CN114707304A - 一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统以及方法 - Google Patents

一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统以及方法 Download PDF

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王冠政
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赵述龙
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Abstract

本发明公开一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统以及方法，该系统包括：实物平台，包含定位系统、实物无人机及通信互联设备，仿真平台，用于在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机，镜像无人机的位姿根据实物无人机的位姿实时映射得到；交互模块，用于实现与实物平台、仿真平台之间的数据交互；实物平台通过实时获得镜像无人机所搭载的传感器的数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，以控制实物无人机的运动。本发明基于虚实结合的方式实现多无人机感知规避验证，能够充分模拟实物环境中复杂的风场，且具有实现成本低、实时性强以及实验保真度、可靠性高等优点。

Description

一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统以及方法
技术领域
本发明涉及无人机集群性能仿真验证技术领域，尤其涉及一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统及方法。
背景技术
随着无人机应用领域的不断扩大，当前对于无人机任务的自动化程度和执行效率的要求不断提高。与单无人机相比，多无人机可携带更多的任务载荷，任务效率也更高。感知规避是无人机执行任务的基础技术之一，而对于无人机集群而言，感知规避不仅包括对环境中障碍物的规避，还包含机间避碰，因而更具挑战性。
目前感知规避验证方法主要分为三类：仿真实验、半实物实验和实物实验，其中仿真实验又分为飞控软件在回路(Software In The Loop)实验和数值仿真实验两类，半实物实验也即飞控硬件在回路实验(Hardware In The Loop)，其中实物实验的验证效果最充分但成本较高，仿真实验方式成本最低但保真度最差，半实物仿真方式则介于二者之间，飞控硬件在回路能够对飞控算法的实时性和可靠性进行充分验证。
针对多无人机感知规避验证，上述各类实验方法具体会存在以下问题：
(1)仿真实验方法通常是使用诸如AirSim、Aerostack和XTDrone等的仿真实验平台，但是该类实验平台无法验证算法在实际无人机平台上的可行性和可靠性，且受限于仿真平台的保真度，仿真实验无法充分模拟实物环境中复杂的风场，如无法模拟机载计算平台的算力和实际飞行中复杂的风场等条件；
(2)半实物实验方式无法验证算法在实际机载计算平台上的实时性和可靠性，不能充分模拟实物环境中复杂的风场；
(3)实物实验(特别是多机实物实验)需要花费大量的人力物力来准备实验平台、维护实验飞机，因而实验成本较高且灵活性较差。
因此亟需提供一种适用于多无人机感知规避验证系统及方法，以使得能够结合仿真实验与实物实验方式两者的优势，同时又能够规避仿真实验与实物实验方式的缺陷，兼顾实验验证的成本与可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够充分模拟实物环境中复杂的风场，且实现成本低、实时性强、实验保真度以及可靠性高的虚实结合的多无人机感知规避验证系统及方法。
一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统，包括：
实物平台，包含定位系统、实物无人机及所需的通信互联设备；
仿真平台，用于在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机，所述仿真无人机使用动力学模型构建得到以对所述实物无人机进行仿真，所述镜像无人机配置为所述实物无人机的镜像，所述镜像无人机的位姿根据所述实物无人机的位姿实时映射得到；
交互模块，用于实现与所述实物平台、所述仿真平台之间的数据交互；
所述实物平台通过实时获取所述镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，以控制所述实物无人机的运动。
进一步的，所述仿真无人机以及镜像无人机上均搭载有传感器，所述镜像无人机与所述仿真无人机之间通过各自所搭载的传感器实现相互感知，所述实物平台通过所述镜像无人机上所搭载的传感器实时获取所述镜像无人机的运行数据。
进一步的，所述传感器为碰撞检测传感器。
进一步的，所述交互模块分别与所述实物平台、仿真平台之间通过基于ROS(RobotOperating System，机器人操作系统)的通信，所述实物平台、仿真平台中控制程序与无人机之间采用MAVLink(Micro Air Vehicle Link)协议，以通过MAVROS(MAVLink extendablecommunication node for ROS)控制无人机的运动。
进一步的，所述仿真无人机的参数与所述实物无人机各类参数相同，所述镜像无人机与所述仿真无人机均具有视觉体积和物理碰撞体积，所述镜像无人机通过位姿跟随器跟随所述实物无人机的实时位姿。
进一步的，所述镜像无人机与所述仿真无人机的外形相同，所述镜像无人机的旋翼配置为不能旋转且所述镜像无人机不具有动力学特性，所述镜像无人机的数量和位置根据所述实物无人机的数量和位置配置。
进一步的，所述实物平台上还搭载有计算平台，用于实时获取所述镜像无人机的运行数据，以及实现对所述实物无人机的实时控制。
进一步的，所述实物平台还包括双目视觉或动作捕捉系统，以用于室内试验环境下获取无人机位姿信息。
一种虚实结合的多无人机感知规避验证方法，步骤包括：
S1.验证系统搭建：由实物无人机及所需的通信互联设备构建实物平台，以及在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机以构建仿真平台，所述镜像无人机为所述实物无人机的镜像，所述仿真无人机使用动力学模型构建得到以对所述实物无人机进行仿真，所述镜像无人机配置为所述实物无人机的镜像，所述镜像无人机的位姿根据所述实物无人机的位姿实时映射得到，所述实物平台与所述仿真平台建立通信连接；
S2.感知规避验证：启动所述实物无人机以及所述仿真环境，按照预设的感知规避验证任务对所述实物无人机以及仿真无人机进行控制，所述实物无人机实时获取所述镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，所述实物无人机按照解算得到的所述控制量进行运动；
S3.验证结果输出:获取验证试验过程中所述实物无人机、仿真无人机的运行数据输出。
进一步的，所述步骤S1中，根据所述实物无人机的数量和位置配置对应的所述镜像无人机的数量和位置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过构建实物平台与仿真平台，系统中同时包含实物无人机和仿真无人机，同时在仿真环境中还构建有实物无人机的镜像无人机，镜像无人机的位姿是根据实物无人机的位姿实时映射得到，实物无人机通过对镜像无人机的感知来确定实时的控制量，可以实现虚实结合的感知规避验证，能够充分发挥仿真实验成本低和实物实验验证更充分的优势，只需要使用少量的实物无人机就可以验证各类感知规避算法在实际无人机平台、自驾仪等上的可行性、可靠性以及实时性等，确保验证的精度，解决传统纯仿真系统验证时保真度不够高的问题，且基于仿真平台中可方便的添加虚拟无人机实现大规模可扩展实验，从而可验证各类针对较大规模无人机集群的感知规避算法，同时节省大量的人力物力。
附图说明
图1是本实施例虚实结合的多无人机感知规避验证系统的结构示意图。
图2是本实施例多无人机感知规避验证系统的部署原理示意图。
图3是本发明具体实施例虚实结合的多无人机感知规避验证方法的实现流程示意图。
图4是本发明具体实施例中构建的仿真环境效果示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例虚实结合的多无人机感知规避验证系统包括：
实物平台，包含定位系统、实物无人机及所需的通信互联设备；
仿真平台，用于在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机，仿真无人机使用动力学模型构建得到以对实物无人机进行仿真，镜像无人机配置为实物无人机的镜像，镜像无人机的位姿根据实物无人机的位姿实时映射得到；
交互模块，用于实现与实物平台、仿真平台之间的数据交互；
实物平台通过实时获取镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，以控制实物无人机的运动。
本实施例通过构建实物平台与仿真平台，系统中同时包含实物无人机和仿真无人机，在仿真平台中除构建仿真无人机外，还构建有实物无人机的镜像无人机，镜像无人机的位姿是根据实物无人机的位姿实时映射得到的，实物无人机通过对镜像无人机的感知来确定实时的控制量，可以实现虚实结合的感知规避验证，能够充分发挥仿真实验成本低和实物实验验证更充分的优势，只需要使用少量的实物无人机就可以验证各类感知规避算法在实际无人机平台、自驾仪等上的可行性、可靠性以及实时性等，确保验证的精度，解决传统纯仿真系统验证时保真度不够高的问题，且基于仿真平台中可方便的添加虚拟无人机实现大规模可扩展实验，从而可验证各类针对较大规模无人机集群的感知规避算法，同时节省大量的成本。
本实施例中，仿真无人机以及镜像无人机上均搭载有传感器，基于传感器实现无人机之间的相互感知：镜像无人机与所述仿真无人机之间通过各自所搭载的传感器实现相互感知，实物平台通过镜像无人机上所搭载的传感器实时获取镜像无人机的运行数据，以实现多无人机之间的感知规避。上述传感器具体可以采用二维激光雷达作为碰撞检测传感器，以进行碰撞检测，当然也可以采用其他类型的雷达或者其他类型的碰撞检测传感器。
本实施例中，交互模块分别与实物平台、仿真平台之间通过基于ROS的通信，实物平台、仿真平台中控制程序与无人机之间采用MAVLink协议，以通过MAVROS控制无人机的运动。MAVLink通讯协议是一个为微型飞行器设计的只由头文件构成的信息编组库。
本实施例中，仿真无人机的仿真方法采用PX4软件在回路的仿真方法，仿真无人机的参数与实物无人机各类参数相同，镜像无人机与仿真无人机均具有视觉体积和物理碰撞体积，镜像无人机、仿真无人机的外形配置为一致，均搭载二维激光雷达，但镜像无人机本身不具备任何动力学特性，即没有动力学模型，在仿真环境中，镜像无人机区别于虚拟无人机的关键点在于其旋翼不会旋转，镜像无人机的位姿由实物飞机直接决定并实时映射，该映射关系由位姿跟随器通过调用仿真软件的位姿设置话题实现。
本实施例中，实物平台上还搭载有计算平台，用于实时获取镜像无人机的运行数据，以及实现对所述实物无人机的实时控制。上述计算平台具体可采用Nvidia TX2等。在机器人操作系统的通信机制下，实物飞机的机载计算平台可以通过话题实时获得镜像无人机所搭载的二维激光雷达的数据，根据预先加载的感知规避程序解算无人机的控制量，通过MAVROS来控制实物无人机的运动。
如图1所示，本实施例虚实结合的多无人机感知规避验证系统分为实物平台、仿真平台和交互模块(包括人机交互接口)三部分，部署效果如图2所示，其中，实物平台主要包含定位系统、实物无人机及各类通信互联设备等，仿真平台主要包括实验场景、仿真无人机以及实物无人机的镜像等，由交互模块对所有飞机进行统一调度。
本实施例中实物平台还包括双目视觉或动作捕捉系统，以用于室内试验环境下获取无人机位姿信息。具体在实物无人机上可安装WIFI天线，实现地面站对无人机的实时控制，当在室外开展实验时可使用卫星导航定位系统进行定位，在室内开展试验时则可使用双目视觉或动作捕捉系统来获得无人机位姿信息。
本实施例虚实结合的多无人机感知规避验证方法的步骤包括：
S1.验证系统搭建：由实物无人机及所需的通信互联设备构建实物平台，以及在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机以构建仿真平台，镜像无人机为实物无人机的镜像，仿真无人机使用动力学模型构建得到以对实物无人机进行仿真，镜像无人机配置为实物无人机的镜像，镜像无人机的位姿根据实物无人机的位姿实时映射得到，实物平台与仿真平台建立通信连接；
S2.感知规避验证：启动实物无人机以及仿真环境，按照预设的感知规避验证任务对实物无人机以及仿真无人机进行控制，实物无人机实时获取镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，实物无人机按照解算得到的控制量进行运动；
S3.验证结果输出:获取验证试验过程中实物无人机、仿真无人机的运行数据输出。
本实施例通过上述步骤，在实物无人机的计算平台中加载预设的感知规避验证程序，通过实时获取镜像无人机的运行数据，根据该感知规避验证算法解算出无人机的控制量，即可快速实现基于虚实结合的感知规避验证，通过调整感知规避验证程序即可灵活的实现各类不同感知规避算法的验证，可以充分发挥虚实实验方法的优势。
本实施例步骤S1中，具体根据实物无人机的数量和位置配置对应的所述镜像无人机的数量和位置，通过依照实物无人机的数量和位置，使用虚拟的镜像无人机替换仿真无人机，以实现实物无人机在仿真环境下的镜像。
如图3所示，本发明在具体应用实施例中采用上述方法实现多无人机感知规避验证的详细步骤为：
步骤(1)构建基于PX4开源飞控的软件在回路仿真验证环境
针对多无人机感知规避，基于PX4开源飞控软件和Gazebo平台设计软件在回路的仿真环境，在具体应用实施例中构建得到的仿真环境如图4所示，其中仿真无人机与实物无人机参数尽可能一致，仿真无人机搭载有二维激光雷达，以检测障碍物和其他无人机。
步骤(2)搭建实物无人机平台
在实物无人机平台中搭载机载计算平台(如Nvidia TX2)，以实现自动化的程序控制。无人机还安装WIFI天线，实现地面站对无人机的实时控制。实物无人机平台上还搭载有定位系统以及双目视觉或动作捕捉系统，在室外开展实验时使用卫星导航定位，在室内试验时使用双目视觉或动作捕捉系统来获得无人机位姿信息。
步骤(3)搭建基于机器人操作系统的通信框架
基于机器人操作系统和MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)设计统一的无人机通信控制程序。
步骤(4)加载人机接口与控制程序
人机接口程序采用命令行或者图形用户界面方式实现，接口程序具备一键启停、批量控制等功能，并能够实时输出必要的监控信息，将满足上述功能的人机接口与控制程序记载至交互模块。
步骤(5)构建实物无人机的虚拟化映射
依照实物无人机的数量和位置，使用虚拟的镜像无人机替换仿真无人机，其中镜像无人机无运动学、动力学模型，其位置和姿态由实物无人机的位姿直接映射得到。镜像无人机的形状和传感器与仿真无人机一致。
仿真环境中的两类无人机(仿真无人机、镜像无人机)均具备视觉体积和物理碰撞体积，搭载有二维激光雷达的仿真无人机和镜像无人机通过传感器可以实现传感器层的相互感知。实物无人机则由对应的镜像无人机上的传感器完成相互感知，而无需额外搭载二维激光雷达等碰撞检测传感器。镜像无人机通过二维激光雷达获得的环境信息作为实物无人机决策的依据。
步骤(6)验证实验执行
启动仿真环境和实物无人机，通过交互模块进行对实物和仿真无人机进行控制，在验证过程中，实物无人机通过镜像无人机搭载的传感器获取镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避程序解算出无人机的控制量，实物无人机按照解算出的控制量运行，记录实物无人机、仿真无人机的数据并进行分析，完成感知规避算法的验证。
本发明通过结合仿真实验和实物实验的优势，构建一种虚实结合的多无人机感知规避验证方法，通过构建实物无人机在仿真平台中的镜像，实现基于传感器的机间相互感知与交互，能够对机载计算能力、无人机动力学及各类扰动下的算法可靠性进行充分验证，实现仿真平台中进行大规模可扩展实验，且仅需要使用少量的实物无人机平台即可验证算法在实际无人机平台上的可行性，可以大大降低实验成本。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，包括：
实物平台，包含定位系统、实物无人机及所需的通信互联设备；
仿真平台，用于在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机，所述仿真无人机使用动力学模型构建得到以对所述实物无人机进行仿真，所述镜像无人机配置为所述实物无人机的镜像，所述镜像无人机的位姿根据所述实物无人机的位姿实时映射得到；
交互模块，用于实现与所述实物平台、所述仿真平台之间的数据交互；
所述实物平台通过实时获取所述镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，以控制所述实物无人机的运动。
2.根据权利要求1所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述仿真无人机以及镜像无人机上均搭载有传感器，所述镜像无人机与所述仿真无人机之间通过各自所搭载的传感器实现相互感知，所述实物平台通过所述镜像无人机上所搭载的传感器实时获取所述镜像无人机的运行数据。
3.根据权利要求2所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述传感器为碰撞检测传感器。
4.根据权利要求1所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述交互模块分别与所述实物平台、仿真平台之间通过基于ROS的通信，所述实物平台、仿真平台中控制程序与无人机之间采用MAVL ink协议，以通过MAVROS控制无人机的运动。
5.根据权利要求1所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述仿真无人机的参数与所述实物无人机各类参数相同，所述镜像无人机与所述仿真无人机均具有视觉体积和物理碰撞体积，所述镜像无人机通过位姿跟随器实现跟随所述实物无人机的实时位姿。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述镜像无人机与所述仿真无人机的外形相同，所述镜像无人机的旋翼配置为不能旋转且所述镜像无人机不具有动力学特性，所述镜像无人机的数量和位置根据所述实物无人机的数量和位置配置。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述实物平台上还搭载有计算平台，用于实时获取所述镜像无人机的运行数据，以及实现对所述实物无人机的实时控制。
8.根据权利要求1～5中任意一项所述的虚实结合的多无人机感知规避验证系统，其特征在于，所述实物平台还包括双目视觉或动作捕捉系统，以用于室内试验环境下获取无人机位姿信息。
9.一种虚实结合的多无人机感知规避验证方法，其特征在于，步骤包括：
S1.验证系统搭建：由实物无人机及所需的通信互联设备构建实物平台，以及在仿真环境中构建实验场景、仿真无人机以及镜像无人机以构建仿真平台，所述镜像无人机为所述实物无人机的镜像，所述仿真无人机使用动力学模型构建得到以对所述实物无人机进行仿真，所述镜像无人机配置为所述实物无人机的镜像，所述镜像无人机的位姿根据所述实物无人机的位姿实时映射得到，所述实物平台与所述仿真平台建立通信连接；
S2.感知规避验证：启动所述实物无人机以及所述仿真环境，按照预设的感知规避验证任务对所述实物无人机以及仿真无人机进行控制，所述实物无人机实时获取所述镜像无人机的运行数据，根据预设的感知规避验证任务解算得到无人机的控制量，所述实物无人机按照解算得到的所述控制量进行运动；
S3.验证结果输出:获取验证试验过程中所述实物无人机、仿真无人机的运行数据输出。
10.根据权利要求9所述的虚实结合的多无人机感知规避验证方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据所述实物无人机的数量和位置配置对应的所述镜像无人机的数量和位置。
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