CN113946128A - 一种无人机集群半实物仿真控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机集群半实物仿真控制系统，包括：多架仿真无人机以及与所述多架仿真无人机一一对应的多个机载上位机和多个机载自驾仪；所述多个机载上位机之间通信连接；所述机载上位机用于获取与之对应的所述仿真无人机的实时飞行状态，并根据所述实时飞行状态生成导航指令；所述机载自驾仪用于接收所述导航指令以及所述实时飞行状态，并根据所述导航指令以及所述实时飞行状态生成控制指令；所述仿真无人机用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令实时模拟无人机的六自由度运动状态。本发明有效提高了对无人机进行仿真验证的可靠性并降低了对无人机进行仿真验证的成本。

Description

一种无人机集群半实物仿真控制系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机集群半实物仿真控制系统。

背景技术

无人机作为近年来快速发展的行业，大量新型无人机产品问世，然而在无人机投入正式使用之前通常需要对其性能进行仿真验证。

现有技术中对无人机的性能进行仿真验证有两种方式，一种方式是直接用多架真实世界中的无人机进行验证，这种方式可直接验证无人机的性能，但实施过程复杂，实验成本也极其高昂，例如宾夕法尼亚州立大学GRASP实验室的多四旋翼编队飞行系统，仅图像定位设备就价值不菲。另一种方式是通过纯软件方式进行仿真，虽然实施过程相对简单且成本低廉，但很难精确地对整个硬件系统进行仿真，导致仿真验证结果不可靠。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种无人机集群半实物仿真控制系统，用以解决现有技术中存在的通过真实世界的无人机对无人机性能进行仿真验证导致的成本高昂以及通过纯软件方式对无人机性能进行仿真验证导致的仿真验证结果不可靠的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机集群半实物仿真控制系统，包括：多架仿真无人机以及与所述多架仿真无人机一一对应的多个机载上位机和多个机载自驾仪；所述多个机载上位机之间通信连接；

所述机载上位机用于获取与之对应的所述仿真无人机的实时飞行状态，并根据所述实时飞行状态生成导航指令；

所述机载自驾仪用于接收所述导航指令以及所述实时飞行状态，并根据所述导航指令以及所述实时飞行状态生成控制指令；

所述仿真无人机用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令实时模拟无人机的六自由度运动状态。

在一些可能的实现方式中，所述机载上位机包括信息接收单元、信息发送单元、信息交互单元、信息融合单元以及导航指令生成单元；

所述信息接收单元用于接收与所述机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态；

所述信息发送单元用于将与所述机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态发送至其他机载上位机；

所述信息交互单元用于接收其他机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态；

所述信息融合单元用于将与所述机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态与所述其他机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态进行融合，生成融合实时飞行状态；

所述导航指令生成单元用于根据所述融合实时飞行状态生成导航指令。

在一些可能的实现方式中，所述导航指令包括所述仿真无人机的期望航向、期望高度以及期望速度。

在一些可能的实现方式中，所述机载自驾仪包括飞行状态接收单元、导航指令接收单元、导航指令解析单元以及控制指令生成单元；

所述飞行状态接收单元用于接收与所述机载自驾仪对应的所述仿真无人机的实时飞行状态；

所述导航指令接收单元用于接收所述导航指令；

所述导航指令解析单元用于对所述导航指令进行解析，将所述导航指令解析为目标控制参数；

所述控制指令生成单元用于根据所述实时飞行状态和所述目标控制参数确定所述控制指令。

在一些可能的实现方式中，所述目标控制参数包括所述仿真无人机的期望航向、期望滚转、期望俯仰和期望油门。

在一些可能的实现方式中，所述无人机集群半实物仿真系统还包括机载图像拍摄单元以及图像处理单元；

所述机载图像拍摄单元用于拍摄所述仿真无人机的实时环境图像；

所述图像处理单元用于对所述实时环境图像进行处理，生成实时环境信息。

在一些可能的实现方式中，所述机载上位机还包括图像接收单元以及路径实时重规划单元；

所述图像接收单元用于接收所述实时环境信息；

所述路径实时重规划单元用于根据所述实时环境信息对所述仿真无人机的飞行路径进行重规划。

在一些可能的实现方式中，所述机载上位机还包括地面信息接收模块，所述地面信息接收模块用于接收地面站指令和航线信息。

在一些可能的实现方式中，所述仿真无人机为X-plane模拟器。

在一些可能的实现方式中，所述机载自驾仪为pixhawk飞行控制器。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的无人机集群半实物仿真控制系统，通过设置真实的机载上位机和机载自驾仪，与传统的无人机仿真技术相比较，本发明提供的无人机仿真技术并非完全基于纯软件算法进行仿真，而是结合了真实机载上位机和机载自驾仪进行仿真，弥补了纯软件算法仿真与工程实际的偏差，一定程度上提高了对无人机性能进行仿真验证结果的可靠性。另一方面，通过用仿真无人机替代真实世界中的无人机，降低了仿真验证成本。并且，机载上位机可根据需求对仿真无人机进行配置，满足不同类型无人机的仿真需求，提高了仿真验证的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无人机集群半实物仿真控制系统的一个实施例结构示意图；

图2为本发明提供的无人机集群半实物仿真系统的系统架构示意图；

图3为本发明提供的对导航指令进行解析的具体流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明提供了一种无人机集群半实物仿真控制系统，以下分别进行说明。

图1为本发明提供的无人机集群半实物仿真控制系统的一个实施例结构示意图，图2为本发明提供的无人机集群半实物仿真系统的系统架构示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的无人机集群半实物仿真控制系统10包括：多架仿真无人机100以及与多架仿真无人机100一一对应的多个机载上位机200和多个机载自驾仪300；多个机载上位机200之间通信连接；

机载上位机200用于获取与之对应的仿真无人机100的实时飞行状态，并根据实时飞行状态生成导航指令；

机载自驾仪300用于接收导航指令以及实时飞行状态，并根据导航指令以及实时飞行状态生成控制指令；

仿真无人机100用于接收控制指令，并根据控制指令实时模拟无人机的六自由度运动状态。

与现有技术相比，本发明实施例提供的无人机集群半实物仿真控制系统10，通过设置真实的机载上位机200和机载自驾仪300，与传统的无人机仿真技术相比较，本发明提供的无人机仿真技术并非完全基于纯软件算法进行仿真，而是结合了真实机载上位机200和机载自驾仪300进行仿真，弥补了纯软件算法仿真与工程实际的偏差，一定程度上提高了对无人机性能进行仿真验证结果的可靠性。另一方面，通过用仿真无人机100替代真实世界中的无人机，降低了仿真验证成本。并且，机载上位机200可根据需求对仿真无人机100进行配置，满足不同类型无人机的仿真需求，提高了仿真验证的适用性。

并且，本发明实施例提供的无人机集群半实物仿真控制系统10采用分布式架构，多机系统无需长机或虚拟长机，提高了无人机集群的机动性，降低了无人机集群的成本。更进一步地，仿真无人机100的仿真验证的算法参数可直接用于真实无人机飞行测试，为无人机抗干扰测试等提供参考，提高验证的可靠性和降低实验难度。

在本发明的具体实施例中，多个机载上位机200之间通过网线、交换机实现通信连接，进而可进行信息交互。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，机载上位机200包括信息接收单元210、信息发送单元220、信息交互单元230、信息融合单元240以及导航指令生成单元250；

信息接收单元210用于接收与机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态；

信息发送单元220用于将与机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态发送至其他机载上位机200；

信息交互单元230用于接收其他机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态；

信息融合单元240用于将与机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态与其他机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态进行融合，生成融合实时飞行状态；

导航指令生成单元250用于根据融合实时飞行状态生成导航指令。

本发明实施例通过设置信息接收单元210接收与机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态，通过设置信息交互单元230接收与其他机载上位机200对应的仿真无人机100的实时飞行状态，并通过信息融合单元240将信息接收单元210接收的实时飞行状态和信息交互单元230接收的实时飞行状态进行融合，提高了接收的实时飞行状态的全面性，从而可提高生成的导航指令的可靠性。

在本发明的具体实施例中，导航指令包括仿真无人机100的期望航向、期望高度以及期望速度。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，机载自驾仪300包括飞行状态接收单元310、导航指令接收单元320、导航指令解析单元330以及控制指令生成单元340；

飞行状态接收单元310用于接收与机载自驾仪300对应的仿真无人机100的实时飞行状态；

导航指令接收单元320用于接收导航指令；

导航指令解析单元330用于对导航指令进行解析，将导航指令解析为目标控制参数；

控制指令生成单元340用于根据实时飞行状态和目标控制参数确定控制指令。

本发明实施例通过设置控制指令生成单元340根据实时飞行状态和目标控制参数确定控制指令，提高了控制指令的准确性。

在本发明的一些实施例中，目标控制参数包括仿真无人机的期望航向、期望滚转、期望俯仰和期望油门。

具体地，如图3所示，对导航指令进行解析，将导航指令解析为目标控制参数的具体过程为：从导航指令中解析出期望航向，直接作为目标控制参数中的期望航向；根据期望航向的航向角确定滚转辅助转弯部件的滚转角，并将其作为期望滚转；根据由于补偿滚转引起的掉高确定俯仰角，并根据期望高度计算俯仰角，然后将两个滚转角进行处理，生成期望俯仰；由期望高度计算速度，并从导航指令中解析出期望速度，根据由期望高度计算出的速度以及期望速度计算确定期望油门。

为了提高无人机集群半实物仿真系统10的环境感知性能，在本发明的一些实施例中，如图1所示，无人机集群半实物仿真系统10还包括机载图像拍摄单元400以及图像处理单元500；

机载图像拍摄单元400用于拍摄仿真无人机100的实时环境图像；

图像处理单元500用于对实时环境图像进行处理，生成实时环境信息。

通过设置无人机集群半实物仿真系统10包括机载图像拍摄单元400以及图像处理单元500，可提高无人机集群半实物仿真系统10的环境感知能力，从而可提高无人机集群半实物仿真系统10的路径规划可靠性。

在本发明的具体实施例中，图像处理单元500对实时环境图像进行处理的具体过程为：提取三维实时环境的地理纹理信息。

进一步地，机载图像拍摄单元400和图像处理单元500还可模拟风霜雨雪等多种天气情况，提高无人机集群半实物仿真系统10的适用性。

具体地，如图1所示，机载上位机200还包括图像接收单元260以及路径实时重规划单元270；

图像接收单元260用于接收实时环境信息；

路径实时重规划单元270用于根据实时环境信息对仿真无人机100的飞行路径进行重规划。

本发明实施例通过设置路径实时重规划单元270，可避免仿真无人机100在仿真飞行过程中与实时环境中的障碍物发生碰撞，提高仿真无人机100飞行的安全性。

在本发明的一个具体实施例中，路径实时重规划单元270中的路径实时重规划算法为基于Subtargets算法(副目标点)和3次B样条方法的路径实时重规划算法。

为了实现机载上位机200的可控性和交互性，在本发明的一些实施例中，机载上位机200还包括地面信息接收模块280，地面信息接收模块280用于接收地面站指令和航线信息。

通过设置地面信息接收模块280接收地面站指令和航线信息，可提高地面站与机载无人机200之间的信息/数据交互性，也可通过地面信息接收模块280控制机载上位机200中的控制参数，提高机载上位机200的可控性。

在本发明的一些实施例中，仿真无人机100为X-plane模拟器。

在本发明的一些实施例中，机载自驾仪300为pixhawk飞行控制器。

本发明实施例通过使用成熟的开源仿真无人机100和机载自驾仪300，可进一步降低无人机集群半实物仿真控制系统10的成本。

需要说明的是：为了验证仿真无人机100的可靠性，并实现平行仿真，在本发明的一些实施例中，无人机集群半实物仿真控制系统10还包括至少一个真实无人机，通过设置真实无人机可对仿真无人机100的可靠性进行验证，同时，通过仿真无人机100和真实无人机一起仿真的仿真过程叫平行仿真，即可通过真实无人机采用三自由转台在地面运动，和仿真无人机100一起进行队形变换等交互操作，可进一步提高无人机集群半实物仿真控制系统10的仿真场景。

应当理解的是：平行仿真时仿真无人机10和真实无人机的数量可根据实际情况进行调整，在一个实施例中，仿真无人机10和真实无人机的比例为4:1。

本发明实施例提供的无人机集群半实物仿真控制系统，通过设置真实的机载上位机和机载自驾仪，与传统的无人机仿真技术相比较，本发明提供的无人机仿真技术并非完全基于纯软件算法进行仿真，而是结合了真实机载上位机和机载自驾仪进行仿真，弥补了纯软件算法仿真与工程实际的偏差，一定程度上提高了对无人机性能进行仿真验证结果的可靠性。另一方面，通过用仿真无人机替代真实世界中的无人机，降低了仿真验证成本。并且，机载上位机可根据需求对仿真无人机进行配置，满足不同类型无人机的仿真需求，提高了仿真验证的适用性。

进一步地，通过设置信息接收单元接收与机载上位机对应的仿真无人机的实时飞行状态，通过设置信息交互单元接收与其他机载上位机对应的仿真无人机的实时飞行状态，并通过信息融合单元将信息接收单元接收的实时飞行状态和信息交互单元接收的实时飞行状态进行融合，提高了接收的实时飞行状态的全面性，从而可提高生成的导航指令的可靠性。

以上对本发明所提供的无人机集群半实物仿真控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，包括：多架仿真无人机以及与所述多架仿真无人机一一对应的多个机载上位机和多个机载自驾仪；所述多个机载上位机之间通信连接；

所述机载上位机用于获取与之对应的所述仿真无人机的实时飞行状态，并根据所述实时飞行状态生成导航指令；

所述机载自驾仪用于接收所述导航指令以及所述实时飞行状态，并根据所述导航指令以及所述实时飞行状态生成控制指令；

所述仿真无人机用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令实时模拟无人机的六自由度运动状态。

2.根据权利要求1所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述机载上位机包括信息接收单元、信息发送单元、信息交互单元、信息融合单元以及导航指令生成单元；

所述信息接收单元用于接收与所述机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态；

所述信息发送单元用于将与所述机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态发送至其他机载上位机；

所述信息交互单元用于接收其他机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态；

所述信息融合单元用于将与所述机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态与所述其他机载上位机对应的所述仿真无人机的实时飞行状态进行融合，生成融合实时飞行状态；

所述导航指令生成单元用于根据所述融合实时飞行状态生成导航指令。

3.根据权利要求1或2所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述导航指令包括所述仿真无人机的期望航向、期望高度以及期望速度。

4.根据权利要求3所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述机载自驾仪包括飞行状态接收单元、导航指令接收单元、导航指令解析单元以及控制指令生成单元；

所述飞行状态接收单元用于接收与所述机载自驾仪对应的所述仿真无人机的实时飞行状态；

所述导航指令接收单元用于接收所述导航指令；

所述导航指令解析单元用于对所述导航指令进行解析，将所述导航指令解析为目标控制参数；

所述控制指令生成单元用于根据所述实时飞行状态和所述目标控制参数确定所述控制指令。

5.根据权利要求1或4所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述目标控制参数包括所述仿真无人机的期望航向、期望滚转、期望俯仰和期望油门。

6.根据权利要求1所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述无人机集群半实物仿真系统还包括机载图像拍摄单元以及图像处理单元；

所述机载图像拍摄单元用于拍摄所述仿真无人机的实时环境图像；

所述图像处理单元用于对所述实时环境图像进行处理，生成实时环境信息。

7.根据权利要求6所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述机载上位机还包括图像接收单元以及路径实时重规划单元；

所述图像接收单元用于接收所述实时环境信息；

所述路径实时重规划单元用于根据所述实时环境信息对所述仿真无人机的飞行路径进行重规划。

8.根据权利要求1所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述机载上位机还包括地面信息接收模块，所述地面信息接收模块用于接收地面站指令和航线信息。

9.根据权利要求1所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述仿真无人机为X-plane模拟器。

10.根据权利要求1所述的无人机集群半实物仿真控制系统，其特征在于，所述机载自驾仪为pixhawk飞行控制器。

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