CN113885353A - 一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，包括裁判监控端、数据转发服务器、数据链模拟服务器以及两组以上对抗参与方；对抗参与方包括己方监控端与一个以上仿真节点；仿真节点包括仿真渲染计算机、自驾仪及集群数据处理模块。本发明在仿真系统中引入了自驾仪及集群数据处理模块，实现硬件在回路仿真，引入电气设备硬件的系统误差，使模拟更加真实，置信度高；利用裁判监控端和仿真渲染计算机，使得集群对抗仿真过程可视化，能够模拟包括态势感知、协同打击在内的集群对抗全流程，仿真置信度高。
Description
技术领域
本发明涉及无人机集群仿真的技术领域，具体涉及一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统。
背景技术
新一代人工智能技术和自主技术快速走向战场，将催生新型作战力量，颠覆传统战争模式，未来战争必将是智能化战争。无人机集群作战作为智能作战的重要形式，正在崭露头角。通过多架无人机协同侦察、协同探测、协同跟踪、协同攻击、协同拦截等，可以共同完成较复杂的作战任务。目前对无人机集群技术研究主要集中在多无人机协同搜索，自主任务决策，集群飞行控制与航迹规划等方面。由于无人机集群对抗过程较为复杂，目前主要是将集群协同对抗分解为单个无人机之间的对抗，或者给出一些简单的决策方法,这与无人机作战动态过程的实际情况存在较大的差距。目前，无人机集群仿真主要在数字环境中实现。该类仿真环境主要用于验证协同编队、任务决策算法，对态势感知、协同打击等集群对抗的关键问题较难验证。在纯数字仿真环境中，无法模拟电气设备硬件的系统误差。仿真过程中需要验证的软件或控制算法在计算机中的性能与在嵌入式设备中的性能差异较大，导致仿真结果置信度较低。数字仿真环境中大多使用质点代替被控对象，不能以三维形式直观展示集群对抗过程。现有基于硬件在回路的仿真系统，多针对于单架无人机的细粒度仿真。集群仿真中受自身硬件及软件架构限制，不适合用于集群对抗仿真。因此，缺少一种用于无人机集群对抗的细粒度仿真环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，集群对抗过程可视化，能够模拟包括态势感知、协同打击在内的集群对抗全流程，仿真置信度高。
本发明采用的技术方案如下：
一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，包括裁判监控端、数据转发服务器、数据链模拟服务器以及两组以上对抗参与方；
所述对抗参与方包括己方监控端与一个以上仿真节点；仿真节点包括仿真渲染计算机、自驾仪及集群数据处理模块；
所述己方监控端用于为己方每个仿真节点的无人机模型设置任务指令，在仿真过程中实时显示己方仿真节点无人机模型的飞行状态，以及存储控制指令数据和己方仿真节点的飞行数据和图像数据；由所述数据链模拟服务器实时调整各仿真节点与己方监控端的通信质量；
所述仿真渲染计算机用于无人机模型的飞行状态仿真以及仿真节点图像渲染；
所述自驾仪用于接收仿真渲染计算机发送的无人机模型的飞行状态数据，通过飞行控制算法计算出控制量并反馈给仿真渲染计算机；同时将所述飞行状态数据实时发送给集群数据处理模块，并接收所述集群数据处理模块的控制指令，执行相应的任务；
所述集群数据处理模块用于接收己方监控端的任务指令，并反馈自身仿真节点的节点状态；接收仿真节点图像渲染数据，感知战场态势；接收自驾仪发送的飞行状态数据以及己方其他仿真节点无人机模型的飞行状态数据，融合输出决策结果，控制无人机模型完成自身任务；
所述数据转发服务器用于将控制指令数据和所有对抗参与方的仿真节点的飞行数据和图像数据发送至裁判监控端并存储；由所述裁判监控端实时渲染战场态势，显示全局仿真过程。
进一步地，所述裁判监控端还用于控制所有仿真节点的启动与停止并设置仿真初始参数。
进一步地，所述仿真渲染计算机包括物理引擎和渲染引擎；
所述物理引擎中加载无人机模型，结合自驾仪反馈的控制量实时计算无人机模型的飞行状态数据；
所述渲染引擎根据物理引擎以及数据转发服务器提供的数据，渲染自身仿真节点图像。
进一步地，所述渲染引擎还将检测得到的无人机模型的碰撞检测结果及毁伤状态发送给物理引擎和集群数据处理模块，所述物理引擎根据所述碰撞检测结果及毁伤状态调整无人机模型的飞行状态；所述集群数据处理模块实时调整无人机模型的飞行控制策略以及各仿真节点间的通信状态。
进一步地，各仿真节点与数据转发服务器、数据链模拟服务器、己方监控端、裁判监控端均通过有线网络连接在同一个局域网中。
进一步地，每个仿真节点中仿真渲染计算机中的渲染引擎与物理引擎通过本地回环网络通信。
进一步地，所述己方监控端实时显示的图像为第一视角的可见光图像、红外图像、深度图像或自由视角的可见光图像。
进一步地，所述渲染引擎显示的自身仿真节点图像为第一视角的可见光图像、红外图像、深度图像或自由视角的可见光图像。
有益效果：
1、与现有的集群仿真系统相比，本发明考虑了电气设备硬件带来的系统误差，以及硬件计算能力的差异，在仿真系统中引入了自驾仪及集群数据处理模块，实现硬件在回路仿真，引入电气设备硬件的系统误差，使模拟更加真实，置信度高；其次，系统设计模块化，关键硬件设备可替换为自定义的机载电气设备；再者，利用裁判监控端和仿真渲染计算机，使得集群对抗仿真过程可视化，可观察到无人机在三维仿真环境下的飞行状态、任务状态、搜索过程、打击过程，为后续算法优化提供直观的参考依据。
2、本发明仿真环境中引入真实对战毁伤策略，可以根据无人机的初始功能、电气设备参数以及作战过程中的损伤状态自适应调整其飞行状态以及通信状态。同时，环境中可以引入战场中的风、光照、电磁等不同的环境参数，更加真实地模拟真实战场环境中的集群作战状态。
3、本发明中的渲染引擎提供的第一视角图像包括可见光图像、红外图像、深度图像等多种图像，拓展了图像种类，为作战过程中的态势感知、目标识别等功能提供多种图像输入源。输出的图像种类可根据无人机的侦察载荷自由设定。
附图说明
图1为本发明的仿真系统框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，包括裁判监控端、数据转发服务器、数据链模拟服务器以及两组以上对抗参与方。对抗参与方包括己方监控端和一个以上仿真节点；仿真节点包括仿真渲染计算机、自驾仪及集群数据处理模块。
如图1所示，本实施例中，对抗参与方有两方：红方和蓝方。
在仿真开始前，双方操作人员可通过己方监控端为己方仿真节点设置任务指令(包括初始任务参数、控制参数以及各仿真节点的任务功能)。在仿真过程中，己方监控端会实时显示己方仿真节点的运行状态，也可通过命令查看己方节点相应功能算法(指编队、飞行、打击等任务)的输出结果。同时，己方监控端在仿真过程中实时显示己方仿真节点无人机模型的飞行状态，会输出己方各仿真节点的第一视角图像，图像包括可见光图像、红外图像、深度图像等，也可设置为自由视角模式，展示己方全局仿真过程。操作人员可在己方监控端中为各仿真节点下达任务指令，进行人在回路的集群对抗仿真，也可以将集群算法加载到集群数据处理模块中进行系统自主仿真。
仿真系统中红、蓝双方的监控端主要用于转发、存储控制指令数据以及各仿真节点中的飞行数据和图像数据。同时，操作人员的任务指令均通过己方监控端发送至己方仿真节点中的集群数据处理模块。
数据转发服务器主要用于转发、存储控制指令数据以及所有仿真节点的飞行数据和图像数据，飞行数据包括各仿真节点的位姿数据、任务状态、决策结果、指令参数等。数据服务器将所有仿真节点的数据发送至裁判监控端。由裁判监控端实时渲染战场态势，对全局仿真过程可视化。
数据链模拟服务器主要用于转发各仿真节点的飞行状态、控制指令等数据。该服务器根据特定的作战场景，引入数据链路通信的数学模型，通过各仿真节点飞行状态以及毁伤状态自主调整集群各仿真节点与己方监控端的通信质量。此服务器可以真实地模拟特定战场环境下集群对抗的网络通信功能，提高仿真置信度。
裁判监控端除可视化显示的作用外，还用于控制所有仿真节点的启动与停止、设置仿真参数等。裁判监控端通过数据转发服务器发送仿真开始、结束、重启、暂停等指令，简化仿真系统的操作步骤，可有效提高集群对抗的仿真效率。
仿真渲染计算机主要用于单体飞行仿真以及仿真图像渲染，包括物理引擎和渲染引擎。
单体飞行仿真，即无人机模型的飞行状态仿真，在物理引擎中加载被控无人机的气动模型，根据该气动模型与自驾仪通过飞行控制算法的得到的反馈实时计算无人机模型的飞行状态数据。同时，该物理引擎支持传感器的飞行仿真，即物理引擎模拟输出传感器的原始数据给自驾仪，自驾仪根据内部算法估计当前飞行状态。自驾仪内部算法根据估计的当前状态与当前任务状态，估计状态量的期望值，最终得出飞行控制量，并反馈给物理引擎。红、蓝双方各仿真节点中被控对象(即无人机模型文件)支持自定义修改。
渲染引擎根据物理引擎以及数据服务器提供的数据，渲染自身仿真节点图像。渲染引擎中还提供碰撞检测、毁伤提示等基础功能。渲染引擎还将检测得到的无人机模型的碰撞检测结果及毁伤状态发送给物理引擎和集群数据处理模块，物理引擎根据接收到的碰撞检测结果及毁伤状态自适应调整飞行状态。集群数据处理模块实时调整无人机模型的飞行控制策略以及各仿真节点间的通信状态。
每个仿真节点的渲染引擎提供第一视角的可见光图像、红外图像、深度图像，也可提供自由视角的可见光图像。所有图像均可通过网络发送至自身仿真节点的集群数据处理模块，感知战场态势。
自驾仪中主要搭载单体的飞行控制算法，通过接收物理引擎输入的飞行状态数据，通过飞行控制算法计算出控制量并反馈给物理引擎。同时自驾仪将飞行状态数据实时发送给集群数据处理模块，并接收该集群数据处理模块的控制指令，执行相应的任务。
集群数据处理模块是每个仿真节点的运算中心，充当仿真节点的大脑。集群数据处理模块的主要功能是集群对抗过程中的态势感知、自主决策、协同打击等。集群数据处理模块接收己方监控端的任务指令，设置自身仿真节点任务功能，仿真过程中实时反馈给己方监控端自身仿真节点的节点状态。该集群数据处理模块接收渲染引擎发送的图像数据，感知战场态势；接收自驾仪的运行状态数据以及己方其他仿真节点的运行状态数据，融合输出决策结果，控制无人机模型完成自身任务。该集群数据处理模块通过判断渲染引擎发送的碰撞检测结果以及自身毁伤状态数据，实时调整无人机模型的飞行控制策略以及各节点间的通信状态，模拟真实战场环境中的集群作战状态。
本仿真系统中的各仿真节点与数据转发服务器、数据链模拟服务器、己方监控端、裁判监控端均通过有线网络连接在同一个局域网中。每个仿真节点中仿真渲染计算机中的渲染引擎与物理引擎通过本地回环网络通信。仿真计算机与自驾仪通过USB接口连接，实现双向数据传输。集群数据处理模块与自驾仪通过串口连接，支持UART和RS-422两种通信方式。仿真系统中涉及到网络通信部分，均采用远程过程调用的方法与各自连接的监控端进行数据交互。
仿真系统采用模块化设计，集群数据处理模块与自驾仪可根据实际的机载电气设备进行更换。该系统既支持集群中的单项功能仿真，也支持多项复合或全流程的集群对抗仿真。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，包括裁判监控端、数据转发服务器、数据链模拟服务器以及两组以上对抗参与方；
所述对抗参与方包括己方监控端与一个以上仿真节点；仿真节点包括仿真渲染计算机、自驾仪及集群数据处理模块；
所述己方监控端用于为己方每个仿真节点的无人机模型设置任务指令，在仿真过程中实时显示己方仿真节点无人机模型的飞行状态，以及存储控制指令数据和己方仿真节点的飞行数据和图像数据；由所述数据链模拟服务器实时调整各仿真节点与己方监控端的通信质量；
所述仿真渲染计算机用于无人机模型的飞行状态仿真以及仿真节点图像渲染；
所述自驾仪用于接收仿真渲染计算机发送的无人机模型的飞行状态数据，通过飞行控制算法计算出控制量并反馈给仿真渲染计算机；同时将所述飞行状态数据实时发送给集群数据处理模块，并接收所述集群数据处理模块的控制指令，执行相应的任务；
所述集群数据处理模块用于接收己方监控端的任务指令，并反馈自身仿真节点的节点状态；接收仿真节点图像渲染数据，感知战场态势；接收自驾仪发送的飞行状态数据以及己方其他仿真节点无人机模型的飞行状态数据，融合输出决策结果，控制无人机模型完成自身任务；
所述数据转发服务器用于将控制指令数据和所有对抗参与方的仿真节点的飞行数据和图像数据发送至裁判监控端并存储；由所述裁判监控端实时渲染战场态势，显示全局仿真过程。
2.如权利要求1所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述裁判监控端还用于控制所有仿真节点的启动与停止并设置仿真初始参数。
3.如权利要求1所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述仿真渲染计算机包括物理引擎和渲染引擎；
所述物理引擎中加载无人机模型，结合自驾仪反馈的控制量实时计算无人机模型的飞行状态数据；
所述渲染引擎根据物理引擎以及数据转发服务器提供的数据，渲染自身仿真节点图像。
4.如权利要求3所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述渲染引擎还将检测得到的无人机模型的碰撞检测结果及毁伤状态发送给物理引擎和集群数据处理模块，所述物理引擎根据所述碰撞检测结果及毁伤状态调整无人机模型的飞行状态；所述集群数据处理模块实时调整无人机模型的飞行控制策略以及各仿真节点间的通信状态。
5.如权利要求1所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，各仿真节点与数据转发服务器、数据链模拟服务器、己方监控端、裁判监控端均通过有线网络连接在同一个局域网中。
6.如权利要求3所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，每个仿真节点中仿真渲染计算机中的渲染引擎与物理引擎通过本地回环网络通信。
7.如权利要求1所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述己方监控端实时显示的图像为第一视角的可见光图像、红外图像、深度图像或自由视角的可见光图像。
8.如权利要求3所述的分布式智能无人机集群对抗的硬件在回路仿真系统，其特征在于，所述渲染引擎显示的自身仿真节点图像为第一视角的可见光图像、红外图像、深度图像或自由视角的可见光图像。
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