CN113821050A - 一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，属于无人机领域，具体过程为：首先，定义无人机系统的包括飞行器平台、有效载荷、控制元素、通信、支持设备和人因元素在内的六个架构元素；并利用SysML的块定义图定义六个架构元素的属性和行为；同时，用SysML的内部块图定义六个架构元素之间的接口关系；进一步利用接口模块定义六个架构元素之间交互的数据；最后，不同用户根据各自的实际需求，从六个架构元素中选择自己需要的元素，并按照元素的接口关系进行数据的交互，搭建含有不同架构元素的无人机系统。本发明可按照联合作战要求和系统功能配置需求，快速配置不同构型的无人机系统方案，实现了无人机系统方案的快速迭代。
Description
技术领域
本发明属于无人机(UAS：Unmanned Aerial Vehicle)领域，涉及SysML(SystemsModeling Language)语言、无人机系统与子系统的架构和元模型，具体是一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法。
背景技术
国际开放组织(OMG)定义的SysML是一种可视化建模语言，它扩展了UML 2.0，支持复杂系统的需求、分析、设计、验证和确认，SysML中包含的9种模型图如图1所示。
系统结构由块定义图和内部块图表示，块定义图描述系统层次结构和系统/组件的分类。内部块图根据系统的部件、端口和连接器来描述系统的内部结构。《block》是SysML中的基本结构单元，可用于表示硬件、软件、设施、人员、数据或任何其他系统元素。
无人机系统架构元模型是完整地描述了UAV(Unmanned Aerial Vehicle)系统、子系统组成层级以及关键的属性、行为、接口和数据等多维度的模型。
公开号：CN111930345A的专利申请提出了《一种基于SysML的无人机系统建模方法、装置及可读存储介质》，通过建立umlprofile，扩展uml元模型并定义数据类型，进一步建立模块定义图、内部模块图和参数图，用于描述无人机系统及任务的结构模型。公开号：CN112597315A的专利申请提出了《一种基于SysML元模型本体的系统模型图谱构建方法》，通过构建SysML元模型本体，基于关系集合的实体对齐、基于规则推理的图谱补全来实现多图谱的融合，拓展和完善了MBSE理论体系，为复杂产品的系统模型有效组织和重用提供一种有效的方法和途径。
但是，上述文献中前者侧重于定义的数据类型对无人机系统建模的应用，后者侧重于将构建SysML的元模型补全系统模型图谱，均并未从多维度且全面的表达UAV系统架构元模型。
发明内容
本发明针对依据作战能力和指标需求定义无人机的系统架构，不同构型的无人机需分别开展其系统架构方案定义，导致研制周期长的问题，提出了一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，为不同构型的无人机系统架构设计提供了架构模型库，可有效缩短UAS设计周期，为架构方案的快速迭代提供基础。
所述定义无人机系统架构元模型的方法，具体步骤如下：
步骤一、定义无人机系统的六个架构元素；
元素包括：飞行器平台、有效载荷、控制元素、通信、支持设备和人因元素。
其中，飞行器平台包括平台本身、推进系统、航电系统、燃油系统、天线和导航系统等；有效载荷是允许UAS完成其使命的设备，分为传感器、中继、武器和货物四类；控制元素通常为地面控制系统；通信包括飞行器平台与控制元素之间进行通信的各种方式；支持设备包括运输、维修、发射和回收UAS所需的各种设备；人因元素包括但不限于操作人员(飞机和/或有效载荷)、维护人员、使命任务指挥官和图像分析人员，以及相应的人机交互界面。
步骤二、利用SysML的块定义图定义六个架构元素的属性和行为；
每个架构元素的属性都包括值属性和操作属性；
步骤三、用SysML的内部块图定义六个架构元素之间的接口关系；
接口关系包括：飞行器平台与支持设备之间的接口，飞行器平台与载荷之间的接口，飞行平台与通信之间的接口，支持设备与载荷之间的接口，通信与载荷之间的接口；通信与控制单元的即可，控制单元与人因元素之间的接口。
步骤四、利用接口模块定义六个架构元素之间交互的数据；
接口模块包括：卫星与通信的接口模块，控制单元与通信的接口模块，平台与支持设备的接口模块，指挥中心与控制单元的接口模块，载荷与平台的接口模块，通信与平台的接口模块，通信与载荷的接口模块，人因与控制单元的接口模块，载荷与支持设备的接口模块；
步骤五、不同用户根据各自的实际需求，从六个架构元素中选择自己需要的元素，并按照元素的接口关系进行数据的交互，搭建含有不同架构元素的无人机系统。
本发明的优点在于：
一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，完整地描述了无人机系统关键的属性、行为、接口和数据等多维度模型，可按照联合作战要求和系统功能配置需求，通过对无人机系统架构元模型的选择和裁剪，支持快速配置不同构型的无人机系统方案，实现了无人机系统方案的快速迭代，同时进一步推进未来无人机系统的系列化、标准化发展提供了基础。
附图说明
图1为国际开放组织定义的SysML包含的SysML图分类模型；
图2为本发明一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法流程图；
图3为本发明无人机系统架构元模型中各元素的属性与行为示意图；
图4为本发明无人机系统架构元模型中各元素之间的交互关系示意图；
图5为本发明无人机系统架构元模型中各元素之间的接口数据示意图；
图6为本发明搭建的垂直起降无人机系统架构各元素的属性与行为示意图；
图7为本发明搭建的垂直起降无人机系统架构各元素之间的接口数据示意图；
图8为本发明搭建的垂直起降无人机系统飞行器平台架构模型中各元素的属性与行为示意图；
图9为本发明搭建的垂直起降无人机系统飞行器平台架构模型各元素之间的交互关系示意图；
图10为本发明搭建的垂直起降无人机系统飞行器平台架构模型各元素之间的接口数据示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施例做出具体说明。
本发明遵循系统架构高内聚、低耦合的原则，提出了一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，采用SysML系统建模语言的块定义图和内部块图，利用支持SysML的Modelook工具，通过定义通用且全面的无人机系统架构，覆盖多构型如旋翼无人机、混合构型无人机和固定翼无人机，并定义了架构元素的属性和操作行为，形成了无人机系统、子系统的架构元模型，在无人机设计过程中，可按照作战要求和系统功能配置需求，通过对本发明的UAS系统架构元模型的选择和裁剪，快速配置出不同构型的无人机系统架构方案，为不同构型的无人机系统架构设计提供了架构模型库，有效缩短了UAS设计周期，为架构方案的快速迭代提供基础。
所述定义无人机系统架构元模型的方法，如图2所示，具体步骤如下：
步骤一、定义无人机系统的六个架构元素；
元素包括：飞行器平台、有效载荷、控制元素、通信、支持设备和人因元素。
其中，飞行器平台包括平台本身、推进系统、航电系统、燃油系统、天线和导航系统等；有效载荷是允许UAS完成其使命的设备，分为传感器、中继、武器和货物四类；控制元素通常为地面控制系统，可以是任何样式，从便携式计算机(如便携式UA上使用的)到大型控制厢式货车；通信包括飞行器平台与控制元素之间进行通信的各种方式；支持设备包括运输、维修、发射和回收UAS所需的各种设备；人因元素包括但不限于操作人员(飞机和/或有效载荷)、维护人员、使命任务指挥官和图像分析人员，以及相应的人机交互界面。
步骤二、利用SysML的块定义图定义六个架构元素的属性和行为；
如图3所示，具体的无人机系统可根据作战场景和能力需求进行裁剪和调整；
飞行器平台的属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：机长，翼展，机高，最大燃油重量，耗油率，最大起飞重量，最大着陆重量，正常着陆重量，最大电流，最大电压，起飞滑跑距离，着陆滑跑距离，平均故障时间(MTBF：Mean Time Between Failures)，平均维修时间(MTTR：Mean Time To Maintenance)和工作半径；
操作属性包括：起飞，爬升，巡航，下降，着陆，飞行控制，导航飞行，自检和装载。
载荷的属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：重量，功耗，尺寸，最大连续工作时间，探测距离，跟踪距离，MTBF和MTTR；
操作属性包括：搜索，跟踪，成像，测算，监视，存储数据，发送数据，接收数据和中继。
通信属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：传输率，误码率，通信距离，重量，功率，尺寸，容量，发送时延，MTBF和MTTR；操作属性包括：接收数据和发送数据。
无人机系统属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：续航时间，巡航速度，最大平飞速度，最大飞机重量，最大着陆重量，正常着陆重量，实用升限，巡航高度，起飞滑跑距离，着陆滑跑距离，目标定位精度，工作半径，探测距离，跟踪距离，MTBF和MTTR；其中操作属性包括：A点飞行至B点，侦察，打击，运载，航线规划和通信。
UAS属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：功耗，多机控制数量，单架飞机装订最大航线数，单条航线最大航点数，数据存储容量，单架飞机任务规划最大时间，控制指令发送时延，MTBF和MTTR；其中操作属性包括：显示，存储，规划和监控。
支持设备属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：功耗，MTBF和MTTR；操作属性包括：运输，发射，回收，维护，检测和回收数据。
人因元素属性包括值属性和操作属性，其中值属性包括：人数和技能；其中操作属性包括：维护，操作和人机交互。
步骤三、利用SysML的内部块图定义六个架构元素之间的接口关系；
接口关系如图4所示，包括：飞行器平台与支持设备之间的接口，飞行器平台与载荷之间的接口，飞行平台与通信之间的接口，支持设备与载荷之间的接口，通信与载荷之间的接口；通信与控制单元的即可，控制单元与人因元素之间的接口。
步骤四、利用接口模块定义六个架构元素之间交互的数据；
如图5所示，具体的无人机系统架构元素之间的交互可根据实际情况进行裁剪和调整。
接口模块包括：卫星与通信的接口模块，控制单元与通信的接口模块，平台与支持设备的接口模块，指挥中心与控制单元的接口模块，载荷与平台的接口模块，通信与平台的接口模块，通信与载荷的接口模块，人因与控制单元的接口模块，载荷与支持设备的接口模块；
其中，卫星与通信的接口模块包括：《流属性》双向飞行遥控信息，《流属性》双向航线计划，《流属性》出向卫星差分修正信息，《流属性》双向飞控遥测数据，《流属性》双向载荷遥测数据，《流属性》双向链路遥测数据，《流属性》双向前视图像，《流属性》双向雷达数据，《流属性》双向红外图像和视频，《流属性》双向电子侦察数据，《流属性》双向无人机飞参数据，《流属性》双向侦察载荷原始数据，《流属性》双向载荷遥控指令，《流属性》双向链路遥控指令，《流属性》双向载荷工作计划，《流属性》双向可见光图像，《流属性》双向目标指示信息，《流属性》入向卫星导航数据，《流属性》双向任务计划，《流属性》双向中继信息，《流属性》出向星历。
其中，控制单元与通信的接口模块包括：《流属性》入向飞行遥控信息，《流属性》入向航线计划，《流属性》入向载荷遥控指令，《流属性》入向链路遥控指令，《流属性》入向载荷工作计划，《流属性》出向飞控遥测数据，《流属性》出向载荷遥测数据，《流属性》出向链路遥测数据，《流属性》出向前视图像，《流属性》出向雷达数据，《流属性》出向红外图像和视频，《流属性》出向电子侦察数据，《流属性》出向无人机飞参数据，《流属性》出向目标指示信息，《流属性》出向可见光图像，《流属性》入向卫星差分修正信息，《流属性》入向星历，《流属性》出向侦察载荷原始数据，《流属性》出向卫星导航数据，《流属性》出向中继信息，《流属性》入向任务计划。
其中，平台与支持设备的接口模块包括：《流属性》入向发动机数据，《流属性》入向起落架数据，《流属性》入向燃油数据，《流属性》入向高度数据，《流属性》入向舵机数据，《流属性》入向导航信息，《流属性》入向卫星数据，《流属性》入向大气数据。
其中，指挥中心与控制单元的接口模块包括：《流属性》入向作战计划，《流属性》入向指挥命令，《流属性》入向保障情报，《流属性》入向语音，《流属性》出向任务计划，《流属性》出向无人机状态信息，《流属性》出向侦察数据，《流属性》出向情报，《流属性》出向语音，《流属性》出向任务状态信息。
其中，载荷与平台的接口模块包括：《流属性》出向供配电。
其中，通信与平台的接口模块包括：《流属性》入向飞行遥控信息，《流属性》出向航线计划，《流属性》出向飞控遥测数据，《流属性》出向无人机飞参数据，《流属性》出向供配电，《流属性》入向卫星导航信息，《流属性》入向多模态控制律切换，《流属性》出向无人机状态信息。
其中，通信与载荷的接口模块包括：《流属性》入向载荷遥控指令，《流属性》入向载荷工作计划，《流属性》出向雷达数据，《流属性》出向红外图像和视频，《流属性》出向电子侦察数据，《流属性》出向侦察载荷初始数据，《流属性》出向目标指示信息，《流属性》出向可见光图像，《流属性》出向中继信息，《流属性》出向前视图像。
其中，人因与控制单元的接口模块包括：《流属性》入向任务计划指令，《流属性》入向作战计划指令，《流属性》出向无人机任务状态信息，《流属性》出向侦查数据，《流属性》出向无人机状态信息。
其中，载荷与支持设备的接口模块包括：《流属性》入向雷达数据，《流属性》入向红外图像和视频，《流属性》入向电子侦察数据，《流属性》入向可见光图像，《流属性》入向侦察载荷原始数据，《流属性》入向前视图像。
步骤五、不同用户根据各自的实际需求，从六个架构元素中选择自己需要的元素，并按照元素的接口关系进行数据的交互，搭建含有不同架构元素的无人机系统。
选取实施案例，基于步骤二，三和四定义的架构元模型进行裁剪，快速得到无人机系统架构，根据某丛林山地反恐的作战场景为例，需要一款混合动力、可垂直起降、并携带红外载荷执行侦察任务的无人机，裁剪步骤二可得到该无人机系统架构元素的属性与行为如图6所示，如对无人机系统的起飞滑跑距离、着陆滑跑距离的值属性和爬升、着陆和打击等操作属性进行裁剪。该无人机系统各元素之间的交互关系可直接使用步骤三中的图4(无人机系统架构元模型中各元素之间的交互关系示意图)，不需裁剪。裁剪步骤四可得到该无人机系统各元素之间的接口数据如图7所示，如对雷达数据、可见光图像、前视图像进行裁剪。
从六个架构元素中选出了飞行器平台元素，如图8所示的飞行器平台属性和行为，如图9所示的接口关系以及如图10所示的数据交互关系，搭建了层级飞行器平台实例，该层级飞行器平台架构元素之间的接口数据是继承了上一层级，即无人机系统层级的元模型。
Claims (4)
1.一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，其特征在于，具体步骤包括：
首先，定义无人机系统的包括飞行器平台、有效载荷、控制元素、通信、支持设备和人因元素在内的六个架构元素；
然后，利用SysML的块定义图定义六个架构元素的属性和行为；
每个架构元素的属性都包括值属性和操作属性；
进一步，用SysML的内部块图定义六个架构元素之间的接口关系，并利用接口模块定义六个架构元素之间交互的数据；
接口关系包括：飞行器平台与支持设备之间的接口，飞行器平台与载荷之间的接口，飞行平台与通信之间的接口，支持设备与载荷之间的接口，通信与载荷之间的接口；通信与控制单元的即可，控制单元与人因元素之间的接口；
接口模块包括：卫星与通信的接口模块，控制单元与通信的接口模块，平台与支持设备的接口模块，指挥中心与控制单元的接口模块，载荷与平台的接口模块，通信与平台的接口模块，通信与载荷的接口模块，人因与控制单元的接口模块，载荷与支持设备的接口模块；
最后、不同用户根据各自的实际需求，从六个架构元素中选择自己需要的元素，并按照元素的接口关系进行数据的交互，搭建含有不同架构元素的无人机系统。
2.如权利要求1所述的一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，其特征在于，所述的六个架构元素中，飞行器平台包括平台本身、推进系统、航电系统、燃油系统、天线和导航系统；有效载荷是允许UAS完成其使命的设备，分为传感器、中继、武器和货物四类；控制元素通常为地面控制系统；通信包括飞行器平台与控制元素之间进行通信的各种方式；支持设备包括运输、维修、发射和回收UAS所需的各种设备；人因元素包括但不限于操作人员(飞机和/或有效载荷)、维护人员、使命任务指挥官和图像分析人员，以及相应的人机交互界面。
3.如权利要求1所述的一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，其特征在于，所述的飞行器平台的值属性包括：机长，翼展，机高，最大燃油重量，耗油率，最大起飞重量，最大着陆重量，正常着陆重量，最大电流，最大电压，起飞滑跑距离，着陆滑跑距离，平均故障时间MTBF，平均维修时间MTTR和工作半径；
操作属性包括：起飞，爬升，巡航，下降，着陆，飞行控制，导航飞行，自检和装载；
载荷的值属性包括：重量，功耗，尺寸，最大连续工作时间，探测距离，跟踪距离，MTBF和MTTR；
操作属性包括：搜索，跟踪，成像，测算，监视，存储数据，发送数据，接收数据和中继；
通信属性的值属性包括：传输率，误码率，通信距离，重量，功率，尺寸，容量，发送时延，MTBF和MTTR；操作属性包括：接收数据和发送数据；
控制元素属性包括无人机系统的属性和UAS的属性；其中无人机系统的值属性包括：续航时间，巡航速度，最大平飞速度，最大飞机重量，最大着陆重量，正常着陆重量，实用升限，巡航高度，起飞滑跑距离，着陆滑跑距离，目标定位精度，工作半径，探测距离，跟踪距离，MTBF和MTTR；操作属性包括：A点飞行至B点，侦察，打击，运载，航线规划和通信；
UAS属性的值属性包括：功耗，多机控制数量，单架飞机装订最大航线数，单条航线最大航点数，数据存储容量，单架飞机任务规划最大时间，控制指令发送时延，MTBF和MTTR；操作属性包括：显示，存储，规划和监控；
支持设备的值属性包括：功耗，MTBF和MTTR；操作属性包括：运输，发射，回收，维护，检测和回收数据；
人因元素的值属性包括：人数和技能；操作属性包括：维护，操作和人机交互。
4.如权利要求1所述的一种基于SysML定义无人机系统架构元模型的方法，其特征在于，所述的卫星与通信的接口模块包括：《流属性》双向飞行遥控信息，《流属性》双向航线计划，《流属性》出向卫星差分修正信息，《流属性》双向飞控遥测数据，《流属性》双向载荷遥测数据，《流属性》双向链路遥测数据，《流属性》双向前视图像，《流属性》双向雷达数据，《流属性》双向红外图像和视频，《流属性》双向电子侦察数据，《流属性》双向无人机飞参数据，《流属性》双向侦察载荷原始数据，《流属性》双向载荷遥控指令，《流属性》双向链路遥控指令，《流属性》双向载荷工作计划，《流属性》双向可见光图像，《流属性》双向目标指示信息，《流属性》入向卫星导航数据，《流属性》双向任务计划，《流属性》双向中继信息，《流属性》出向星历；
控制单元与通信的接口模块包括：《流属性》入向飞行遥控信息，《流属性》入向航线计划，《流属性》入向载荷遥控指令，《流属性》入向链路遥控指令，《流属性》入向载荷工作计划，《流属性》出向飞控遥测数据，《流属性》出向载荷遥测数据，《流属性》出向链路遥测数据，《流属性》出向前视图像，《流属性》出向雷达数据，《流属性》出向红外图像和视频，《流属性》出向电子侦察数据，《流属性》出向无人机飞参数据，《流属性》出向目标指示信息，《流属性》出向可见光图像，《流属性》入向卫星差分修正信息，《流属性》入向星历，《流属性》出向侦察载荷原始数据，《流属性》出向卫星导航数据，《流属性》出向中继信息，《流属性》入向任务计划；
平台与支持设备的接口模块包括：《流属性》入向发动机数据，《流属性》入向起落架数据，《流属性》入向燃油数据，《流属性》入向高度数据，《流属性》入向舵机数据，《流属性》入向导航信息，《流属性》入向卫星数据，《流属性》入向大气数据；
指挥中心与控制单元的接口模块包括：《流属性》入向作战计划，《流属性》入向指挥命令，《流属性》入向保障情报，《流属性》入向语音，《流属性》出向任务计划，《流属性》出向无人机状态信息，《流属性》出向侦察数据，《流属性》出向情报，《流属性》出向语音，《流属性》出向任务状态信息；
载荷与平台的接口模块包括：《流属性》出向供配电；
通信与平台的接口模块包括：《流属性》入向飞行遥控信息，《流属性》出向航线计划，《流属性》出向飞控遥测数据，《流属性》出向无人机飞参数据，《流属性》出向供配电，《流属性》入向卫星导航信息，《流属性》入向多模态控制律切换，《流属性》出向无人机状态信息；
通信与载荷的接口模块包括：《流属性》入向载荷遥控指令，《流属性》入向载荷工作计划，《流属性》出向雷达数据，《流属性》出向红外图像和视频，《流属性》出向电子侦察数据，《流属性》出向侦察载荷初始数据，《流属性》出向目标指示信息，《流属性》出向可见光图像，《流属性》出向中继信息，《流属性》出向前视图像；
人因与控制单元的接口模块包括：《流属性》入向任务计划指令，《流属性》入向作战计划指令，《流属性》出向无人机任务状态信息，《流属性》出向侦查数据，《流属性》出向无人机状态信息；
载荷与支持设备的接口模块包括：《流属性》入向雷达数据，《流属性》入向红外图像和视频，《流属性》入向电子侦察数据，《流属性》入向可见光图像，《流属性》入向侦察载荷原始数据，《流属性》入向前视图像。
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