CN112286079A - 一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，包括：通过虚实接口连接的仿真环境端和被仿设备端；仿真环境端接受系统信号，运行实时系统和立体渲染引擎，模拟输出信号并进行显示；虚实接口连接仿真环境中的虚拟计算数据和被仿设备中的实际物理信号。本发明的仿真系统具备视觉和实景感知能力，可实现完全模拟航电系统（含机载计算机、飞控计算机、任务载荷、数据链路、姿态传感器等）的真实工作情况，通过半实物仿真验证硬件设计和软件算法的功能与可靠性，适用于具备机载摄像头的多旋翼无人机、搭载激光雷达的固定翼无人机等。

Description

一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统

技术领域

本发明涉及一种仿真系统，具体涉及一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统；属于无人机应用技术领域。

背景技术

无人机仿真系统可以在接受控制信号后，根据控制信号和模拟出来的无人机飞行环境计算出无人机接下来的一系列动作，方便操纵者更好地了解和操控无人机，也可以更好地了解无人机的特性，为无人机的飞行控制测试提供更好的保障工作。

现有的无人机航电仿真技术包括软件在环仿真和半实物仿真两大类，其中，前者只能对软件的基本逻辑进行验证，而后者主要针对的都是飞行控制层面的仿真，没有扩大到包含实景感知传感器、机载计算机、数据链等在内的整个航电系统的仿真能力。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具备高拟真度、可以对包含感知、规划、控制三个层次的无人机航电系统进行半实物仿真的仿真系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，包括：通过虚实接口连接的仿真环境端和被仿设备端；所述仿真环境端接受系统信号，运行实时系统和立体渲染引擎，模拟输出信号并进行显示；所述虚实接口连接仿真环境中的虚拟计算数据和被仿设备中的实际物理信号。

优选地，前述仿真环境端包括：飞行器仿真计算机、实景仿真计算机和主控上位机，三者通过以太网连接进行数据交换；

其中，飞行器仿真计算机读取飞控输出的执行器信号，计算飞行器的实时操纵力和力矩，得出飞行器的位姿变化，输出至实景仿真计算机；实景仿真计算机运行立体渲染引擎，渲染出真实世界的景物，并在此基础上模拟出机载摄像头、激光雷达、3D TOF传感器的输出信号，输出；主控上位机接收系统中的关键信号，在显示器上进行显示，并且接受操作人员的输入，改变仿真系统的运行状态和关键参数。

优选地，前述被仿设备端安装于无人机上，包括机载计算机、飞行控制计算机和数据链路中的一种或多种。

更优选地，前述虚实接口包括AD/DA卡、PWM采集卡、CAN接口卡、以太网卡、USB接口、三轴转台及程控衰减器中的一种或多种；所述AD/DA卡连接在飞行器仿真机PCI总线上；所述PWM采集卡和CAN接口卡均链接在PCI总线上；所述以太网卡和USB接口均链接在实景仿真机上；所述三轴转台经飞行器仿真机控制，输出飞行器的实际姿态给被仿飞控机；所述程控衰减器由仿真机控制，串联在被仿设备数据链路的射频接口上，以衰减射频信号幅度，模拟不同飞行距离上空气对射频信号的衰减。

进一步优选地，前述飞行器仿真计算机包括飞控执行器输入采集模块、飞行器动力学模块、环境影响模块、飞行器姿态学模块、导航信号模拟生成模块和UDP数据上报模块；其中，所述飞控执行器输入采集模块读取PWM采集卡的信号，输出信号至飞行器动力学模块，所述飞行器动力学模块根据执行器输入计算出操舵量，生成操纵力和操纵力矩，计算出机体坐标系下的运动速度和角速度并输出至飞行器姿态学模块，所述飞行器姿态学模块计算导航系下的机体姿态、加速度、速度和角速度并发送至UDP数据上报模块，所述UDP数据上报模块打包这些数据，外发至实景仿真计算机；所述导航信号模拟生成模块读取飞行器姿态学模块的数据，并按照传感器模型计算出叠加噪声和偏移的模拟传感器信号；所述环境影响模块按照上位机的指令模拟出突风等外部力，施加给机体动力学模块。

进一步优选地，前述实景仿真计算机包括：三维实景渲染引擎模块、天气影响模块、3D TOF模拟模块、摄像头数据模拟模块、激光雷达模拟模块和UDP数据上报模块，所述三维实景渲染引擎模块接受来自飞行器仿真计算机的数据信息并生成实景，分别经3D TOF模拟模块、摄像头数据模拟模块和激光雷达模拟模块进行模拟，模拟结果经UDP数据上报模块进行上报。

更进一步优选地，前述天气影响模块受主控上位机控制，实现天气和光照（晴、阴、雨、雾、雪）的实景调节。

再进一步优选地，前述激光雷达模拟模块的具体模拟过程为：

首先，根据无人机载体位姿叠加安装位姿，计算出雷达扫描线的旋转中心点，然后以此 点为起点，按照周向360°、间隔角分辨率、垂向沿扫描线数分布的方式，生成一系列扫描射 线，生成射线的计算公式如下：

，其中，θ和γ分别为生成扫描线的 偏航角和俯仰角，△θ是指激光雷达水平方向的角度分辨率；

接着，对每个扫描射线，调用三维引擎的API，返回这个射线上的第一个碰撞点，对于每个不透明且距离在激光雷达最大探测距离内的碰撞点，根据其距离d和反射率δ参数按照下式估算激光雷达测量返回值和噪声，计算过程如下：

（1）计算单线激光在空气中往返传输的衰减和在目标点处返回的强度：

式中，I表示反射回光的强度，I₀为激光雷达发射光的强度，β为激光雷达所用激光波段在空气中传输的衰减系数，δ为目标点材质的反射率；

（2）根据反射强度模拟激光雷达测量返回的距离和噪声参数：

measure为激光雷达对该点的距离测量值，取值为null时表示回波过弱，测不到；式

中，0为中心、

为方差的高斯噪声。

最后，全部扫描线计算完毕后，将所有数据按照激光雷达协议格式经以太网输出，作为仿真用的激光雷达数据包。

如上的激光雷达数据仿真计算具有两点优势：

（1）考虑到激光在空气中传输的衰减和目标上不同材质颜色反射引起的测量范围衰减和噪声，可以较好地模拟激光雷达对低反射率物体测量不准、测量距离短的特性；

（2）可以较好地模拟多线激光雷达扫描线在垂向分布上不均匀的特性。

更进一步优选地，前述3D TOF模拟模块的机理与激光雷达数据模拟相类似，具体采用以下公式生成扫描线：

，式中，θ和γ分别为生成扫描线的偏航角和俯仰角，α和β分别为3D TOF模块在水平和垂直方向上的视场角，p和q分别为3D TOF模块在水平和垂直方向上的分辨率，i和j的取值分别为0~p和0~q。

再进一步优选地，前述主控上位机使用以下公式计算出晴天工况下的空气传输衰减：

，式中，F为数据链使用的射频信号频率，单位为GHz；D为传输距离，单位为km。

本发明的仿真系统具备视觉和实景感知能力，可实现完全模拟航电系统（含机载计算机、飞控计算机、任务载荷、数据链路、姿态传感器等）的真实工作情况，通过半实物仿真验证硬件设计和软件算法的功能与可靠性，适用于具备机载摄像头的多旋翼无人机、搭载激光雷达的固定翼无人机等。

本发明的有益之处在于：

（1）本发明的仿真系统不仅具备对无人机飞行控制计算机和姿态传感器的仿真测试能力，还具备对实景感知传感器（摄像头、激光雷达、3D TOF等）的仿真能力，可实现对机载计算机上运行的感知和规划算法进行测试；

（2）具备对数据链路通讯品质（信号幅度、信噪比、延迟、丢包）随着无人机飞行距离变化的仿真能力，可以较好地模拟无人机在远距离飞行时的遥控行为和失控时的保护行为；

（3）所有仿真计算全部采用外部实时计算机进行计算，并通过与真实运行环境一致的接口发送给被测航电，而非运行在被测航电内部，使得航电系统在仿真时运行的程序与真实飞行时完全一致，并且仿真模型计算频率可以高于被测控制器的运行频率，提高仿真精度和真实性；

（4）还可以仿真天气变化对无人机机载传感器、感知算法和数据链工作的影响。

附图说明

图1是本发明的高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统的总体框图；

图2是飞行器仿真计算机内部结构框图；

图3是实景仿真计算机内部结构框图；

图4是导航信号模拟生成模块的内部结构框图；

图5是主控上位机的内部结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明的仿真系统为高拟真度的无人机航电半实物实景仿真系统，可以对包含感知、规划、控制三个层次的无人机航电系统进行半实物仿真。其整体硬件结构如图1所示，在仿真环境一侧主要包括飞行器仿真计算机、实景仿真计算机和主控上位机，虚实接口包括AD/DA卡、PWM采集卡、CAN接口卡、以太网卡、USB接口、三轴转台及程控衰减器，被仿设备则包括无人机上实际安装的机载计算机、飞行控制计算机和数据链路。

仿真环境中，仿真计算机、实景仿真计算机和主控上位机这三台计算机统一安装在一台机柜上，三者通过以太网连接进行数据交换。其中飞行器仿真计算机为实时计算机，运行实时系统，内部装载飞行器的动力学模型，读取飞控输出的执行器信号，计算飞行器的实时操纵力和力矩，得出飞行器的位姿变化，再通过以太网和PCI总线输出。实景仿真计算机运行立体渲染引擎（包括但不限于Unity3D、Unreal等），渲染出真实世界的景物，并在此基础上模拟出机载摄像头、激光雷达、3D TOF等传感器的输出信号，经USB和以太网输出。主控上位机接收系统中的所有关键信号，在显示器上显示给操作人员，并且可以接受操作人员的输入，改变仿真系统的运行状态和关键参数。

虚实接口为连接仿真环境中的虚拟计算数据和被仿设备中的实际物理信号的接口。其主要包括：连接在飞行器仿真机PCI总线上的AD/DA卡，进行仿真机数字信号和被仿设备电压信号的转换；链接在PCI总线上的PWM采集卡，采集飞行控制计算机输出的执行器信号，传给飞行器仿真机进行姿态计算；链接在仿真机PCI总线上的CAN接口卡，使仿真机具备与被仿设备进行双向数据通讯的能力；链接在实景仿真机上的以太网卡和USB接口，具备将实景数据输出模拟成摄像头、激光雷达等传感器设备的能力；三轴转台，经飞行器仿真机控制，可以输出飞行器的实际姿态给被仿飞控机；由仿真机控制的程控衰减器，串联在被仿设备数据链路的射频接口上，可以衰减射频信号幅度，模拟不同飞行距离上空气对射频信号的衰减。

如图2所示，飞行器仿真计算机内部包括飞控执行器输入采集模块、飞行器动力学模块、环境影响模块、飞行器姿态学模块、导航信号模拟生成模块和UDP数据上报模块。其中，飞控执行器输入采集模块读取PWM采集卡的信号，测量脉宽，作为执行器输入。飞行器动力学模块根据执行器输入计算出操舵量，生成操纵力和操纵力矩，计算出机体坐标系下的运动速度和角速度。对于常见的飞行器构型，其动力学模型较为成熟，故在此不详述。机体坐标系下的运动速度和角速度输入飞行器姿态学模块，转换至导航坐标系，并计算导航系下的机体姿态、加速度、速度和角速度。UDP数据上报模块打包这些数据，外发至其他计算机。导航信号模拟生成模块读取这些数据，并按照传感器模型计算出叠加噪声和偏移的模拟传感器信号。环境影响模块按照上位机的指令模拟出突风等外部力，施加给机体动力学模块。

导航信号模拟生成模块的内部结构如图4所示，真实信号ab_real首先按照传感器的采样频率输入零阶保持器，叠加传感器噪声模型后输出，得到离散的采样信号ab（以加速度计为例）。信号生成过程中，采样信号基础上再叠加高频高斯噪声，用作传感器的噪声模拟，再叠加一路随机产生的超低频白噪声信号，用作零漂偏移的模拟。

实景仿真计算机内部运行三维实景渲染引擎生成实景，并在此基础上运行摄影头数据模拟模块、激光雷达模拟模块和3D TOF模拟模块，三维实景渲染时的天气和光照（晴、阴、雨、雾、雪）受上位机控制，其连接和工作方式如图3所示。

摄像头数据模拟模块的配置参数包括安装位姿、相机焦距、成像传感器幅面、分辨率和畸变参数。仿真过程中，首先按照飞行器仿真机算出的无人机载体位姿叠加相机安装位姿，在三维引擎中配置一个相机，生成带透视关系和景深的原始画面，然后根据畸变参数扭曲画面，形成考虑到镜头畸变的画面，再在此基础上叠加成像传感器噪声，形成模拟真实摄像头的画面。

激光雷达模拟模块的配置参数包括安装位姿、扫描线数、角分辨率、视场角、激光 接收敏感度Imin。仿真过程中，首先根据无人机载体位姿叠加安装位姿，计算出雷达扫描线 的旋转中心点，然后以此点为起点，按照周向360°、间隔角分辨率、垂向沿扫描线数分布的 方式，生成一系列扫描射线，生成射线的计算公式如下：

，其中，θ和 γ分别为生成扫描线的偏航角和俯仰角，△θ是指激光雷达水平方向的角度分辨率。

对每个扫描射线，调用三维引擎的API，返回这个射线上的第一个碰撞点。对每个碰撞点，分析其坐标、反射率和透明度等材质参数，若其为透明点，则以该点为起点，原射线方向为方向，继续向前寻找碰撞点，直至其不透明或距离超出激光雷达的最大探测距离位置。对于每个不透明且距离在激光雷达最大探测距离内的碰撞点，根据其距离d和反射率δ参数按照下式估算激光雷达测量返回值和噪声，计算过程如下：

（1）首先计算单线激光在空气中往返传输的衰减和在目标点处返回的强度：

式中，I表示反射回光的强度，I₀为激光雷达发射光的强度，β为激光雷达所用激光波段在空气中传输的衰减系数，需要实验测定。

（2）根据这个反射强度模拟激光雷达测量返回的距离和噪声参数：

measure为激光雷达对该点的距离测量值，取值为null时表示回波过弱，测不到；式

中，0为中心、

为方差的高斯噪声。

最后，待全部扫描线计算完毕后，将所有数据按照激光雷达协议格式经以太网输出，作为仿真用的激光雷达数据包。

3DTOF模拟模块的机理与激光雷达数据模拟类似，所不同的是采用以下方法生成扫描线：

，式中，θ和γ分别为生成扫描线的偏航角和俯仰角，α和β分别为3D TOF模块在水平和垂直方向上的视场角，p和q分别为3D TOF模块在水平和垂直方向上的分辨率，i和j的取值分别为0~p和0~q。

实景仿真机内部存储有真实环境的地形数据，可用于对数据链路的通讯信道质量做仿真。仿真过程中，每一步更新时以起飞点坐标为原点，指向飞行器当前坐标为方向，调用射线API返回第一个碰撞点。若碰撞点为飞行器坐标点，则认为该信号传输路径上没有遮挡，并将数据传输至上位控制机使用空气衰减公式计算射频信号衰减，并以此控制程控衰减器，如图5所示；若返回其他碰撞点，则认为传输路径上有实体遮挡，射频信号被完全阻断，将衰减器衰减值设置为最大衰减。上位机接收到遮挡和距离数据D后，使用以下公式计算出晴天工况下的空气传输衰减：

上式中，F为数据链使用的射频信号频率（GHz），D为传输距离（km）。当仿真时的天气为雨雾雪天气时，需要在此式上再次叠加衰减因子，不同天气下的衰减因子需要按照被仿无人机安装的数据链进行实际测试得出。

综上，本发明的仿真系统不仅具备对无人机飞行控制计算机和姿态传感器的仿真测试能力，还具备对实景感知传感器（摄像头、激光雷达、3D TOF等）的仿真能力，可实现对机载计算机上运行的感知和规划算法进行测试；所有仿真计算全部采用外部实时计算机进行计算，并通过与真实运行环境一致的接口发送给被测航电，而非运行在被测航电内部，使得航电系统在仿真时运行的程序与真实飞行时完全一致，并且仿真模型计算频率可以高于被测控制器的运行频率，提高仿真精度和真实性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，包括：通过虚实接口连接的仿真环境端和被仿设备端；所述仿真环境端接受系统信号，运行实时系统和立体渲染引擎，模拟输出信号并进行显示；所述虚实接口连接仿真环境中的虚拟计算数据和被仿设备中的实际物理信号。

2.根据权利要求1所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述仿真环境端包括：飞行器仿真计算机、实景仿真计算机和主控上位机，三者通过以太网连接进行数据交换；

所述飞行器仿真计算机读取飞控输出的执行器信号，计算飞行器的实时操纵力和力矩，得出飞行器的位姿变化，输出至实景仿真计算机；

所述实景仿真计算机运行立体渲染引擎，渲染出真实世界的景物，并在此基础上模拟出机载摄像头、激光雷达、3D TOF传感器的输出信号，输出；

所述主控上位机接收系统中的关键信号，在显示器上进行显示，并且接受操作人员的输入，改变仿真系统的运行状态和关键参数。

3.根据权利要求1所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述被仿设备端安装于无人机上，包括机载计算机、飞行控制计算机和数据链路中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述虚实接口包括AD/DA卡、PWM采集卡、CAN接口卡、以太网卡、USB接口、三轴转台及程控衰减器中的一种或多种；

所述AD/DA卡连接在飞行器仿真机PCI总线上；

所述PWM采集卡和CAN接口卡均链接在PCI总线上；

所述以太网卡和USB接口均链接在实景仿真机上；

所述三轴转台经飞行器仿真机控制，输出飞行器的实际姿态给被仿飞控机；

所述程控衰减器由仿真机控制，串联在被仿设备数据链路的射频接口上，以衰减射频信号幅度，模拟不同飞行距离上空气对射频信号的衰减。

5.根据权利要求2所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述飞行器仿真计算机包括飞控执行器输入采集模块、飞行器动力学模块、环境影响模块、飞行器姿态学模块、导航信号模拟生成模块和UDP数据上报模块；

所述飞控执行器输入采集模块读取PWM采集卡的信号，输出信号至飞行器动力学模块，所述飞行器动力学模块根据执行器输入计算出操舵量，生成操纵力和操纵力矩，计算出机体坐标系下的运动速度和角速度并输出至飞行器姿态学模块，所述飞行器姿态学模块计算导航系下的机体姿态、加速度、速度和角速度并发送至UDP数据上报模块，所述UDP数据上报模块打包这些数据，外发至实景仿真计算机；

所述导航信号模拟生成模块读取飞行器姿态学模块的数据，并按照传感器模型计算出叠加噪声和偏移的模拟传感器信号；

所述环境影响模块按照上位机的指令模拟出突风等外部力，施加给机体动力学模块。

6.根据权利要求5所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述实景仿真计算机包括：三维实景渲染引擎模块、天气影响模块、3D TOF模拟模块、摄像头数据模拟模块、激光雷达模拟模块和UDP数据上报模块，所述三维实景渲染引擎模块接受来自飞行器仿真计算机的数据信息并生成实景，分别经3D TOF模拟模块、摄像头数据模拟模块和激光雷达模拟模块进行模拟，模拟结果经UDP数据上报模块进行上报。

7.根据权利要求6所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述天气影响模块受主控上位机控制。

8.根据权利要求6所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述激光雷达模拟模块的具体模拟过程为：

首先，根据无人机载体位姿叠加安装位姿，计算出雷达扫描线的旋转中心点，然后以此 点为起点，按照周向360°、间隔角分辨率、垂向沿扫描线数分布的方式，生成一系列扫描射 线，生成射线的计算公式如下：

，其中，θ和γ分别为生成扫描线的 偏航角和俯仰角，△θ是指激光雷达水平方向的角度分辨率；

接着，对每个扫描射线，调用三维引擎的API，返回这个射线上的第一个碰撞点，如果为透明碰撞点，则在该点上按照原来的方向继续调用射线碰撞API继续进行检测，直到找到不透明碰撞点，或返回无限远为止；对于每个不透明且距离在激光雷达最大探测距离内的碰撞点，根据其距离d和反射率δ参数按照下式估算激光雷达测量返回值和噪声，计算过程如下：

（1）计算单线激光在空气中往返传输的衰减和在目标点处返回的强度：

式中，I表示反射回光的强度，I₀为激光雷达发射光的强度，β为激光雷达所用激光波段在空气中传输的衰减系数，δ为目标点材质的反射率；

（2）根据反射强度模拟激光雷达测量返回的距离和噪声参数：

measure为激光雷达对该点的距离测量值，取值为null时表示回波过弱，测不到；式

中，0为中心、

为方差的高斯噪声；

最后，全部扫描线计算完毕后，将所有数据按照激光雷达协议格式经以太网输出，作为仿真用的激光雷达数据包。

9.根据权利要求6所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述3D TOF模拟模块采用以下公式生成扫描线：

，

式中，θ和γ分别为生成扫描线的偏航角和俯仰角，α和β分别为3D TOF模块在水平和垂直方向上的视场角，p和q分别为3D TOF模块在水平和垂直方向上的分辨率，i和j的取值分别为0~p和0~q。

10.根据权利要求7所述的一种高拟真度无人机航电半实物实景仿真系统，其特征在于，所述主控上位机使用以下公式计算出晴天工况下的空气传输衰减：

，

式中，F为数据链使用的射频信号频率，单位为GHz；D为传输距离，单位为km。

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