CN112286214B - 基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，根据无人机数字孪生系统获取目标无人机的飞行历史数据，建立任务可行性评估模型，任务可行性评估模型包括无人机轨迹预测模块和任务可行性判定模块，无人机轨迹预测模块根据Vicon运动捕捉系统获取目标无人机的实时位姿信息，根据实时位姿信息预测目标无人机的目标飞行轨迹，任务可行性判定模块对比目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的位置差异，进而评估目标无人机的目标任务的可行性。与现有技术相比，本发明具有增强对无人机当前飞行任务可行性评估的效力、减小因无人机控制精度不足导致的任务失败和财产损失等优点。

Description

基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法
技术领域
本发明涉及智能装备技术和无人机应用领域，尤其是涉及一种基于Vicon运动捕捉系统驱动的无人机数字孪生的任务可行性评估方法。
背景技术
通常情况下无人机运动学和动力学建模对无人机及其运行环境做了大量简化，在面对复杂应用场景时不能有效达到控制精度，极大地影响了无人机任务的实施，乃至造成设备的损坏。数字孪生是运行中的实际物理资产的最贴近表示，反映真实资产的当前状态，并包括与资产相关的历史数据。数字孪生可用于评估资产的当前状况，更重要的是，它还能够预测未来行为、精细化控制或优化运行。建立无人机数字孪生，预测无人机未来的飞行轨迹，将为无人机当前任务可行性的评估提供依据。Vicon运动捕捉系统运动捕捉方案，提供高达0.017mm动态精度，可为无人机数字孪生的建立提供必要的无人机位姿信息，并支撑对无人机未来的飞行轨迹的预测。建立基于Vicon运动捕捉系统驱动的无人机数字孪生，对无人机当前任务的可行性进行提前评估，将方便提前终止不可行的飞行任务，减小因无人机控制精度不足导致的任务失败和财产损失。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，提前终止不可行的飞行任务，减小因无人机控制精度不足导致的任务失败和财产损失。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，根据无人机数字孪生系统获取目标无人机的飞行历史数据，建立任务可行性评估模型，所述任务可行性评估模型包括无人机轨迹预测模块和任务可行性判定模块，所述无人机轨迹预测模块根据Vicon运动捕捉系统获取目标无人机的实时位姿信息，根据实时位姿信息预测目标无人机的目标飞行轨迹，所述任务可行性判定模块对比目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的位置差异，进而评估目标无人机的目标任务的可行性。
所述无人机轨迹预测模块通过TS-LSTM模型实时预测目标无人机的所述目标飞行轨迹。
所述TS-LSTM模型根据飞行历史数据中连续时刻的飞行记录{Dt,…,Dt+n-1}，将飞行记录
Figure BDA0002719950140000021
对应的目标无人机的平移转动速度向量{Vt,…,Vt+n-1}和加速度向量{At,…,At+n-1}作为输入，完整的输入即为Ht＝(Dt,Vt,,At)T，输出预设的时间间隔后的目标无人机所在的空间位置Pt+n+T-1＝(xt+n+T-1,yt+n+T-1,zt+n+T-1)T。
进一步地，所述实时位姿信息包括目标无人机形心的空间位置P＝(x,y,z)T和目标无人机的机体坐标系相对于参考坐标系的欧拉角Θ＝(φ,θ,ψ)T，即目标无人机姿态，连续的目标无人机的空间位置构成目标无人机的飞行轨迹。
进一步地，所述平移转动速度向量和加速度向量的计算公式如下所示：
Figure BDA0002719950140000022
Figure BDA0002719950140000023
其中，Vt为平移转动速度向量，At为加速度向量，t为时间戳，Pt和Pt-1分别为t时刻和t-1时刻目标无人机形心的空间位置，Θt和Θt-1分别为t时刻和t-1时刻目标无人机的机体坐标系相对于参考坐标系的欧拉角，Δt为连续两个飞行记录间的固定时间间隔。
进一步地，所述连续两个飞行记录间的固定时间间隔根据Vicon运动捕捉系统的数据采样率计算得到，无人机数字孪生系统可设定Vicon运动捕捉系统数据采样率为不高于其红外相机额定采样率的某一数据采样率。
所述位置差异具体指目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的实时偏离量。
进一步地，所述任务可行性判定模块中预设有最大容许偏离量，当所述实时偏离量大于最大容许偏离量时，任务可行性判定模块判定目标无人机的目标任务的可行性为不可行，反之可行性为可行。
所述任务指定点为判定所述目标无人机的目标任务完成与否的空间参考位置Pr＝(xr,yr,zr)T。
所述飞行历史数据包括目标无人机的历史飞行任务中飞行轨迹的连续位姿信息，以及所述连续位姿信息对应的电机转速Ω＝(ω1,ω2,ω3,ω4)T和时间戳。
所述无人机数字孪生系统包括目标无人机、无人机地面控制站和Vicon运动捕捉系统，所述无人机地面控制站设有无线通信模块，通过所述无线通信模块实时获取目标无人机的实时位姿信息，并接收目标无人机的电机转速信息。无人机数字孪生系统根据无人机地面控制站获取的目标无人机的飞行数据，结合目标无人机的几何结构和物理性质，通过基于数据驱动和物理建模相结合的方法建立目标无人机的数字孪生模型。目标无人机的数字孪生模型定期更新，以反映目标无人机的实时状态，并记录保存为目标无人机的飞行历史数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明建立了基于Vicon运动捕捉系统驱动的无人机数字孪生，实现对无人机当前飞行任务的提前评估，以方便提前终止不可行的飞行任务，减小因无人机控制精度不足导致的任务失败和财产损失。
2.本发明使用的Vicon运动捕捉系统极高的动态精度赋予了无人机数字孪生模型高可靠性，提升了无人机数字孪生模型对无人机当前状态的反映能力。
3.本发明基于无人机数字孪生记录的无人机历史数据建立无人机轨迹预测模型，结合Vicon运动捕捉系统获取的实时的无人机姿态信息，有效地预测无人机未来的飞行轨迹，增强了对无人机当前飞行任务可行性评估的效力。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明无人机数字孪生系统的实际物理效果图；
图3为本发明无人机数字孪生系统的架构图；
图4为本发明无人机位置控制器方框图；
图5为本发明无人机姿态控制器方框图；
图6为本发明TS-LSTM模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，根据无人机数字孪生系统获取目标无人机的飞行历史数据，建立任务可行性评估模型，任务可行性评估模型包括无人机轨迹预测模块和任务可行性判定模块，无人机轨迹预测模块根据Vicon运动捕捉系统获取目标无人机的实时位姿信息，根据实时位姿信息预测目标无人机的目标飞行轨迹，任务可行性判定模块对比目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的位置差异，进而评估目标无人机的目标任务的可行性。
如图2所示，无人机数字孪生系统包括目标无人机、无人机地面控制站和Vicon运动捕捉系统，无人机地面控制站设有无线通信模块，通过无线通信模块实时获取目标无人机的实时位姿信息，并接收目标无人机的电机转速信息。无人机数字孪生系统根据无人机地面控制站获取的目标无人机的飞行数据，结合目标无人机的几何结构和物理性质，通过基于数据驱动和物理建模相结合的方法建立目标无人机的数字孪生模型。目标无人机的数字孪生模型定期更新，以反映目标无人机的实时状态，并记录保存为目标无人机的飞行历史数据。
如图3所示，无人机地面控制站接收来自Vicon运动捕捉系统所获取的实时的无人机位姿信息，以及通过XBee无线通信模块传输的无人机的电机转速信息，并传输姿态控制指令至无人机。
无人机地面控制站使用无人机位置控制器和姿态控制器实现对无人机的位置控制，本实施例中，目标无人机为小型四旋翼无人机，无人机飞控使用Pixhawk mini，实现无人机姿态控制。Pixhawk mini飞控使用当地NED坐标系作为导航坐标系，Vicon运动捕捉系统获取的无人机位姿是基于Vicon坐标系的，获取的位姿信息需由Vicon坐标系转换到当地NED坐标系下。
如图4和图5所示，无人机位置控制器根据获取的实时的目标无人机的位置信息，结合无人机飞行任务中预设的飞行轨迹点(xr,yr,zr)T，进行姿态反解，获得期望的无人机姿态(φr,θr,ψr)T，期望的无人机姿态再经过无人机姿态控制器，最终实现对目标无人机的位置控制。
无人机轨迹预测模块通过TS-LSTM模型实时预测目标无人机的目标飞行轨迹。
TS-LSTM模型根据飞行历史数据中连续时刻的飞行记录{Dt,…,Dt+n-1}，将飞行记录
Figure BDA0002719950140000051
对应的目标无人机的平移转动速度向量{Vt,…,Vt+n-1}和加速度向量{At,…,At+n-r}作为输入，完整的输入即为Ht＝(Dt,Vt,,At)T，输出预设的时间间隔后的目标无人机所在的空间位置Pt+n+T-1＝(xt+n+T-1,yt+n+T-1,zt+n+T-1)T，如图6所示，即目标无人机的飞行轨迹点
Figure BDA0002719950140000052
实时位姿信息包括目标无人机形心的空间位置P＝(x,y,z)T和目标无人机的机体坐标系相对于参考坐标系的欧拉角Θ＝(φ,θ,ψ)T，即目标无人机姿态，连续的目标无人机的空间位置构成目标无人机的飞行轨迹。
平移转动速度向量和加速度向量的计算公式如下所示：
Figure BDA0002719950140000053
Figure BDA0002719950140000054
其中，Vt为平移转动速度向量，At为加速度向量，t为时间戳，Pt和Pt-1分别为t时刻和t-1时刻目标无人机形心的空间位置，Θt和Θt-1分别为t时刻和t-1时刻目标无人机的机体坐标系相对于参考坐标系的欧拉角，Δt为连续两个飞行记录间的固定时间间隔。
连续两个飞行记录间的固定时间间隔根据Vicon运动捕捉系统的数据采样率计算得到，无人机数字孪生系统可设定Vicon运动捕捉系统数据采样率为不高于其红外相机额定采样率的某一数据采样率。
本实施例中，Vicon运动捕捉系统采用Vantage V16红外摄像头作为相机组件，V16摄像头全分辨率下的采样频率为120Hz，根据使用需求设定其采样率为90Hz。选择连续时刻的180个飞行记录作为TS-LSTM模型的输入，间隔90个条目的一个飞行记录作为输出，则Δt为1/90秒，T为1秒。根据输入量的大小，TS-LSTM模型中的分组Segment取值为30。
位置差异具体指目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的实时偏离量，任务指定点为判定目标无人机的目标任务完成与否的空间参考位置Pr＝(xr,yr,zr)T。
任务可行性判定模块中预设有最大容许偏离量，当实时偏离量大于最大容许偏离量时，任务可行性判定模块判定目标无人机的目标任务的可行性为不可行，反之可行性为可行。
飞行历史数据包括目标无人机的历史飞行任务中飞行轨迹的连续位姿信息，以及连续位姿信息对应的电机转速Ω＝(ω1,ω2,ω3,ω4)T和时间戳。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，根据无人机数字孪生系统获取目标无人机的飞行历史数据，建立任务可行性评估模型，所述任务可行性评估模型包括无人机轨迹预测模块和任务可行性判定模块，所述无人机轨迹预测模块根据Vicon运动捕捉系统获取目标无人机的实时位姿信息，根据实时位姿信息预测目标无人机的目标飞行轨迹，所述任务可行性判定模块对比目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的位置差异，进而评估目标无人机的目标任务的可行性；
所述无人机轨迹预测模块通过TS-LSTM模型实时预测目标无人机的所述目标飞行轨迹；
所述TS-LSTM模型根据飞行历史数据中连续时刻的多个飞行记录，将飞行记录对应的目标无人机的平移转动速度向量和加速度向量作为输入，输出预设的时间间隔后的目标无人机所在的空间位置；
所述实时位姿信息包括目标无人机形心的空间位置和目标无人机的机体坐标系相对于参考坐标系的欧拉角；
所述平移转动速度向量和加速度向量的计算公式如下所示：
Figure FDA0003154397270000011
Figure FDA0003154397270000012
其中，Vt为平移转动速度向量，At为加速度向量，t为时间戳，Pt和Pt-1分别为t时刻和t-1时刻目标无人机形心的空间位置，Θt和Θt-1分别为t时刻和t-1时刻目标无人机的机体坐标系相对于参考坐标系的欧拉角，Δt为连续两个飞行记录间的固定时间间隔；
所述连续两个飞行记录间的固定时间间隔根据Vicon运动捕捉系统的数据采样率计算得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，所述位置差异具体指目标飞行轨迹的终点与预设的任务指定点的实时偏离量。
3.根据权利要求2所述的一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，所述任务可行性判定模块中预设有最大容许偏离量，当所述实时偏离量大于最大容许偏离量时，任务可行性判定模块判定目标无人机的目标任务的可行性为不可行，反之可行性为可行。
4.根据权利要求1所述的一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，所述飞行历史数据包括目标无人机的历史飞行任务中飞行轨迹的连续位姿信息，以及所述连续位姿信息对应的电机转速和时间戳。
5.根据权利要求1所述的一种基于Vicon运动捕捉系统无人机数字孪生的可行性评估方法，其特征在于，所述无人机数字孪生系统包括目标无人机、无人机地面控制站和Vicon运动捕捉系统，所述无人机地面控制站设有无线通信模块，通过所述无线通信模块实时获取目标无人机的实时位姿信息，并接收目标无人机的电机转速信息。
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