CN109188933A - 一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，将各种预设参数从仿真控制终端传输到与实际飞行中使用相同算法及工作流程的嵌入式设备，即各仿真节点中，通过数字化飞行器与飞行控制单元共同确定数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量，环境仿真单元得到虚拟3D环境，图像处理单元得到目标信息，从而实现对仿真节点中各嵌入式设备的硬件特性的仿真，以及对飞行控制算法、图像处理算法以及集群控制算法的软件特性仿真，能够代替传统的多轴转台，降低在回路仿真系统的成本。
Description
技术领域
本发明属于仿真技术领域，尤其涉及一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统。
背景技术
目前，人机集群的仿真过程主要在数字仿真环境中，其中使用的无人机动力学模型、控制模型、制导率模型等，均为纯数字模型，这种仿真方式忽略了硬件系统的系统误差。而针对单独无人机的仿真，存在硬件在回路的仿真方式，其利用多轴转台模拟飞行器的实际运动，利用目标生成器模拟导引头的输入，利用信道仿真器对模拟数据链的无线传输。由此可见，针对现有集群无人机仿真系统来说，其存在如下缺陷：
(1)纯数字仿真忽略了系统误差。
(2)使用转台和目标生成器造成了过高的成本。
(3)各无人机在同一台电脑上进行仿真，忽略了通信系统的影响。
(4)算法在pc中的性能与在嵌入式设备中的性能差异较大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，实现对仿真节点中各嵌入式设备的硬件特性的仿真，以及对飞行控制算法、图像处理算法以及集群控制算法的软件特性仿真，能够代替传统的多轴转台，降低在回路仿真系统的成本。
一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，包括仿真控制终端与两个以上的仿真节点，其中，仿真节点包括仿真计算机与嵌入式仿真模块，同时，仿真计算机包括气动仿真单元与环境仿真单元，嵌入式仿真模块包括飞行控制单元与图像处理单元；所述气动仿真单元中包括气象数据处理器与数字化飞行器；
所述仿真控制终端用于设置并对外发送预设参数，所述预设参数包括地形数据、气象数据、地貌数据、植被数据、各数字化飞行器对应的飞行器类型、各数字化飞行器的初始位姿、地面目标数量、地面目标位置以及地面目标类型；
所述飞行控制单元采用预设飞行控制算法，根据所述数字化飞行器的初始位姿得到飞行控制单元的初始飞行舵归一化控制量；
所述气象数据处理器用于从所述气象数据中提取出所述数字化飞行器初始位姿对应的气象数据；
所述数字化飞行器根据所述初始飞行舵归一化控制量、数字化飞行器的初始位姿以及数字化飞行器初始位姿对应的气象数据得到数字化飞行器下一时刻的位姿；
所述飞行控制单元采用预设飞行控制算法，根据数字化飞行器下一时刻的位姿得到飞行控制单元再下一时刻的飞行舵归一化控制量；其中，所述再下一时刻的飞行舵归一化控制量反馈回数字化飞行器，并用数字化飞行器下一时刻的位姿代替数字化飞行器的初始位姿，从而得到数字化飞行器后续时刻的位姿，以此类推，进而得到所述飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量；
所述环境仿真单元根据所述地形数据、地貌数据、植被数据、地面目标数量、地面目标位置、地面目标类型，得到虚拟3D环境；
所述图像处理单元采用预设图像处理算法，根据所述虚拟3D环境与数字化飞行器各时刻的位姿，得到图像处理单元在各时刻的位姿下所采集到的场景，并向飞行控制单元反馈所采集到的场景中的目标信息，其中目标信息包括目标数量、目标位置以及目标类型；
所述飞行控制单元采用预设集群控制算法，根据其他仿真节点中数字化飞行器各时刻的位姿，其他仿真节点中图像处理单元采集到的场景中的目标信息以及预设的飞行任务实现集群飞行；
所述仿真控制终端接收并存储所述目标信息、数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量以及虚拟3D环境。
进一步地，所述预设参数还包括仿真节点结束条件与仿真结束条件；
当所述仿真控制终端判断任意仿真节点满足所述仿真节点结束条件时，该仿真节点所包含的飞行控制单元、图像处理单元、气动仿真单元与环境仿真单元停止工作，其中，所述仿真节点结束条件包括飞行控制单元故障、数字化飞行器坠毁或者仿真节点完成预设任务；
当所述仿真控制终端判断所述在回路仿真系统满足所述仿真结束条件时，所有仿真节点停止工作，其中，所述仿真结束条件包括所有的仿真节点均完成预设任务、在回路仿真系统运行超过预设时间或者各仿真节点均已结束仿真。
进一步地，所述嵌入式仿真模块还包括HDMI视频采集卡；
所述HDMI视频采集卡用于将所述虚拟3D环境转发给所述图像处理单元。
进一步地，所述嵌入式仿真模块还包括接收机；
所述接收机用于在飞行控制单元没有装载预设飞行控制算法时，接收由地面控制台发射的飞行控制单元当前时刻的飞行舵归一化控制量。
进一步地，所述仿真控制终端包括仿真控制模块、路由器以及数据存储模块；
所述仿真控制模块用于设置并对外发送预设参数；
所述仿真计算机通过所述路由器与仿真控制模块连接；
所述数据存储模块用于存储所述目标信息、数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量以及虚拟3D环境。
进一步地，各仿真节点的图像处理单元经由仿真控制终端进行实时通信，然后将实时通信的内容转发给所述飞行控制单元，其中，所述实时通信的内容包括各仿真节点中数字化飞行器各时刻的位姿、各仿真节点中图像处理单元采集到的场景中的目标信息以及当前执行的预设任务。
进一步地，所述数字化飞行器的三维外形、质量分布、舵面长度、舵面宽度、动力系统特性曲线信息，由数字化飞行器对应的飞行器类型确定。
有益效果：
本发明提供一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，将各种预设参数从仿真控制终端传输到与实际飞行中使用相同算法及工作流程的嵌入式设备，即各仿真节点中，通过数字化飞行器与飞行控制单元共同确定数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量，环境仿真单元得到虚拟3D环境，图像处理单元得到目标信息，从而实现对仿真节点中各嵌入式设备的硬件特性的仿真，以及对飞行控制算法、图像处理算法以及集群控制算法的软件特性仿真，能够代替传统的多轴转台，降低在回路仿真系统的成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统的结构框图；
图2为本发明提供另一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统的结构框图；
图3为本发明提供的单个仿真节点的接口示意图；
图4为本发明提供的仿真控制终端与仿真节点的接口连接示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，该图为本实施例提供的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统的结构框图。其中，为了简洁，图1只给出两个仿真节点、且只给出其中一个仿真节点的结构框图。一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，包括仿真控制终端与两个以上的仿真节点，其中，仿真节点包括仿真计算机与嵌入式仿真模块，同时，仿真计算机包括气动仿真单元与环境仿真单元，嵌入式仿真模块包括飞行控制单元与图像处理单元；所述气动仿真单元中包括气象数据处理器与数字化飞行器。
需要说明的是，数字化飞行器的三维外形、质量分布、舵面长度、舵面宽度、动力系统特性曲线信息，由数字化飞行器对应的飞行器类型确定。
所述仿真控制终端用于设置并对外发送预设参数，所述预设参数包括地形数据、气象数据、地貌数据、植被数据、各数字化飞行器对应的飞行器类型、各数字化飞行器的初始位姿、地面目标数量、地面目标位置以及地面目标类型。
所述飞行控制单元采用预设飞行控制算法，根据所述数字化飞行器的初始位姿得到飞行控制单元的初始飞行舵归一化控制量。
可选的，所述飞行控制单元采用Pixhawk2型自驾仪。
所述气象数据处理器用于从所述气象数据中提取出所述数字化飞行器初始位姿对应的气象数据。
所述数字化飞行器根据所述初始飞行舵归一化控制量、数字化飞行器的初始位姿、数字化飞行器初始位姿对应的气象数据得到数字化飞行器下一时刻的位姿。
所述飞行控制单元采用预设飞行控制算法，根据数字化飞行器下一时刻的位姿得到飞行控制单元再下一时刻的飞行舵归一化控制量；其中，所述再下一时刻的飞行舵归一化控制量反馈回数字化飞行器，并将数字化飞行器下一时刻的位姿代替数字化飞行器的初始位姿，从而得到数字化飞行器后续时刻的位姿，以此类推，进而得到所述飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量。
所述环境仿真单元根据所述地形数据、地貌数据、植被数据、地面目标数量、地面目标位置、地面目标类型，得到虚拟3D环境。
需要说明的是，气动仿真单元与环境仿真单元可以通过Xplane10实现。
所述图像处理单元采用预设图像处理算法，根据所述虚拟3D环境与数字化飞行器各时刻的位姿，得到图像处理单元在各时刻的位姿下所采集到的场景，并向飞行控制单元反馈所采集到的场景中的目标信息，其中目标信息包括目标数量、目标位置以及目标类型。
可选的，所述图像处理单元采用Jetson TX2型图像处理器。
所述飞行控制单元采用预设集群控制算法，根据其他仿真节点中数字化飞行器各时刻的位姿，其他仿真节点中图像处理单元采集到的场景中的目标信息以及预设的飞行任务实现集群飞行。
所述仿真控制终端接收并存储所述目标信息、数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量以及虚拟3D环境。
需要说明的是，各仿真节点的仿真过程是同步实时完成的。
实施例二
基于以上实施例，本实施例对嵌入式仿真模块和仿真控制终端进行进一步说明。参见图2，该图为本实施例提供另一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统的结构框图。
所述嵌入式仿真模块还包括HDMI视频采集卡与接收机；
所述HDMI视频采集卡用于将所述虚拟3D环境转发给所述图像处理单元。
所述接收机用于在飞行控制单元没有装载预设飞行控制算法时，接收由地面控制台发射的飞行控制单元当前时刻的飞行舵归一化控制量。
所述仿真控制终端包括仿真控制模块、路由器以及数据存储模块；
所述仿真控制模块用于设置并对外发送预设参数；
所述仿真计算机通过所述路由器与仿真控制模块连接；
所述数据存储模块用于存储所述目标信息、数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量以及虚拟3D环境。
进一步地，所述预设参数还包括仿真节点结束条件与仿真结束条件；
当所述仿真控制终端判断任意仿真节点满足所述仿真节点结束条件时，该仿真节点所包含的飞行控制单元、图像处理单元、气动仿真单元与环境仿真单元停止工作，其中，所述仿真节点结束条件包括飞行控制单元故障、数字化飞行器坠毁或者仿真节点完成预设任务；
当所述仿真控制终端判断所述在回路仿真系统满足所述仿真结束条件时，所有仿真节点停止工作，其中，所述仿真结束条件包括所有的仿真节点均完成预设任务、在回路仿真系统运行超过预设时间或者各仿真节点均已结束仿真。
进一步地，各仿真节点的图像处理单元经由仿真控制终端进行实时通信，然后将实时通信的内容转发给所述飞行控制单元，其中，所述实时通信的内容包括各仿真节点中数字化飞行器各时刻的位姿、各仿真节点中图像处理单元采集到的场景中的目标信息以及当前执行的预设任务。
参见图3，该图为本实施例提供的单个仿真节点的接口示意图。气动仿真单元通过USB串行总线与飞行控制单元连接，飞行控制单元通过TTL串口与接收机和图像处理单元连接，HDMI视频采集卡通过PCIE高速串行计算机扩展总线与图像处理单元连接，环境仿真单元通过HDMI高清晰度多媒体接口与HDMI视频采集卡连接，图像处理单元通过100Mbps网口与仿真控制终端连接。
参见图4，该图为本实施例提供的仿真控制终端与仿真节点的接口连接示意图。由图4可知，各仿真计算机通过100Mbps网口与仿真控制终端的路由器连接，嵌入式仿真模块通过100Mbps网口与仿真控制终端的仿真控制模块连接。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，包括仿真控制终端与两个以上的仿真节点，其中，仿真节点包括仿真计算机与嵌入式仿真模块，同时，仿真计算机包括气动仿真单元与环境仿真单元，嵌入式仿真模块包括飞行控制单元与图像处理单元；所述气动仿真单元中包括气象数据处理器与数字化飞行器；
所述仿真控制终端用于设置并对外发送预设参数，所述预设参数包括地形数据、气象数据、地貌数据、植被数据、各数字化飞行器对应的飞行器类型、各数字化飞行器的初始位姿、地面目标数量、地面目标位置以及地面目标类型；
所述飞行控制单元采用预设飞行控制算法，根据所述数字化飞行器的初始位姿得到飞行控制单元的初始飞行舵归一化控制量；
所述气象数据处理器用于从所述气象数据中提取出所述数字化飞行器初始位姿对应的气象数据；
所述数字化飞行器根据所述初始飞行舵归一化控制量、数字化飞行器的初始位姿以及数字化飞行器初始位姿对应的气象数据得到数字化飞行器下一时刻的位姿；
所述飞行控制单元采用预设飞行控制算法，根据数字化飞行器下一时刻的位姿得到飞行控制单元再下一时刻的飞行舵归一化控制量；其中，所述再下一时刻的飞行舵归一化控制量反馈回数字化飞行器，并用数字化飞行器下一时刻的位姿代替数字化飞行器的初始位姿，从而得到数字化飞行器后续时刻的位姿，以此类推，进而得到所述飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量；
所述环境仿真单元根据所述地形数据、地貌数据、植被数据、地面目标数量、地面目标位置、地面目标类型，得到虚拟3D环境；
所述图像处理单元采用预设图像处理算法，根据所述虚拟3D环境与数字化飞行器各时刻的位姿，得到图像处理单元在各时刻的位姿下所采集到的场景，并向飞行控制单元反馈所采集到的场景中的目标信息，其中目标信息包括目标数量、目标位置以及目标类型；
所述飞行控制单元采用预设集群控制算法，根据其他仿真节点中数字化飞行器各时刻的位姿，其他仿真节点中图像处理单元采集到的场景中的目标信息以及预设的飞行任务实现集群飞行；
所述仿真控制终端接收并存储所述目标信息、数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量以及虚拟3D环境。
2.如权利要求1所述的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述预设参数还包括仿真节点结束条件与仿真结束条件；
当所述仿真控制终端判断任意仿真节点满足所述仿真节点结束条件时，该仿真节点所包含的飞行控制单元、图像处理单元、气动仿真单元与环境仿真单元停止工作，其中，所述仿真节点结束条件包括飞行控制单元故障、数字化飞行器坠毁或者仿真节点完成预设任务；
当所述仿真控制终端判断所述在回路仿真系统满足所述仿真结束条件时，所有仿真节点停止工作，其中，所述仿真结束条件包括所有的仿真节点均完成预设任务、在回路仿真系统运行超过预设时间或者各仿真节点均已结束仿真。
3.如权利要求1所述的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述嵌入式仿真模块还包括HDMI视频采集卡；
所述HDMI视频采集卡用于将所述虚拟3D环境转发给所述图像处理单元。
4.如权利要求1所述的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述嵌入式仿真模块还包括接收机；
所述接收机用于在飞行控制单元没有装载预设飞行控制算法时，接收由地面控制台发射的飞行控制单元当前时刻的飞行舵归一化控制量。
5.如权利要求1所述的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述仿真控制终端包括仿真控制模块、路由器以及数据存储模块；
所述仿真控制模块用于设置并对外发送预设参数；
所述仿真计算机通过所述路由器与仿真控制模块连接；
所述数据存储模块用于存储所述目标信息、数字化飞行器各时刻的位姿、飞行控制单元各时刻的飞行舵归一化控制量以及虚拟3D环境。
6.如权利要求1所述的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，各仿真节点的图像处理单元经由仿真控制终端进行实时通信，然后将实时通信的内容转发给所述飞行控制单元，其中，所述实时通信的内容包括各仿真节点中数字化飞行器各时刻的位姿、各仿真节点中图像处理单元采集到的场景中的目标信息以及当前执行的预设任务。
7.如权利要求1所述的一种集群无人机分布式硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述数字化飞行器的三维外形、质量分布、舵面长度、舵面宽度、动力系统特性曲线信息，由数字化飞行器对应的飞行器类型确定。
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