CN103246204B - 多无人机系统仿真与验证方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型无人机控制技术领域、嵌入式技术领域、Wi-Fi无线数据传输领域，为降低仿真系统的功耗和体积，解决多机系统布线成本过高以及各机交互通信的问题，提高仿真系统的实时性，为此，本发明采取的技术方案是，多无人机系统仿真与验证方法与装置，由模型通用计算机、主控计算机、视景显示计算机、工业控制计算机、无线AP/路由器以及Wi-Fi无线通信模块组成，工业控制计算机、主控计算机内部的CPU均通过串口连接Wi-Fi无线通信模块，并通过无线AP/路由器进行通信，无线AP/路由器与主控计算机采用网线连接。本发明主要应用于多无人迹设计与仿真。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型无人机控制技术领域、嵌入式技术领域、Wi-Fi无线数据传输领域，具体来说，涉及多无人机系统仿真与验证方法与装置。
背景技术
无人机是现代科技发展的产物，在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。在军事上，它可作为空中侦察平台和武器平台，通过携带不同的设备，执行侦察监视、对地攻击、电子干扰、通信中继、目标定位、攻击损伤有效评估等任务。无人机在民用方面也大有可为，它可用于气象探测、公路巡视、勘探测绘、水灾监视、电力线路查巡、森林火灾防救等。
多个无人机协同运动时可以分散携带不同种类和数量的任务载荷和电子设备，完成单个UAV无法实现的通讯中继、高精度定位、对地攻击、多角度三维立体成像等任务，使其系统的综合效能和任务执行的冗余性能得到大幅提升。目前，多无人机协同作战的技术需要认真地进行研究，以实验、试验为基础，以仿真为辅助的研究工作需要不断地循环深化，以更好的适应未来作战需求。
无人直升机飞行控制计算机大致可以分成三大类：以单片机、数字信号处理器(DSP)为核心的飞行控制计算机；以专用嵌入式微处理器为核心的飞行控制计算机；以PC104工控机为核心的飞行控制计算机。DSP在一些通用性的应用方面与CPU有所差异，一般很少用到嵌入式操作系统，也缺乏一些通用的应用软件的支持，因此不利于实现复杂的应用设计，如网络协议、多线程任务处理；ARM处理器体积小，性能强，功耗低，易移植操作系统，但是在无人机应用方面需要选择高端ARM，同时需要采用协控制器分担部分计算量。PC104总线已广泛用于雷达、声呐、工业控制等数据采集系统，其优势愈见明显。在硬件方面，PC104嵌入式系统模块以针孔堆叠方式组成，具有结构紧凑、抗震性好、可以灵活地扩展各种功能卡等优点，可以工作在恶劣的工作环境下，与PCI标准兼容，适于高速数据传输；软件方面，无论是商业版的WinCE还是免费版的Linux等众多的操作系统都对其有很好的支持。
传统的无人机群控仿真平台通过RS422/485或CAN总线等有线方式与主控平台相连，使得主控平台能够一方面对控制器发送位置控制指令，另一方面能够采集到无人机位置信息判断是否到达指定位置。这样，无人机的增加对布线的成本与难度均有较大的影响。同时，在无人机编队的实际飞行过程中，各机之间要进行飞行数据的实时交换，传统的串行总线(如RS422/485或CAN总线)只能实现点对点通信，无人机与无人机之间无法直接进行数据的交互，不能对实际飞行状态进行仿真。因此，在多无人机控制系统中增加多对多的通信方式，从而实现各机信息共享是十分必要的。
Wi-Fi的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的，因此为WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉而且数据带宽极高的无线空中接口。可以直接让Wi-Fi部分模块化，处理起来方便，而且模块可以直接拆卸，对于产品的设计风险和具体的耗损也有很大帮助。但目前没有成熟技术方案的报道。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，降低仿真系统的功耗和体积，解决多机系统布线成本过高以及各机交互通信的问题，提高仿真系统的实时性，为此，本发明采取的技术方案是，多无人机系统仿真与验证装置，由模型通用计算机、主控计算机、视景显示计算机、工业控制计算机、无线AP/路由器以及Wi-Fi无线通信模块组成，采用工业控制计算机作为无人机控制器，主控计算机以及工业控制计算机内部的CPU均通过串口连接Wi-Fi无线通信模块，并通过无线AP/路由器进行通信，无线AP/路由器与主控计算机采用网线连接；
主控计算机通过无线AP/路由器、工业控制计算机上的Wi-Fi无线通信模块连接到模型通用计算机，对无人机进行初始姿态校准以及发送任务信息，同时采集各机的姿态与位置信息，发现问题后，自动发送悬停信息，待处理完紧急情况后，通过命令恢复整个系统的运行；
模型通用计算机通过串口与工业控制计算机进行连接，间接地接入网络，一方面接收主控计算机发出的初始信息以及开始运行指令，另一方面还需要将无人机的姿态信息通过无线模块传回主控计算机；
视景显示计算机通过串口连接Wi-Fi模块，以无线方式连入系统网络内，接收无线AP/路由器转发的各机姿态与位置信息，实时地在PC机上进行显示。
无论主无人机还是从无人机均对应一个模型通用计算机，由模型通用计算机中的模型来表示主机或从机，即一台模型计算机代表一个无人机，每个模型通用计算机都对应着一个工业控制计算机。
多无人机系统仿真与验证，借助于前述装置实现，并包括如下步骤：利用主控计算机首先对AP路由器以及各个Wi-Fi无线模块进行配置，通过握手协议测试与工业控制计算机的无线连接，如不能成功连接，检查连接方式以及配置是否出错；通信正常后，主控计算机通过AP路由器以广播的形式发出各无人机的初始位置及姿态信息，Wi-Fi无线模块接收到信息后，通过工业控制计算机的第2个串口将数据传给模型通用计算机，用于初始对准；主控计算机发出编队形式以及任务指令，主机接收到指令后，首先保持悬停状态，向各从机发出位置信息，从机控制器根据由无线接收到的主机以及其他从机的位置信息，运行导航控制算法，通过改变输出控制量，调整其姿态与位置，当各从机到达编队要求指定位置后，主机根据路径规划算法规划出一条到达指定地点的最优路径，向目标飞行的同时，将自身位置信息传给各从机；在协同飞行过程中，从机保持与主机以及其他从机位置相对不变；到达指定地点后，开始执行任务，任务完成后，需要向主控计算机发出任务完成信号，然后等待新的任务；若有新的任务，则重新规划路径，当接收到结束指令时，各无人机返回初始位置；在整个运行过程中，主机和从机需要时刻向主控计算机发出其位置和姿态信息，由主控机进行监控，其中，采用模型通用计算机中的模型来表示主机或从机。
还包括如下子步骤：在工业控制计算机中运行两个线程，一个是Wi-Fi通信线程，用于实现控制器与主控计算机之间的数据通信；另一个是控制算法线程，用于对模型的控制；当主控计算机通过AP无线路由器发送信息时，用于连接Wi-Fi模块的串口发生中断，工业控制计算机此时通过读取该串口，获得初始位置信息以及任务指令，同时将信息写入线程间公共的数据存储区内；控制算法线程读取数据存储区，将指令发送给模型通用计算机，通过串口接收控制偏差以及无人机的位置与姿态信息，根据算法对偏差进行计算，得到控制量，用于对模型进行控制，无人机的位置与姿态信息则写入数据区，由Wi-Fi通信线程以广播的形式转发给主机以及其他无人机。
在工业控制计算机中运行的具体步骤还包括：首先利用主机连接的工业控制计算机根据任务指令以及已知的威胁分布和Voronoi图的性质构造Voronoi图，然后建立威胁模型，在Voronoi图的基础上计算出加权无向图，接着利用图论的Dijkstra最短航迹搜索算法，实时地搜索出最优航迹，控制主机向目标飞行，并向从机发出自身的位置信息；从机连接的工业控制计算机根据接收到的主机位置，按照编队构型，采用反步控制方法对自身的位置与姿态进行调整，进行轨迹跟踪控制，使该从机与主机以及其它从机位置保持相对不变，进而形成期望的编队构型，直至完成编队任务，主机连接的工业控制计算机根据任务以及威胁分布情况运行路径规划算法，找出一条最优的路径，决定多无人机飞行的编队构型，并且控制主机沿着最优路径向目的地飞行，从机的工业控制计算机则根据主机的位置，通过反步控制方法调整自身的位置与姿态，对主机进行轨迹跟踪，从而形成期望的编队构型。
本发明的技术特点及效果：
社会效益：此项发明对于多无人机协同控制方法的研究和发展具有十分重要的意义。该项发明具有国际先进水平，它可以作为无人直升机协同编队飞行研究的试验平台，进而有助于推动多机控制理论的发展，仿真结果不仅可以为无人直升机编队控制系统的早期设计提供数据支持，同时为多机编队飞行控制理论的发展提供一个良好的实验平台。
经济效益：无人机由于具有尺寸小、机动性高、造价低以及适应性强等特点，受到了广泛关注。无人机编队协同可以提高执行任务的成功率和抗突发事件的能力，在军事和民用方面具有很大的潜在价值。该发明针对小型无人机进行设计，不仅可以为多机控制方法提供验证平台，解决轨迹优化及跟踪控制问题，而且能够为多无人机编队协同控制系统的设计开发提供依据，避免不必要的经费投入。该发明能够显著地降低系统早期的开发成本，具有重大的经济价值。
附图说明
附图1基于PC104及Wi-Fi无线网络的多无人机仿真系统总体结构图。
附图2PC104控制器结构框图。
附图3系统工作流程图。
附图4主控机程序流程图。
附图5PC104工控机控制程序流程图。
附图6xPC模型计算机程序流程图。
附图7无线网络配置流程图。
附图8无人机编队轨迹跟踪控制结构图。
具体实施方式
选择串口Wi-Fi无线网络作为无人机控制系统的通信网络，解决了多机系统布线成本过高以及各机交互通信的问题。
本发明就是通过采用PC104工控机，并结合Wi-Fi无线通信技术发明了一种基于Wi-Fi网络的多无人机仿真系统。该系统不仅可以降低各个无人机之间的连接复杂度，便于系统开发，同时可以使无人机之间进行双向数据传输，使仿真环境更加接近于实际飞行情况。
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出了一种能够支持多无人机从编队控制系统设计到实时仿真测试的仿真与验证平台。
本发明采用PC104工控机作为无人机飞行控制计算机，不仅降低了系统的功耗和体积，而且可扩展性强，硬件平台支持后期开发各种应用程序。采用的Linux嵌入式操作系统支持多线程任务和应用程序的开发，通过Wi-Fi无线网络技术实现主控平台与主机以及主机与从机通讯，解决了多机系统布线成本过高以及各机交互通信的问题，还提高了系统的实时性。
本发明通过模型计算机构建无人机的动力学以及环境模型，PC104工控机一方面通过串口与模型计算机进行连接，另一方面通过串口连接Wi-Fi无线通信模块。
本发明功能与特点如下：
(1)基于Wi-Fi无线网络的多无人机控制系统将PC104工控机、模型计算机、视景显示计算机以及系统主控计算机，通过Wi-Fi网络连接在一起。该系统改进了传统的有线连接方式，降低了系统设计的复杂度。
(2)该系统采用GainSpan系列的GS1011无线模块，通过串口实现广播式组网。PC104工控机以及视景显示计算机内部的CPU均通过串口连接Wi-Fi模块，各部分之间通过无线AP/路由器进行通信。无线AP/路由器与系统主控计算机采用网线连接，使控制信号最终传至PC104工控机。整个系统联网方式选为广播方式。采用这种基于UDP广播的组网方式，使得多无人机进行协同任务时，各无人机单元能够排除干扰，在复杂的条件下协调完成作战任务，实现无人机之间的快速、无缝的连接。
(3)系统主控计算机通过网线连接无线AP/路由器，对无人机进行初始姿态校准以及发送任务信息，同时采集各机的姿态与位置信息，发现问题后，自动发送悬停信息，待处理完紧急情况后，可以通过命令恢复整个系统的运行。
(4)模型计算机通过串口与PC104工控机进行连接，间接地接入网络，一方面接收系统主控计算机发出的初始信息以及开始运行指令，另一方面还需要将无人机的姿态信息通过PC104工控机上外接的Wi-Fi无线模块传回系统主控计算机。
(5)视景显示计算机通过串口连接Wi-Fi模块，以无线方式连入系统网络内。接收无线AP/路由器转发的各机姿态与位置信息，实时地在PC机上进行显示。
本发明的技术方案是：
基于PC104及Wi-Fi无线网络的多无人机系统仿真与验证平台，由模型计算机、系统主控计算机、视景显示计算机、PC104工控机、无线AP/路由器以及Wi-Fi无线通信模块组成。模型计算机采用xPC仿真环境，运行单架无人机动力学以及环境模型；系统主控计算机发出任务指令，并监控整个系统的运行；视景显示计算机实时地进行视景显示；PC104工控机运行飞行控制算法，实现对单架无人机的控制；无线AP/路由器作为系统无线网络的中转站，实现信息交换；Wi-Fi无线通信模块使有线通信方式转为无线连接。
系统主控计算机通过网线与无线AP/路由器进行连接，以广播的形式向各个Wi-Fi模块发出初始对准信息以及任务指令。在系统工作前，需通过串口向Wi-Fi模块写入AT命令对所有的Wi-Fi模块进行参数设定，包括网络参数设定与工作模式设定。PC104工控机接收到系统主控计算机发出的指令后，通过串口对模型计算机进行任务分配，无人机组包括一架主无人机以及多架从无人机，主机控制器要根据无人机与目标之间相对距离和方位的大小自适应调节无人机的控制量，同时向从机发出自身的位置信息，从机控制器接收到主机的位置以及各从机的位置后，按照事先约定的编队方式向对应的从机输出控制量。模型计算机中接收到控制量后，通过模型返回无人机的姿态与位置信息，实现系统的闭环控制。PC104工控机对返回的信息与期望值求偏差，重新计算控制量，使偏差逐渐减小，实现无人机的协同飞行控制。视景显示计算机接收无线AP/路由器转发的各机姿态与位置信息，将各机的姿态与位置实时地在PC机上进行显示。
任务指令完成后，需要向系统主控计算机发出任务完成信号，然后等待新的任务。若有新的任务，则重新规划路径，当接收到结束指令时，各无人机返回初始位置。另一方面，在系统整个运行过程中，PC104工控机通过串口采集到主机和从机的飞行姿态和位置信息后，需要时刻通过Wi-Fi无线模块将这些信息以无线的方式发送给系统主控计算机，由系统主控计算机根据约束条件对各机的飞行状态进行监控。系统主控计算机通过这些信息判断系统运行是否正常，若出现异常，则停止系统的运行。
下面结合附图对本发明作进一步详述。
参见图1，多无人机系统仿真与验证平台总体结构图。如图所示，系统由模型计算机、系统主控计算机、视景计算机、PC104工控机、无线AP/路由器以及Wi-Fi无线通信模块组成。
系统主控计算机、视景显示计算机以及模型计算机采用通用计算机。系统主控计算机通过网线直接与无线AP/路由器连接，首先需要对路由器的IP地址及端口地址进行分配，然后与各Wi-Fi无线模块进行通信连接，成功后，需要发出任务指令，在系统运行过程中，需要对其进行监控。无线AP/路由器作为系统无线网络的中转站，实现网络内各部分的信息交换，Wi-Fi采用GainSpan系列的GS1011无线模块，每台无人机模型计算机均需通过一个PC104工控机接入无线网络。视景计算机用于进行实时视景显示。
PC104工控机实现对模型的控制，采用研华公司的PCM-3343Z256A1E，主频为800MHz，板上集成4个串口，本发明用到了其中的两个串口，其中一个串口用于连接模型计算机，另外一个串口用于连接Wi-Fi无线模块。PC104工控机一方面要把系统主控计算机发出的初始信息以及任务指令发给模型计算机，而且要把通过串口采集到无人机的飞行姿态通过Wi-Fi无线模块将这些信息以广播的方式发送给系统主控计算机以及视景计算机。
参见图2，为PC104控制器结构框图。PC104主处理器模块CPU采用DM&P公司的X86架构处理器Vortex86DX，主频高，通用性好。具有四个UART接口，其中串口1-3为RS232连接，串口4为RS232/422/485可选方式。本发明用到了其中的串口1-3，UART1用于和Wi-Fi无线模块进行连接，UART2用于和xPC模型计算机进行通信，UART3用于进行系统调试。系统扩展了256MB的SDRAM，作为系统的动态存储器；通过外部SPI总线扩展4MB的flash存储器，用于运行应用程序。CPU通过PATA总线外扩CF卡接口，本发明选用金士顿公司生产的133倍速的4GCF卡作为嵌入式Linux操作系统以及应用程序的载体。通过PCI总线扩展了2个快速以太网接口，利用交叉网线与调试计算机进行连接，与调试串口共同组成系统的交叉开发环境。
参见图3，为系统工作流程图。系统开始运行后，系统主控计算机首先对AP路由器以及各个Wi-Fi无线模块进行配置，通过握手协议测试与PC104工控机的无线连接，如不能成功连接，检查连接方式以及配置是否出错。通信正常后，系统主控计算机通过AP路由器以广播的形式发出各无人机的初始位置及姿态信息，Wi-Fi无线模块接收到信息后，通过PC104工控机的串口2将数据传给模型，用于初始对准。系统主控计算机发出任务指令，主机的PC104工控机接收到任务指令后，首先保持悬停状态，向各从机发出位置信息，从机的PC104工控机根据由Wi-Fi无线模块接收到的主机以及其他从机的位置信息，运行导航控制算法，通过改变输出控制量，调整其姿态与位置。当各从机到达编队要求指定位置后，主机根据路径规划算法规划出一条到达指定地点的最优路径，向目标飞行的同时，将自身位置信息传给各从机。在协同飞行过程中，从机保持与主机以及其他从机位置相对不变。到达指定地点后，开始执行任务，任务完成后，需要向系统主控计算机发出任务完成信号，然后等待新的任务。若有新的任务，则重新规划路径，当接收到结束指令时，各无人机返回初始位置。在系统整个运行过程中，主机和从机需要时刻向系统主控计算机发出其位置和姿态信息，由系统主控计算机进行监控。
参见图4，为系统主控计算机程序流程图。系统主控计算机负责整个系统的启动与停止，并监控系统的运行情况。系统仿真开始后，系统主控计算机需要先与各Wi-Fi无线模块建立连接，为此需要通过网线对无线AP/路由器进行配置，主要包括IP地址以及端口号的分配，然后无线AP/路由器作为网络服务器，等待客户端Wi-Fi无线模块的请求信号，接收到请求后，与之建立握手连接。通信正常后，向各无人机发送初始位置及姿态，然后发送任务指令，此时，PC104工控机开始运行控制算法，控制无人机模型，系统主控计算机每隔0.01s接收各无线模块返回的无人机姿态及位置，对系统进行监控。
参见图5，为PC104工控机控制程序流程图。系统上电后，PC104工控机首先完成自身的初始化，然后配置两个通信串口的波特率、奇偶校验以及停止位。为了提高程序的响应速度，需要采用多线程，本发明共创建两个线程，一个是Wi-Fi通信线程，用于实现PC104工控机与系统主控计算机之间的数据通信；另一个是控制算法线程，用于对模型的控制。当系统主控计算机通过AP无线路由器发送信息时，用于连接Wi-Fi模块的串口发生中断，PC104工控机此时通过读取串口，可以获得初始位置信息以及任务指令，同时将信息写入线程间公共的数据存储区内。控制算法线程读取数据存储区，将指令发送给xPC模型计算机，通过串口接收控制偏差以及无人机的位置与姿态信息，根据算法对偏差进行计算，得到控制量，用于对模型进行控制。无人机的位置与姿态信息则写入数据区，由Wi-Fi通信线程以广播的形式转发给主机以及其他无人机。主控机发出编队形式以及任务指令，主机接收到指令后，首先保持悬停状态，向各从机发出位置信息，从机控制器根据由无线接收到的主机以及其他从机的位置信息，运行导航控制算法，通过改变输出控制量，调整其姿态与位置，无论主无人机(主机)还是从无人机(从机)均对应一个模型通用PC计算机，由模型计算机中的模型来表示主机或从机，即一台模型计算机代表一个无人机，每个无人机模型都对应着一个PC104工控机。
参见图6，为xPC模型计算机程序流程图。模型计算机采用通用PC机，开发环境为xPC实时仿真环境。系统启动后，模型计算机处于等待状态，等待接收系统主控计算机的初始化信息，模型初始化完成后，模型计算机首先通过读取串口，获得PC104工控机的控制量，然后根据系统主控计算机的开始指令运行模型，计算模型的输出与期望值之间的偏差，通过串口发送给PC104工控机，根据仿真步长循环执行，直到接收到系统主控计算机的停止信号。
参见图7，为无线网络连接配置流程图。系统主控计算机通过普通网线与无线AP/路由器进行连接，首先设置系统主控计算机的网卡IP地址为192.168.1.100，在浏览器中输入路由器的IP地址，进入路由器配置，这里将加密方式设置为无无线加密方式，设置AP的IP地址为192.168.1.1，打开AP的DHCP功能。下一步需要将无线模块连接到AP路由器上，在系统主控计算机的超级终端中依次调用“AT”以及“AT+WS”命令，调用“AT+NCUDP”指令创建UDPClient并发送广播包。最后创建TCPClient，先把刚才创建的UDPClient关闭，调用“AT+NCTCP”指令即可。至此，PC104工控机即可与系统主控计算机通过无线连接的方式进行通信了。
参见图8，为无人机编队轨迹跟踪控制结构图，在敌方防御区域内执行攻击任务时，多无人机组应该选择一条能够到达目标点的航迹，同时保证具有较小的雷达可探测发现概率及较小的燃油消耗。对于无人机编队控制问题，核心思想是根据飞行任务以及威胁分布情况，采用轨迹生成算法求解出最优轨迹，然后采取轨迹跟踪控制策略，生成期望队形。具体步骤为：首先主机的PC104工控机根据任务指令以及已知的威胁分布和Voronoi图的性质构造Voronoi图，然后建立威胁模型，在Voronoi图的基础上计算出加权无向图，接着利用图论的Dijkstra最短航迹搜索算法，实时地搜索出最优航迹，控制主机向目标飞行，并向从机发出自身的位置信息。从机的PC104工控机根据接收到的主机位置，按照编队构型，采用反步控制方法对自身的位置与姿态进行调整，进行轨迹跟踪控制，使该从机与主机以及其它从机位置保持相对不变，进而形成期望的编队构型，直至完成编队任务，主机的PC104工控机根据任务以及威胁分布情况运行路径规划算法，找出一条最优的路径，决定多无人机飞行的编队构型，并且控制主机沿着最优路径向目的地飞行，从机的PC104工控机则根据主机的位置，通过反步控制方法调整自身的位置与姿态，对主机进行轨迹跟踪，从而形成期望的编队构型。
Claims (5)
1.一种多无人机系统仿真与验证装置，其特征是，由模型通用计算机、主控计算机、视景显示计算机、工业控制计算机、无线AP/路由器以及Wi-Fi无线通信模块组成，采用工业控制计算机作为无人机控制器，主控计算机以及工业控制计算机内部的CPU均通过串口连接Wi-Fi无线通信模块，并通过无线AP/路由器进行通信，无线AP/路由器与主控计算机采用网线连接；
主控计算机通过无线AP/路由器、工业控制计算机上的Wi-Fi无线通信模块连接到模型通用计算机，对无人机进行初始姿态校准以及发送任务信息，同时采集各机的姿态与位置信息，发现问题后，自动发送悬停信息，待处理完紧急情况后，通过命令恢复整个系统的运行；
模型通用计算机通过串口与工业控制计算机进行连接，间接地接入网络，一方面接收主控计算机发出的初始信息以及开始运行指令，另一方面还需要将无人机的姿态信息通过Wi-Fi无线通信模块传回主控计算机；
视景显示计算机通过串口连接Wi-Fi无线通信模块，以无线方式连入系统网络内，接收无线AP/路由器转发的各机姿态与位置信息，实时地在视景显示计算机上进行显示。
2.如权利要求1所述的多无人机系统仿真与验证装置，其特征是，无论主无人机还是从无人机均对应一个模型通用计算机，由模型通用计算机中的模型来表示主机或从机，即一台模型通用计算机代表一个无人机，每个模型通用计算机都对应着一个工业控制计算机。
3.一种多无人机系统仿真与验证方法，其特征是，多无人机系统仿真与验证，借助于权利要求1所述装置实现，并包括如下步骤：利用主控计算机首先对无线AP/路由器以及各个Wi-Fi无线通信模块进行配置，通过握手协议测试与工业控制计算机的无线连接，如不能成功连接，检查连接方式以及配置是否出错；通信正常后，主控计算机通过无线AP/路由器以广播的形式发出各无人机的初始位置及姿态信息，Wi-Fi无线通信模块接收到信息后，通过工业控制计算机的第2个串口将数据传给模型通用计算机，用于初始对准；主控计算机发出编队形式以及任务指令，主机接收到指令后，首先保持悬停状态，向各从机发出位置信息，从机控制器根据由无线接收到的主机以及其他从机的位置信息，运行导航控制算法，通过改变输出控制量，调整其姿态与位置，当各从机到达编队要求指定位置后，主机根据路径规划算法规划出一条到达指定地点的最优路径，向目标飞行的同时，将自身位置信息传给各从机；在协同飞行过程中，从机保持与主机以及其他从机位置相对不变；到达指定地点后，开始执行任务，任务完成后，需要向主控计算机发出任务完成信号，然后等待新的任务；若有新的任务，则重新规划路径，当接收到结束指令时，各无人机返回初始位置；在整个运行过程中，主机和从机需要时刻向主控计算机发出其位置和姿态信息，由主控计算机进行监控，其中，采用模型通用计算机中的模型来表示主机或从机。
4.如权利要求3所述的多无人机系统仿真与验证方法，其特征是，在工业控制计算机上运行两个线程，一个是Wi-Fi通信线程，用于实现控制器与主控计算机之间的数据通信；另一个是控制算法线程，用于对模型的控制；当主控计算机通过无线AP/路由器发送信息时，用于连接Wi-Fi无线通信模块的串口发生中断，工业控制计算机此时通过读取该串口，获得初始位置信息以及任务指令，同时将信息写入线程间公共的数据存储区内；控制算法线程读取数据存储区，将指令发送给模型通用计算机，通过串口接收控制偏差以及无人机的位置与姿态信息，根据算法对偏差进行计算，得到控制量，用于对模型进行控制，无人机的位置与姿态信息则写入数据存储区，由Wi-Fi通信线程以广播的形式转发给主机以及其他无人机。
5.如权利要求3所述的多无人机系统仿真与验证方法，其特征是，在工业控制计算机运行的具体步骤还包括：首先利用主机连接的工业控制计算机根据任务指令以及已知的威胁分布和Voronoi图的性质构造Voronoi图，然后建立威胁模型，在Voronoi图的基础上计算出加权无向图，接着利用图论的Dijkstra最短航迹搜索算法，实时地搜索出最优航迹，控制主机向目标飞行，并向从机发出自身的位置信息；从机连接的工业控制计算机根据接收到的主机位置，按照编队构型，采用反步控制方法对自身的位置与姿态进行调整，进行轨迹跟踪控制，使该从机与主机以及其它从机位置保持相对不变，进而形成期望的编队构型，直至完成编队任务，主机连接的工业控制计算机根据任务以及威胁分布情况运行路径规划算法，找出一条最优的路径，决定多无人机飞行的编队构型，并且控制主机沿着最优路径向目的地飞行，从机的工业控制计算机则根据主机的位置，通过反步控制方法调整自身的位置与姿态，对主机进行轨迹跟踪，从而形成期望的编队构型。
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