基于舰船摇晃的摇荡模型，并通过频率分析方法，从二阶线性方程组中计算得到舰船摇晃下无人机回收着陆的幅频特性参数，其中幅频特性参数包括舰船横摇、垂荡以及横档，其二阶线性方程组表示为：其中，为水线面积；为水的密度；为横向稳心高度；为舰船排水量；为重力加速度；为舰船在第一空间坐标系中的重心坐标，分别为舰船在第一空间坐标系中的重心坐标在各轴上的速度，分别为舰船在第一空间坐标系中的重心坐标在各轴上的加速度；为第一空间运动坐标系相对于空间固定坐标系的三个欧拉角，分别为欧拉角的速度、加速度；为在预设横摇角度下，水平面内横梁相对于舰船静止时的横梁位置的偏转速度与偏转加速度；分为增加的质量；分别为基于各增加质量的阻尼系数；分别为第一校正系数、第二校正系
数及第三校正系数；为第一校正系数的一阶导数、二阶导数；分别为第二校正系数的一阶导数、二阶导数；分别为第三校正系数的一阶导数、二阶导数；为第三校正系数的四阶导数；为波浪扰动的水平和垂直分量；分别为波浪扰动水平分量的一阶导数、二阶导数；为波浪扰动垂直分量的一阶导数、二阶导数；为基于x轴的转动惯量。
36.其中，利用频域中频谱密度的幅频特性，根据二阶线性方程组分别得到横荡的幅频特性、垂荡的幅频特性及横摇的幅频特性。
37.本发明实施例中，对于频率分析方法，使用了舰船的幅频特性（afc）。通过频域中的频谱密度来描述舰船上的波浪作用。
38.横荡的幅频特性，表示为：其中，为横荡的幅频特性参数；垂荡的幅频特性，表示为：其中，为垂荡的幅频特性参数，；；。
39.本发明实施例中，当舰船在水环境中处于平衡状态时，两个运动坐标系的相应坐标轴是平行的，如图8(a)所示；在任意时刻，舰船相对于第一运动坐标系的位置都是通过船体重心坐标和三个欧拉角确定的。舰船常用的欧拉角坐标系如图8(b)所示。
40.其中，由于为无人机着陆条件进行实际的摇荡角度计算时，相应的角度可以视为一个很小的值。在这种情况下，第一运动坐标系中舰船任意点的坐标将由晃动线性理论中广泛使用关系式确定：
通常情况下，在晃动线性理论中，舰船在波动海面上的运动由6个二阶线性方程式来描述。由于在无人机着陆过程中，舰船可能会相对于波浪传播的主方向以不同的角度移动，因此应考虑最不利的特殊摇荡情况。其中一种特殊情况是船舷向波浪（横摇），进而得到基于舰船摇晃的摇荡模型。
41.本发明实施例中，进行了在3级海浪；舰船排水量5100 t；舰船长110 p、最大宽度15.5 p、吃水深度5.6 p；点到轴的距离为12 p；“梁式吊车”的初始仰角为30
°
下的仿真试验；其仿真结果如图9所示，在不规则海浪作用下，回收装置的瞄准点p沿坐标系的水平轴摇荡的仿真结果（如图9(a)所示）和沿坐标系的垂直轴摇荡的仿真结果（如图9(b)所示）。
42.沿坐标系的水平轴和垂直轴，瞄准点点与计算位置（无摇荡）之间的最大偏差均大于
±
0.5 p，这无法保证无人机与回收装置的顺利对接。根据舰船摇荡过程的测量数据预测点的位置，保证将其坐标确定误差减小至可接受的范围。摇荡过程的随机特性使解决问题变得更加困难。然而，在掌握舰船振荡的概率特性的前提下，原则上可以基于随机过程理论的方法来解决不规则摇荡条件下的预测问题。
43.一般情况下，可以基于kolpogorov
–
wiener和kalpan最佳滤波方法来构建预测器。该方法能够在平均摇荡周期的几分之一的时间内提前获得可接受的预测结果。
44.为了解决所考虑的问题，需要获得在时间间隔为上的预测数据。
45.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
46.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
47.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各
种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。