CN110764433A - 一种基于v-rep平台的集群无人机系统并行仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于V‑REP平台的集群无人机系统并行仿真方法。利用局域网将多台电脑进行连接，组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V‑REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的仿真运行，在V‑REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行，并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行视景演示。将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。
Description
技术领域
本发明涉及集群无人机系统领域，更具体地，涉及一种基于V-REP平台的 集群无人机系统并行仿真方法。
背景技术
仿真技术是无人机集群系统研究领域的一个重要组成部分，随着无人机集群 系统研究的不断深入和无人机集群系统领域的不断发展，集群无人机仿真系统作 为集群无人机系统设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越 重要的作用。由于集群无人机系统研究在展开实物实验时需要大量的实物器材和 地域空间，耗费的经费也随之增加，因此，一般采用仿真方法来先期验证集群无 人机系统的功能性能。通过构建仿真平台，在虚拟场景下进行无人机系统的协同 作业，为分析评估提供实验数据，可以极大的节约科研经费和实验耗材，而且简 单安全。在集群无人机系统的开发周期中，算法占据了很大部分，开发时间主要 集中在系统集成，软件算法开发和性能优化上。通过仿真实验来研究无人机集群 系统的各种性能和特点，已经是集群无人机系统理论研究必备的方法之一。同时， 仿真实验结果也为制造无人机集群提供了有效的参考依据。目前，大多数仿真平 台都是建立在Gazebo、V-REP、AirSim软件上，但是目前大规模集群无人机系 统在进行物理模型仿真时，存在计算量大、仿真速度慢的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中大规模集群无人机系统在进行物理模型仿真 时计算量大，仿真速度慢的缺陷，提供一种基于V-REP平台的集群无人机系统 并行仿真方法，将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采取分 布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于V-REP平台的 集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，利用局域网将多台电脑进行连接， 组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V-REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的 仿真运行，在V-REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷 贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行， 并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所 有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行 视景演示。
集群无人机系统仿真平台是验证集群无人机系统的任务执行能力和集群控 制能力等关键技术能力的基本手段。本发明所述的设计方法，可以支撑构建大规 模集群无人机系统仿真验证平台，采用多台电脑进行联合并行仿真，有效的提高 仿真速度，对于集群算法评估具有重要意义。
进一步的，旋翼无人机模型和质点无人机模型的构建方法为：选用V-REP 平台上的Quadricopter无人机仿真模型进行改进，旋翼无人机仿真模型在原有 Quadricopter无人机仿真模型上构建外部控制函数，以便在MATLAB端进行控 制输入；质点无人机模型则删除其控制算法，删减多余的组件，并将其设置为非 动力学物体属性，但保持其可检测性。
进一步的，中心服务器与各客户端的通信方法为：中心服务器在MATLAB 端调用RemoteApi中的vrep.simxStart：'****',19999,true,true,5000,5函数通过局 域网与各客户端电脑上V-REP进行连接，其中‘****’为各个客户端电脑上的IP 地址。
本发明方法能够将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采 取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。 在进行大规模无人机模拟飞行时，中心服务器与多个客户端建立局域网，中心服 务器与各客户端都打开V-REP软件，使用完全相同的环境场景信息，中心服务 器采用remoteAPI控制每个客户端的仿真进程，为每个客户端分配一定数量的无 人机模型飞行实体，各个客户端只负责本部分无人机仿真模型的实体计算，剩余 的无人机用无动力学模型代替，并将无人机的状态信息以及传感器信息反馈到中 心服务器；中心服务器收集到所有客户端的数据反馈后进行集中处理，在本机的 V-REP端以无动力学特性的无人机模型显示所有无人机的仿真状态，同时在 MATLAB上解算出控制指令后分发给各个客户端执行，广播所有无人机的位置 信息。中心服务器广播所有无人机的位置信息和控制命令指令，客户端提取相应 的控制命令指令作用于本端的无人机实体，非实体无人机模型仅提取位置信息进 行更新。中心服务器负责协调各虚拟实体，显示所有无人机的仿真状态和整体场 景信息，维护共享虚拟环境的一致性，有必要时中心服务器也可以模拟一部分实 体无人机飞行，客户端则只负责实体的仿真计算和收集传感器的探测信息等任务。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提出的一种基于V-REP平台的集群 无人机系统并行仿真方法，将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑 中，采取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的 速度。
附图说明
图1是本发明实施例中联合仿真构架示意图。
图2是本发明实施例中实物仿真机群示意图。
图3是本发明实施例中仿真效果示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施 例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领 域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中 描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本发明的联合仿真架构，如图1所示，使用了5台电脑通过局域网的连接构 建了一个并行仿真机群，如图2所示，实现了300架无人机的仿真实验，仿真效 果如图3所示，其中红色为旋翼无人机仿真模型，绿色为质点无人机模型。应用 本发明提出的并行仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：使用局域网将5台电脑进行连接，设置好相应的IP地址，组成一 个联合仿真计算机群。
步骤2：选用其中一台电脑为中心服务器，其余4台电脑作为客户端。在中 心服务器上运行MATLAB，在V-REP上构建旋翼无人机仿真模型和质点无人机 模型：选用V-REP平台上的Quadricopter无人机仿真模型进行改进，旋翼无人机 仿真模型在原有Quadricopter无人机仿真模型上构建外部控制函数，质点无人机 模型则删除其控制算法，删减不必要的组件，并将其设置为非动力学物体属性， 但保持其可检测性。
步骤3：将创建好的仿真环境拷贝到其余客户端电脑上。
步骤4：中心服务器在MATLAB上调用RemoteApi函数库中的 vrep.simxStart('****',19999,true,true,5000,5)函数与各客户端电脑上V-REP进行连 接，其中‘****’设置为各个客户端电脑上的IP地址。
步骤5：4个客户端分别分配75架旋翼无人机仿真模型，其余无人机设置 为质点模型，中心服务器上无人机全部设置为质点无人机模型。
步骤6：初始化中心服务器和各客户端上所有无人机位置。在中心服务器上 运行算法并协调控制仿真进行。
步骤7：仿真过程中各客户端将本机中旋翼无人机仿真模型位姿信息统一发 送给中心服务器。中心服务器收到所有无人机位置后在本机V-REP中用质点无 人机模型进行位置标注，运行算法解算控制指令，而后再将解算出的所有无人机 控制指令和位置下发给各客户端。各个客户端提取本机旋翼无人机仿真模型的控 制指令并执行，本机质点无人机模型仅进行位置标注显示。如此循环直至仿真结 束。
本实施例使用了5台计算机构建了一个联合仿真机群，实现了300架无人机 的仿真实验，其仿真效果如图3所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，利用局域网将多台电脑进行连接，组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V-REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的仿真运行，在V-REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行，并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行视景演示。
2.根据权利要求1所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，旋翼无人机模型和质点无人机模型的构建方法为：选用V-REP平台上的Quadricopter无人机仿真模型进行改进，旋翼无人机仿真模型在原有Quadricopter无人机仿真模型上构建外部控制函数，以便在MATLAB端进行控制输入；质点无人机模型则删除其控制算法，删减多余的组件，并将其设置为非动力学物体属性，但保持其可检测性。
3.根据权利要求1所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，中心服务器与各客户端的通信方法为：中心服务器在MATLAB端调用RemoteApi中的vrep.simxStart：'****',19999,true,true,5000,5函数通过局域网与各客户端电脑上V-REP进行连接，其中‘****’为各个客户端电脑上的IP地址。
4.根据权利要求2或3所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，各个客户端只负责本部分无人机仿真模型的实体计算，剩余的无人机用无动力学模型代替，并将无人机的状态信息以及传感器信息反馈到中心服务器。
5.根据权利要求4所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，中心服务器收集到所有客户端的数据反馈后进行集中处理，在本机的V-REP端以无动力学特性的无人机模型显示所有无人机的仿真状态，同时在MATLAB上解算出控制指令后分发给各个客户端执行，广播所有无人机的位置信息。
6.根据权利要求5所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，中心服务器广播所有无人机的位置信息和控制命令指令，客户端提取相应的控制命令指令作用于本端的无人机实体，非实体无人机模型仅提取位置信息进行更新。
7.根据权利要求6所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，中心服务器负责协调各虚拟实体，显示所有无人机的仿真状态和整体场景信息，维护共享虚拟环境的一致性；中心服务器也可以模拟一部分实体无人机飞行，客户端则只负责实体的仿真计算和收集传感器的探测信息任务。
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