CN110865627A - 一种智能无人集群系统测试床架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能无人集群系统测试床架构，整个测试床架构被划分为试验床运行平台层、试验床支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层等六层。运行平台层、支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层依次逐层向上进行抽象，为上层提供支撑。无人机仿真将利用Matlab提供的并行计算工具箱和分布式计算服务器，从而提供可扩展、可定制的虚拟仿真能力。利用高性能服务器作为硬件环境搭建一个私有云计算环境，每个服务器运行Matlab/Simulink分布式计算服务器，由分布式计算服务器驱动每个仿真的无人机单机运行，整个仿真云环境由一个并行计算工具箱进行配置和管理。

Description

一种智能无人集群系统测试床架构
技术领域
本发明涉及一种针对智能无人集群系统测试床的架构，属于无人集群控制技术领域，尤其涉及一种对无人集群进行系统控制测试的技术。
背景技术
针对规模化智能无人集群系统难以在真实物理环境中开展测试试验的问题，基于虚拟仿真环境和真实物理平台，研究虚实结合的测试床架构以及关键支撑技术，构建智能无人集群系统测试床软硬件平台，为后台平行管控等技术的测试与验证提供支撑。主要技术需求的内容包括：基于全数字化仿真技术和硬件在环仿真技术，研究虚实结合的规模化无人集群系统测试床架构，提供灵活、可配置、可重构的测试与验证能力；基于试验床物理硬件，研究智能无人系统模型化抽象机制，提供可控真实环境中的无人系统物理平台试验能力；基于高性能服务器集群，研究规模化无人集群系统的分布式仿真模拟方法，提供大规模系统协同行为和万台并发后台访问的测试验证环境；基于虚实结合的测试床架构，研制无人集群系统仿真工具，提供多种应用或测试场景的配置、维护和性能评估能力。智能无人集群系统测试床架构是本发明的关键技术内容。
发明内容
为了实现背景技术的技术要求，本发明拟采用技术方案为一种智能无人集群系统测试床架构，整个测试床架构被划分为试验床运行平台层、试验床支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层等六层。运行平台层、支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层依次逐层向上进行抽象，为上层提供支撑。
为了支持大规无人集群系统的数字化仿真测试能力，试验床运行平台层采用云计算平台，云计算平台以Docker容器机制提供大规模无人集群系统仿真实例的封装、实例化和快速部署运行。
为了加速无人终端(无人机、机器人等)的动力学模型、行为模型、以及运行环境建模，试验床支撑环境层选用建模和仿真工具作为支撑环境，以便快速准确地建立起符合测试床架构需求的模型。综合各种建模和仿真环境，选择MathWork的Matlab作为建模工具，以Simulink作为仿真执行引擎。以Matlab的机器人工具包(Robotics)作为支撑，设计和研制机器人仿真模型；以航空工具包(Aerospace)作为支撑，设计和研制无人仿真模型；以分布式计算工具包作为支撑，研制并行和分布式仿真运行环境。
仿真模型库利用试验支撑环境的相关工具分别根据多种机器人、无人机的内部特性和外部特性，建立起固定翼无人机、旋翼无人机、机器人等无人终端仿真模型库。对无人终端仿真模型库进行特征划分，包括无人终端内部特征模型库和无人终端外部特征模型库，无人终端内部特征模型库包括动力学模型、行为模型以及半实物模型，无人终端外部特征模型库包括大气环境模型、通信模型、位置感知以及地面环境模型；从无人终端仿真模型的特性角度，将从动力学模型、行为模型以及半实物模型等方面建立起无人终端的内部特性模型；从大气环境模型、通信模型、位置感知以及地面环境等方面建立起无人终端的外部特性模型。
无人集群运行引擎包括无人终端生成器模块、无人终端实例管理模块、控制命令接收分发模块、状态感知上报模块、集群管理和协同模块和行为和环境协同模块。无人集群运行引擎利用利用各种无人终端模型建立起某种组织结构和规模的智能无人系统集群(此处的组织结构根据具体的试验要求进行搭接，无人终端模型不同对应的无人集群运行引擎需求也是并不相同，同样，无人终端模型的规模也不同，具体取决于实际需要；)。无人集群运行引擎提供无人终端实例生成、管理、控制等外部接口；同时也提供无人集群的协同管理、行为和环境协同管理、全局状态感知和上报等功能。
实验管理和评估层包括试验任务管理模块和数据驱动测试模块，实验管理和评估层用以提供试验任务管理和评估能力。并且从大规模无人集群系统测试需求出发，集成数据驱动的测试功能；融合场景数据生成、任务数据生成、数据时空关联实例化等能力。
实验效果呈现层用以将无人集群系统试验运行实时状态以可视化的方式展现给测试人员。实验效果呈现层采用FlightGear和Vega Prime作为可视化呈现引擎，研发相应的无人集群试验控制系统。
附图说明
图1为智能无人集群系统测试床架构。
图2为无人系统集群全数字仿真实施架构。
图3为全数字虚拟测试管理软件。
图4为基于Matlab并行计算框架的集群仿真方案。
具体实施方式
针对规模化智能无人集群系统难以在物理环境中开展测试试验的问题，无人集群全数字化测试床将基于虚拟仿真技术建立起可以进行智能无人集群系统的关键技术、原型验证的试验平台，从而解决无人系统集群试验中面临的成本、安全性、全面性等问题。
全数字化无人集群虚拟仿真测试床根据无人终端(旋翼无人机、固定翼无人机、地面机器人)等的动力学特性和行为特性，利用数字化方法模拟它们的行为，并且与云端智能无人集群运行支撑平台后端进行交互，接受后端的控制。根据本发明的技术目的，将完成固定翼无人机、旋翼无人机以及运动机器人的虚拟仿真模型研制。
图2给出了智能无人系统全数字仿真实验床实施架构。架构的核心包括两方面：a)利用Matlab/Simulink作为无人终端全数字化模型建模平台；b)利用Flight Gear飞行仿真平台作为多无人终端融合平台，并且提供可视化的视景呈现。测试床智能无人终端管理软件无人终端虚拟模型与云端控制系统以及Flight Gear之间的融合。
a)基于MatLab/Simulink的智能无人终端仿真
Matlab/simulink有着强大的数据/函数处理和仿真的能力，无人机的控制设计和模态的飞行仿真通常都在MATLAB/Simulink下进行。Matlab提供强大的数值运算能力，方便对无人机的动力学模型开展高效的数学运算能力。此外Matlab/Simulink提供Aerospace工具箱，为无人机建模提供了良好的条件。Aerospace工具箱模块含有大气数据、六自由度动力学模块、舵机模块、导航制导模块、重力模块、飞行参数模块和推力模块等。
Simulink Stateflow可以支持无人机的多模态建模和仿真。StateFlow是一个基于状态机和流程图来构建组合和时序逻辑决策模型并进行仿真的环境。Stateflow可以将图形表示和表格表示(包括状态转换图、流程图、状态转换表和真值表)结合在一起，针对系统事件，基于时间的条件以及外部输入信号的反应方式进行建模。Stateflow可用于设计有关监控、任务调度以及故障管理应用程序的逻辑。Stateflow包括状态图动画及静态和运行时检查，可以在实施前测试设计的一致性和完整性。
智能无人终端仿真建模主要包括如下几方面内容：
利用Matlab的数值运算能力以及Aerospace工具箱提供的建模套件，分别完成特定型号的固定翼人机、旋翼无人机的飞行动力学模型建模。该模型应当提供六自由度动力学模型，使之根据飞行控制模型的指令开展空气动力学参数解算和大气参数解算。这些参数将被反馈给云端控制系统作为控制的依据；也将传输给Flight Gear，作为多机融合和视景呈现的重要依据。
利用Simulink和相关工具包完成无人机的运行模态建模，完成无人机的自动飞行控制系统仿真。主要以事件和状态驱动方式实现无人机飞行控制系统。根据自身特点和运行状态，完成各种内部信息采集，接收外部遥控命令，驱动各种激励和伺服机构。
利用Simulink和相关工具包完成无人机的高层行为模型建模，主要面向应用载荷完成载荷状态、载荷目标和载荷控制建模。本项目将研究无人机区域信息采集载荷、无人机中继通信载荷、以及无人机货物投送等多个载荷模型建模。
为了对不同的无人机的虚拟仿真模型进行管理，同时也支持多个相同类型的无人机协同仿真，本发明搭建的无人集群系统测试床架构拟利用一个统一的软件对所有无人机仿真模型和无人机仿真实例的控制和管理。该软件是测试床无人终端虚拟仿真管理软件，如图3所示，其主要功能包括：
无人机模型管理。主要管理和配置试验床支持的无人机模型，包括固定翼无人机模型、旋翼无人机模型等。
无人机实例管理。无人机实例是无人机模型在具体场景下的执行，每种模型可以生成大量的无人机实例，无人机实例之间具有相同的属性。无人机实例管理主要包括无人机实例创建、分配、维护、资源分配等。
无人机虚拟驱动引擎，提供无人机虚拟化模型的执行、同步等操作，使得多个相关联无人机虚拟模型之间能够维持必要的同步关系。
无人机后台通信主要提供与运算控制系统和视景呈现平台之间的通信。无人机通信采用UDP通信模式，提供高速的数据交换能力。
b)Flight Gear视景融合和呈现
多无人集群飞行重要的效果是通过可视化的方式呈现，使得测试人员能够对集群飞行和集群任务有直观的认识。另外，无人机虚拟化模型通过单独仿真，并未形成一体化的集群。只有通过特定的方式将各虚拟化无人机融合在一起，进行综合呈现。
项目将以Flight Gear为基础，通过扩展Flight Gear功能，实现多个无人机的虚拟化呈现，并且构建一个全局的3维坐标体系，融合空间和3维地形模型，形成一个统一的视景图像。
实施例：大规模无人系统集群虚拟仿真方案
以智能无人集群系统维验证目标。但是，整个虚拟仿真试验环境面临计算负载重、计算扩展性高的两方面约束。一方面，无人机的动力学模型、行为模型和环境模型的解算是一种计算密集型应用；另一方面，试验过程必须能够灵活扩展，方便无人机实例的快速、批量化增减。
为了满足上述要求，无人机仿真将利用Matlab提供的并行计算工具箱和分布式计算服务器，开发和设计仿真运行平台。每个无人机实例作为一个仿真worker运行。大量的无人机实例运行在一个私有的云计算平台上，从而提供可扩展、可定制的虚拟仿真能力。根据项目仿真测试需求，拟利用15台高性能服务器作为硬件环境搭建一个私有云计算环境，每个服务器运行Matlab/Simulink分布式计算服务器，由分布式计算服务器驱动每个仿真的无人机单机运行，整个仿真云环境由一个并行计算工具箱进行配置和管理，如图4所示。

Claims (10)

1.一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：整个测试床架构被划分为试验床运行平台层、试验床支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层六层；运行平台层、支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层依次逐层向上进行抽象，为上层提供支撑。
2.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：为了支持大规无人集群系统的数字化仿真测试能力，试验床运行平台层采用云计算平台，云计算平台以Docker容器机制提供大规模无人集群系统仿真实例的封装、实例化和快速部署运行。
3.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：为了加速无人终端的动力学模型、行为模型、以及运行环境建模，试验床支撑环境层选用建模和仿真工具作为支撑环境，以便快速准确地建立起符合测试床架构需求的模型；综合各种建模和仿真环境，选择MathWork的Matlab作为建模工具，以Simulink作为仿真执行引擎；以Matlab的机器人工具包Robotics作为支撑，设计和研制机器人仿真模型；以航空工具包Aerospace作为支撑，设计和研制无人机仿真模型；以分布式计算工具包作为支撑，研制并行和分布式仿真运行环境。
4.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：仿真模型库利用试验支撑环境的相关工具分别根据多种机器人、无人机的内部特性和外部特性，建立起固定翼无人机、旋翼无人机、机器人无人终端仿真模型库；对无人终端仿真模型库进行特征划分，包括无人终端内部特征模型库和无人终端外部特征模型库，无人终端内部特征模型库包括动力学模型、行为模型以及半实物模型，无人终端外部特征模型库包括大气环境模型、通信模型、位置感知以及地面环境模型；从无人终端仿真模型的特性角度，将从动力学模型、行为模型以及半实物模型方面建立起无人终端的内部特性模型；从大气环境模型、通信模型、位置感知以及地面环境方面建立起无人终端的外部特性模型。
5.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：无人集群运行引擎包括无人终端生成器模块、无人终端实例管理模块、控制命令接收分发模块、状态感知上报模块、集群管理和协同模块和行为和环境协同模块；无人集群运行引擎利用利用各种无人终端模型建立起某种组织结构和规模的智能无人系统集群；无人集群运行引擎提供无人终端实例生成、管理、控制外部接口；同时也提供无人集群的协同管理、行为和环境协同管理、全局状态感知和上报功能。
6.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：实验管理和评估层包括试验任务管理模块和数据驱动测试模块，实验管理和评估层用以提供试验任务管理和评估能力；并且从大规模无人集群系统测试需求出发，集成数据驱动的测试功能；融合场景数据生成、任务数据生成、数据时空关联实例化能力。
7.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：实验效果呈现层用以将无人集群系统试验运行实时状态以可视化的方式展现给测试人员；实验效果呈现层采用FlightGear和Vega Prime作为可视化呈现引擎，研发相应的无人集群试验控制系统。
8.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：智能无人系统全数字仿真实验床实施架构包括两方面：a)利用Matlab/Simulink作为无人终端全数字化模型建模平台；b)利用Flight Gear飞行仿真平台作为多无人终端融合平台，并且提供可视化的视景呈现；测试床智能无人终端管理软件无人终端虚拟模型与云端控制系统以及Flight Gear之间的融合。
9.根据权利要求8所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：
利用Matlab的数值运算能力以及Aerospace工具箱提供的建模套件，分别完成固定翼人机、旋翼无人机的飞行动力学模型建模；该飞行动力学模型应当提供六自由度动力学模型，使之根据飞行控制模型的指令开展空气动力学参数解算和大气参数解算；这些参数将被反馈给云端控制系统作为控制的依据；也将传输给Flight Gear，作为多机融合和视景呈现的重要依据；
利用Simulink和相关工具包完成无人机的运行模态建模，完成无人机的自动飞行控制系统仿真；主要以事件和状态驱动方式实现无人机飞行控制系统；根据自身特点和运行状态，完成各种内部信息采集，接收外部遥控命令，驱动各种激励和伺服机构；
利用Simulink和相关工具包完成无人机的高层行为模型建模，主要面向应用载荷完成载荷状态、载荷目标和载荷控制建模。
10.根据权利要求9所述的一种智能无人集群系统测试床架构，其特征在于：
搭建的无人集群系统测试床架构拟利用一个统一的软件对所有无人机仿真模型和无人机仿真实例的控制和管理；该软件是测试床无人终端虚拟仿真管理软件，其功能包括：
无人机模型管理；主要管理和配置试验床支持的无人机模型，包括固定翼无人机模型、旋翼无人机模型；
无人机实例管理；无人机实例是无人机模型在具体场景下的执行，每种模型生成大量的无人机实例，无人机实例之间具有相同的属性；无人机实例管理包括无人机实例创建、分配、维护、资源分配；
无人机虚拟驱动引擎，提供无人机虚拟化模型的执行、同步操作，使得多个相关联无人机虚拟模型之间能够维持同步关系；
无人机后台通信主要提供与运算控制系统和视景呈现平台之间的通信；无人机通信采用UDP通信模式。
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