CN112394649A - 一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其与仿真试验控制系统通过以太网连接，与被试的一架主无人机、一架从无人机通过无线方式连接；包括位姿推算模块、调度模块、数据处理模块和无线通信模块，位姿推算模块初始化多无人机的初始状态，并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态；调度模块调用待模拟对象的姿态和位置数据，传输至数据处理模块处理，以及指令无线通信模块向从无人机转发出主无人机的信息包；数据处理模块用于进行数据处理；无线通信模块用于接收、解析、转发主无人机、从无人机的数据信息，以及负责控制平台与从无人机间的信息收发。本发明降低了对无人机内部软硬件建模的成本，提高了试验效率和可信度。

Description

一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台

技术领域

本发明属于仿真试验技术领域，尤其是涉及一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台。

背景技术

群无人机系统作为一种新兴的作战力量，具备可生存性更强、可扩展性更高、完成任务更快等优势，为实现军事目标提供了新的手段。不同于一般的单体电子信息系统，群系统更强调个体之间的协作，其群体性能不仅受制于个体能力，还受制于群内的通信情况。因此，在对群系统考核评估时，需要客观地构建群内通信关系。

相比单体电子信息装备，群系统个体在信息交互方面具有自身的特点。常规的电子信息装备在使用中，往往是基于人在回路，依靠人操作单体装备来获取和发送信息。相应地，在对该类装备进行仿真试验时，可以通过人工参与，也可以依靠规则模型等来控制各装备实体(或模型)之间信息传递。而群系统内个体的交互往往表现为一种自主行为(而非指令)，因此，相比普通多电子信息装备之间信息交互，群内更复杂。另外，群系统存在单体装备数量多、个体开放程度(指软硬件测试接口)有限等特点，这使得如何将其合理、高效地接入仿真试验系统，并在试验中对其通信行为控制变得更复杂。

发明内容

为解决上述现有技术中无人机制导、天线接收处理、传感系统等建模带来的逼真度问题，本发明的目的是提供一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其采用分时复用的设计思路，充分利用无人机内置的制导控制系统、通信系统及感知系统，只需少量无人机接入仿真试验系统，并采用合理的控制策略，实现了群内通信行为的模拟，同时避免多无人机接入仿真试验系统所带来的硬件繁杂、控制复杂等问题。

本发明基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其适应于对一架主无人机、多架从无人机的主-从结构群无人机系统进行考核试验，试验中在仿真试验控制系统的控制下工作；上述的主-从结构群无人机系统中，主无人机用于处理信息，从无人机用于获取信息。采用一架从无人机通过分时复用的方法模拟实现无人机群内通信，即，将一架主无人机、一架从无人机以无线的方式接入控制平台，且上述从无人机安装于转台上，控制平台在不同时刻赋予此从无人机不同身份，生成该身份从无人机的位姿并交由试验系统模拟，从无人机基于模拟的姿态感知环境状态，根据自身内部软硬件处理系统，产生信息并决定是否向主无人机发送。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其与仿真试验控制系统通过以太网连接，与被试的一架主无人机、一架从无人机通过无线方式连接；包括位姿推算模块、调度模块、数据处理模块和无线通信模块，其中，

所述位姿推算模块，与调度模块连接，根据试验预案初始化多无人机的初始状态，之后按照一定周期节拍，利用无人机的运动模型并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态，上述的一个周期对应于一个仿真时间步；

所述调度模块，根据试验预案或实际要求，指定模拟顺序，调用待模拟对象的姿态和位置数据，并传输至数据处理模块处理；调度模块指令无线通信模块向参试从无人机转发出主无人机的信息包；

所述数据处理模块，与调度模块、无线通信模块连接，用于进行两类数据处理：一类是来自调度模块的从无人机所需模拟对象的位姿数据，对此形成相应的数据包发送至仿真试验控制系统，控制转台和卫星信号模拟系统，实现从无人机所能感知位姿环境的模拟；另一类是无线收发模块发送的来自主无人机或从无人机的数据包，对此根据调度信息进行修正，重新打包发送；

所述无线通信模块，与主无人机、从无人机连接，用于接收、解析、转发主无人机、从无人机的数据信息，转发修正后的无人机信息包；负责控制平台与从无人机间的信息收发，在调度模块安排下发送至主无人机、从无人机，完成主无人机、从无人机信息的间接交互。

进一步地，上述的位姿推算模块是利用无人机的运动模型对各个无人机的位姿并行推算，该模型的输入参数包括无人机当前位置、运动速度、加速度，输出无人机推算位姿；当控制平台接收到主无人机对某一从无人机指令后，判断该周期内从无人机能否完成该指令，若能，则直接以该指令位置替代位姿推算模块推算结果；若不能，对运动参数进行规划并推算，输出无人机该周期内所能达到的位姿。

进一步地，上述的调度模块指定一个周期内的处理分为两方面：一方面，安排调度主无人机所模拟对象及顺序，依次调用各无人机模型位置推算结果，最终由仿真试验控制系统控制进行各无人机位姿依次模拟，若在控制平台接收到参试无人机数据情况下，且数据中存在主无人机对某从无人机的控制指令，则根据优先级调整模拟顺序；另一方面，在控制平台接收到从无人机数据情况下，决定无线通信模块数据发送时机，接收到仿真试验控制系统位姿模拟完成指示后，调度模块指令无线通信模块向从无人机转发数据包。

一种基于分时复用的群无人机内通信行为模拟方法，其包括以下步骤：

S1、控制平台根据下发的试验预案，完成群内无人机个数、状态的初始化，并将初始化结果反馈于仿真试验控制系统；控制平台等待仿真试验控制系统的运行指令；

S2、控制平台在接收到仿真试验控制系统的运行开始指令后，启动运行控制平台的各个模块；运行位姿推算模块，按照一定周期节拍，利用无人机的运动模型并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态，或是结合来自主无人机数据包的要求，完成一个时间步内各无人机位置推算；调度模块负责决定要模拟的无人机，并从位姿推算模块调取待模拟无人机的姿态和位置数据，然后传输至数据处理模块处理；数据处理模块负责处理调度模块发送所需模拟对象的位姿数据、无线收发模块发送的无人机状态数据，形成不同的数据包，发送至仿真试验控制系统、主无人机、或从无人机；

S3、仿真试验控制系统接收控制平台发来的数据包，解析出控制平台对无人机姿态和位置的需求，并形成指令后控制转台和卫星信号模拟系统模拟；从无人机基于当前模拟出的位置，一方面使从无人机的惯导和定位系统获得参数，输入至自身控制系统，另一方面使从无人机感知系统搜集目标环境信息；之后，从无人机触发自身的通信系统，将收集处理后的信息发送至控制平台；仿真试验控制系统将指令执行情况向控制平台发送；

S4、控制平台在接收到仿真试验控制系统的位姿模拟完成的指示后，调度模块命令无线通信模块转发主无人机形成的信息包；

S5、控制平台在接收到来自仿真试验控制系统的运行结束指令后，停止工作。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其仅将主、从两架无人机接入控制平台，通过复用的方式，使得一架从无人机以分时的方式模拟群内所有从无人机，最大程度地利用了无人机内置的感知、制导和通信系统等，避免了对这些系统建模所带来的工作量和精度等问题，以及多无人机试验需大量无人机物理接入及控制的问题，降低了对无人机内部软硬件建模的成本，提高了试验效率和可信度。

该基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其在同一个试验中一架无人机能够通过分时复用的方式模拟更多的同构无人机，一方面解决了群无人系统试验时多装备实际飞行的问题，另一方面也避免了仿真试验时过多采用数学模型所造成的误差，因此，本发明降低了开展群无人机试验时的实飞(外场)或相关模型开发成本(内场仿真)，同时由于最大程度地利用了无人机自身的软硬件系统，从而也提升了仿真试验可信度。

附图说明

图1是本发明基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台所适应的群无人机工作模式图；

图2是本发明基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台的结构框图；

图3是本发明基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台的工作流程图；

图4是本发明基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台的结构图；

图5是本发明基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台的试验信息交互说明图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1～5所示，一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其与仿真试验控制系统通过以太网连接，通过无线方式与一架主无人机、一架从无人机连接；其包括位姿推算模块、调度模块、数据处理模块和无线通信模块，其中，

所述位姿推算模块，与调度模块连接，根据试验预案初始化多无人机的初始状态，之后按照一定周期节拍，利用无人机的运动模型并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态，上述的一个周期对应于一个仿真时间步；该模型的输入参数包括无人机当前位置、运动速度、加速度，输出无人机推算位姿；当控制平台接收到主无人机对某一从无人机指令后，判断该周期内从无人机能否完成该指令，若能，则直接以该指令位置替代位姿推算模块推算结果；若不能，对运动参数进行规划并推算，输出无人机该周期内所能达到的位姿；

所述调度模块，根据试验预案或实际要求，指定模拟顺序，调用待模拟对象的姿态和位置数据，并传输至数据处理模块处理；具体为：指定一个周期内的处理分为两方面，一方面，安排调度主无人机所模拟对象及顺序，依次调用各无人机模型位置推算结果，最终由仿真试验控制系统控制进行各无人机位姿依次模拟，若在控制平台接收到参试无人机数据情况下，且数据中存在主无人机对某从无人机的控制指令，则根据优先级调整模拟顺序；另一方面，在控制平台接收到从无人机数据情况下，决定无线通信模块数据发送时机，接收到仿真试验控制系统位姿模拟完成指示后，调度模块指令无线通信模块向从无人机转发数据包；

所述数据处理模块，与调度模块、无线通信模块连接，用于进行两类数据处理：一、将调度模块发送的从无人机所需模拟对象的位姿数据和无线通信模块发送的无人机状态数据，形成相应的数据包发送至仿真试验控制系统，仿真试验控制系统一方面根据指令控制转台系统和卫导信号模拟系统，分别用于模拟无人机姿态和提供无人机位置信号，实现从无人机所能感知位姿环境的模拟，为从无人机感知提供环境；控制平台接收到仿真试验控制系统的位姿模拟完成指示后，调度模块命令无线通信模块向参试从无人机转发出参试主无人机的信息包；二、将无线通信模块接收到的主无人机数据包或从无人机数据包根据调度信息进行修正，重新打包，在调度模块安排下发送至主无人机、从无人机，完成主无人机、从无人机间的信息交互行为；

所述无线通信模块，与主无人机、从无人机连接，用于接收主无人机、从无人机的数据信息，根据通信协议解析已获得信息，在信息内涉及到对某一从无人机的位置指令时，经调度模块将指令信息转发至位姿推算模块，同时将解析处理后的其他结果信息发送至数据处理模块；负责转发修正后的无人机信息包至主无人机、从无人机，完成主无人机、从无人机信息的间接交互；负责控制平台与从无人机间的信息收发。

如图3所示，一种基于分时复用的群无人机内通信行为模拟方法，其包括以下步骤：

S1、首先将主无人机、从无人机接入到控制平台，完成他们之间信息交互调试。其次，将控制平台接入到仿真试验控制系统中并完成他们之间的信息交互调试，完成试验前的准备，然后整个系统等待任务开始；

S2、操作人员根据试验设计，通过仿真试验控制系统发出初始化指令，通过以太网将初始化信息传输于控制平台，控制平台根据下发的试验预案，完成群内无人机个数、状态的初始化，并将初始化结果反馈与仿真试验控制系统；控制平台进一步等待开始运行的指令；

S3、控制平台在接收到仿真试验控制系统的运行指令后，启动运行控制平台的各个模块；运行位姿推算模块，按照一定周期节拍，利用无人机的运动模型并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态，或是结合来自主无人机数据包的要求，完成一个时间步内各无人机位置推算；调度模块负责决定要模拟的无人机，并从位姿推算模块调取待模拟无人机的姿态和位置数据，然后传输至数据处理模块处理；数据处理模块负责处理调度模块发送所需模拟对象的位姿数据、无线收发模块发送的无人机状态数据，形成不同的数据包，发送至仿真试验控制系统、主无人机、或从无人机；

S4、仿真试验控制系统接收控制平台发来的数据包，解析出控制平台对无人机姿态和位置的需求，并形成指令后控制转台和卫星信号模拟系统模拟；从无人机安装于转台上，从无人机基于当前模拟出的位置，一方面使从无人机的惯导和定位系统获得参数，输入至自身控制系统，另一方面使从无人机感知系统搜集目标环境信息(这保证了外界环境感知、数据采集处理、通信决策仍由参试无人机完成而不是靠仿真)；之后，从无人机触发自身的通信系统，将收集处理后的信息发送至控制平台；仿真试验控制系统将指令执行情况向控制平台发送；

S5、控制平台在接收到仿真试验控制系统的位姿模拟完成的指示后，调度模块指令无线通信模块转发主无人机形成的信息包；

S6、控制平台在接收到来自仿真试验控制系统的运行结束指令后，停止工作；否则，继续步骤S2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其特征是：与仿真试验控制系统通过以太网连接，与被试的一架主无人机、一架从无人机通过无线方式连接；其包括位姿推算模块、调度模块、数据处理模块和无线通信模块，其中，

所述位姿推算模块，与调度模块连接，根据试验预案初始化多无人机的初始状态，之后按照一定周期节拍，利用无人机的运动模型并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态，上述的一个周期对应于一个仿真时间步；

所述调度模块，根据试验预案或实际要求，指定模拟顺序，调用待模拟对象的姿态和位置数据，并传输至数据处理模块处理；调度模块指令无线通信模块向参试从无人机转发出主无人机的信息包；

所述数据处理模块，与调度模块、无线通信模块连接，用于进行两类数据处理：一类是来自调度模块的从无人机所需模拟对象的位姿数据，对此形成相应的数据包发送至仿真试验控制系统，控制转台和卫星信号模拟系统，实现从无人机所能感知位姿环境的模拟；另一类是无线收发模块发送的来自主无人机或从无人机的数据包，对此根据调度信息进行修正，重新打包发送；

所述无线通信模块，与主无人机、从无人机连接，用于接收、解析、转发主无人机、从无人机的数据信息，转发修正后的无人机信息包；负责控制平台与从无人机间的信息收发，在调度模块安排下发送至主无人机、从无人机，完成主无人机、从无人机信息的间接交互。

2.根据权利要求1所述的基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其特征是：其位姿推算模块是利用无人机的运动模型对各个无人机的位姿并行推算，该模型的输入参数包括无人机当前位置、运动速度、加速度，输出无人机推算位姿；当控制平台接收到主无人机对某一从无人机指令后，判断该周期内从无人机能否完成该指令，若能，则直接以该指令位置替代位姿推算模块推算结果；若不能，对运动参数进行规划并推算，输出无人机该周期内所能达到的位姿。

3.根据权利要求1所述的基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台，其特征是：其调度模块指定一个周期内的处理分为两方面：一方面，安排调度主无人机所模拟对象及顺序，依次调用各无人机模型位置推算结果，最终由仿真试验控制系统控制进行各无人机位姿依次模拟，若在控制平台接收到参试无人机数据情况下，且数据中存在主无人机对某从无人机的控制指令，则根据优先级调整模拟顺序；另一方面，在控制平台接收到从无人机数据情况下，决定无线通信模块数据发送时机，接收到仿真试验控制系统位姿模拟完成指示后，调度模块指令无线通信模块向从无人机转发数据包。

4.一种基于分时复用的群无人机内通信行为模拟方法，其特征是：通过如权利要求1～3中任一项所述的基于分时复用的群无人机内通信行为控制平台实现，其包括以下步骤：

S1、控制平台根据下发的试验预案，完成群内无人机个数、状态的初始化，并将初始化结果反馈于仿真试验控制系统；控制平台等待仿真试验控制系统的运行指令；

S2、控制平台在接收到仿真试验控制系统的运行开始指令后，启动运行控制平台的各个模块；运行位姿推算模块，按照一定周期节拍，利用无人机的运动模型并行推算一个周期内所有无人机的位置和姿态，或是结合来自主无人机数据包的要求，完成一个时间步内各无人机位置推算；调度模块负责决定要模拟的无人机，并从位姿推算模块调取待模拟无人机的姿态和位置数据，然后传输至数据处理模块处理；数据处理模块负责处理调度模块发送所需模拟对象的位姿数据、无线收发模块发送的无人机状态数据，形成不同的数据包，发送至仿真试验控制系统、主无人机、或从无人机；

S3、仿真试验控制系统接收控制平台发来的数据包，解析出控制平台对无人机姿态和位置的需求，并形成指令后控制转台和卫星信号模拟系统模拟；从无人机基于当前模拟出的位置，一方面使从无人机的惯导和定位系统获得参数，输入至自身控制系统，另一方面使从无人机感知系统搜集目标环境信息；之后，从无人机触发自身的通信系统，将收集处理后的信息发送至控制平台；仿真试验控制系统将指令执行情况向控制平台发送；

S4、控制平台在接收到仿真试验控制系统的位姿模拟完成的指示后，调度模块命令无线通信模块转发主无人机形成的信息包；

S5、控制平台在接收到来自仿真试验控制系统的运行结束指令后，停止工作。

Images