CN116522570A - 一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统 - Google Patents

一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，智能无人集群系统测试床架构基于全数字虚拟仿真环境，构建智能无人集群系统测试床软件平台。以Docker容器机制提供大规模无人系统仿真实例的封装、实例化和快速部署运行。利用试验支撑环境的相关工具建立起相应的仿真模型库。无人集群运行引擎利用各种无人终端模型建立起某种组织结构和规模的智能无人系统集群。实验管理和评估层提供试验任务管理和评估能力。实验效果呈现层将无人集群系统试验运行实时状态以可视化的方式展现给测试人员。本发明通过虚拟现实技术，解决试验过程面临硬件在环协同仿真、大规模时空关联测试数据管理、智能无人集群系统的任务管理等难题。

Description

一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验 系统
技术领域
本发明涉及一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，涉及自动控制技术、通信技术、仿真技术和OSG三维地理信息等相关领域。
背景技术
针对固定翼无人机飞行速度快、集群拓扑关系变化频繁、低空飞行通信质量受地形影响较大，造成通信接入与通信中继复杂的难题，为节约成本、减少风险，需要构建在典型地形条件下，集群无人机的区域通信覆盖与飞控导航之间紧密闭环数字仿真模型，充分体现飞行速度、集群规模、地形地貌、位置拓扑对“地空”“空空”通信质量的影响，验证无人集群系统的全局规划能力、自主控制能力、前后台的无缝配合能力等通信自适应智能平行管控模型的合理性。在仿真基础上构建最简化无人机通信中继实物验证系统。
发明内容
本发明提供了一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统。主要研究四个方面内容：
1.构建固定翼无人机、典型应用场景的数字模型与全景三维可视化。
1)构建山地、平原、丘陵等多种典型应用场景的三维数字地理模型。
2)构建固定翼无人机的三维数字控制模型，包括空气动力、飞行姿态、自主导航等。
3)构建地面用户终端的运动模型。
4)构建三维地理信息平台，逼真显示无人机集群、地形地貌、飞行轨迹、通信质量、传输信息等可视化要素。
2.场景中节点数据的实时采集。
1)实时采集集群无人机与地面用户的位置信息。
2)实时采集集群中各节点的通信质量、误码率数据。
3)实时采集集群中无人机的姿态、速度、加速度等数据。
3.构建对通信覆盖与通信质量影响的集群位置多参数传导仿真模型。
1)建立集群多节点间自由空间链路衰减仿真模型。
2)建立地形地貌等对通信衰落的仿真模型。
3)建立飞行速度的多普勒效应对通信误码率的仿真模型。
4)建立飞机天线波瓣对通信链路的影响模型。
5)建立瞬时通信容量对集群通信带宽的影响模型。
6)构建通信误码率与无人机集群各参数的规则判定知识库。
7)建立无人机集群多节点宽带无线通信网仿真模型。
4.无人集群系统通信自适应智能平行管控模型仿真验证
1)地形地貌对无人机集群系统管控模型的通信覆盖能力验证
2)飞行速度对无人机集群系统管控模型的通信覆盖能力验证
3)无人机集群规模对集群系统管控模型的通信覆盖能力验证
4)风力风向对无人机集群系统管控模型的通信覆盖能力验证
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过虚拟现实技术，采用虚拟仿真和实物相结合的方法，解决试验过程面临硬件在环协同仿真、大规模时空关联测试数据管理、智能无人集群系统的任务管理等关键技术难题。研制了一种融合了物理世界、模型化的半物理世界和全数字化虚拟仿真的测试试验环境。在这种三空间一体化的测试验证环境中，以真实物理无人终端作为基础对特定类型的无人系统单体控制能力和管理能力进行验证；以抽象的无人系统模型代替真实全功能的无人终端，开展智能无人集群系统的高层功能和性能验证；以虚拟无人终端开展大规模、无人系统群体行为控制、规划方法及技术验证。
附图说明
图1为本发明的总体架构。
图2为试验床通信中继应用仿真平台功能模块组成。
图3为仿真数据采集与配置模块图。
图4为应用接口关系框图。
图5为可视化界面。
图6为三空间一体化的测试验证总体思路。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明做进一步的说明。
试验床仿真平台系统构成
智能无人集群系统测试床架构基于全数字虚拟仿真环境，构建智能无人集群系统测试床软件平台，为后台平行管控等技术的测试与验证提供支撑。
测试床基于ROS机器人操作平台、Flight Gear视景融合平台、OSG三维地理信息显控平台以及Simulink通信仿真平台，采用全数字化无人集群系统虚拟仿真技术，提供灵活、可配置、可重构的应用场景、飞机模型、环境变量、通信参数等仿真要素。整个架构被划分为运行平台层、支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层等6层。各个层次逐层抽象，为上层提供支撑。
为了支持大规无人集群系统的数字化仿真测试能力，运行平台采用云计算平台作为实验床运行平台，以Docker容器机制提供大规模无人系统仿真实例的封装、实例化和快速部署运行。
为了加速无人终端(无人机、机器人等)的动力学模型、行为模型、以及运行环境建模，实验床的运行支撑选择ROS机器人操作平台设计无人机运动仿真模型；为提高仿真环境的逼真效果，用Smart3D构建应用场景实景数字模型，并用OSGearth作为场景与地理信息显控平台；用Simulink构建多节点通信仿真模型。将各平台数据集成到统一显控平台，并接入分布式计算工具包，实现仿真运行环境。
利用试验支撑环境的相关工具建立起相应的仿真模型库,以固定翼无人机、地面终端为主。模型将从动力学模型、行为模型以及实物模型等方面建立起无人机的内部特性模型；从大气环境模型、通信模型、位置感知以及地面环境等方面建立起无人终端的外部特性模型。
无人集群运行引擎利用各种无人终端模型建立起某种组织结构和规模的智能无人系统集群。提供无人终端实例生成、管理、控制等外部接口；同时也提供集群的协同管理、行为和环境协同管理、全局状态感知和上报等功能。
实验管理和评估层主要提供试验任务管理和评估能力。并且从大规模无人集群系统测试需求出发，集成数据驱动的测试功能；融合场景数据生成、任务数据生成、数据时空关联实例化等能力。
实验效果呈现层，主要将无人集群系统试验运行实时状态以可视化的方式展现给测试人员。采用FlightGear和OSGearth作为可视化呈现引擎，研发相应的无人机集群试验控制软件。
通信中继示范应用仿真平台构成；
通信中继示范应用仿真平台包含5个子系统：仿真配置子系统、数据采集子系统、可视化管理子系统、接口管理子系统与评估分析子系统，其中仿真配置子系统包括：应用场景配置模块、地面用户配置模块、无人机配置模块、通信控制配置模块。
仿真应用场景建模实施方案；
试验床通信中继应用仿真平台需要建立在典型的应用场景中，为了增加通信仿真的真实性与展示效果的逼真性，可利用无人机倾斜摄影真三维重建技术构建典型应用场景，拟选择草原、城市、山区三种典型场景。
无人机影像真三维重建原型系统主要由三部分构成：数据准备、数据处理、数据显示。在数据准备阶段，主要工作是加载区域多视遥感影像、POS数据、相机参数等，并且根据任务背景及具体任务构建作业工程；数据处理阶段，主要工作是多视无人机影像的特征点检测与匹配、空中三角测量、稠密匹配、表面重建、纹理映射和瓦片化处理，最后形成三维实景数据；数据显示阶段，主要工作是将三维实景在普通计算机上能够流畅的显示、浏览和数据分析。无人机影像真三维快速重建原型系统是一项复杂的、综合性极强的系统工程，它不但需要系统的数学知识、测绘专业知识，而且需要计算机软件开发能力和图像处理技术。
选择典型地形后，采用测绘型无人机加载倾斜相机采集数据，利用Smart3D重建软件进行数据处理加工，形成可在OSG地理信息系统上展示的实景三维数据模型。
集群飞机运动建模实施方案；
对集群中无人机进行运动模型建模，首先选定无人机机型，通过多角度照片采集，再通过3DMAX对系列照片进行三维建模，为实现对无人机飞行姿态的控制与逼真显示，需要对其方向舵、俯仰舵、横滚舵进行运动建模，并采用ROS工具对其动力学参数仿真控制，利用三维引擎进行编辑合成，分解成具体的三维模型与动作，然后实时渲染制作。
仿真数据采集与配置模块实施方案；
集群管控引擎对集群内无人机的导航控制是建立在采集应有场景中多种输入参数基础上，具体包括：无人机飞行参数(飞行速度、加速度、三自由度姿态角、空速、动力舵等)、航迹参数(方向、经度、纬度、高度)、地理信息参数(地形地貌、高度)、环境参数(风力风向、温度、电磁)、通信网参数(通信节点位置分布)、通信质量参数(连通性、信号强度等)。
其中地理信息参数、环境参数、通信网参数可通过仿真前配置实现，例如：加载山区地形模型、设置东南风5级、地面通信用户终端20个、用户终端的位置和运动轨迹脚本加载、通信接入带宽20MHz、中继距离50km等。
集群管控引擎需要在以上配置参数下选择合理航迹规划算法与无人机实现远距离通信中继与多用户通信接入覆盖。由于地面用户与无人机的空间位置与通信拓扑处于快速变化过程中，用户的通信连通性、信号质量也动态变化，为保证长时间的通信连通与较大区域的通信覆盖，需要集群管控引擎实时采集用终端户与无人机的位置参数、飞行参数、航迹参数、通信质量参数等，利用并行智能算法，调整无人机的飞行航迹与姿态，同时保证飞行的安全性，实现通信连通性的自适应。
仿真接口管理模块实施方案
仿真平台是基础平台，采用C/C++编程语言开发，提供了标准的动态库API接口，根据无人机集群并行控制的接口协议需求，定制开发的应用系统，是在平台基础上的二次应用开发。
对于无人机集群智能管控应用系统的接口需要，可以进行扩展和添加，包括：动态库API接口的封装，串口通信、网络通信(tcp/udp/mqtt/http)模块的封装。
试验评估模块实施方案
试验评估分析模块主要包含的功能：
(1)可视化处理；
支持将数据以柱状图、饼图、趋势图等形式展示，将有效通信时间、丢包率、覆盖率等数据进行动态展示，验证集群控制算法对通信质量干预的效果。
(2)态势分析；
支持对集群无人机航迹数据、通信质量等数据进行记录与回放，统计分析处理，实现对集群控制有效性的态势分析。
三空间一体设计方案
区域覆盖中继通信应用仿真必须保证验证效果准确有效、验证成本经济可行、验证过程安全可靠。但是，如果采用完全真实的物理无人系统方案，试验验证成本非常高，安全性也面临非常大的挑战。基于上述考虑，本发明研制了一种融合了物理世界、模型化的半物理世界和全数字化虚拟仿真的测试试验环境。在这种三空间一体化的测试验证环境中，以真实物理无人终端作为基础对特定类型的无人系统单体控制能力和管理能力进行验证；以抽象的无人系统模型代替真实全功能的无人终端，开展智能无人集群系统的高层功能和性能验证；以虚拟无人终端开展大规模、无人系统群体行为控制、规划方法及技术进行验证。

Claims (9)

1.一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
智能无人集群系统测试床架构基于全数字虚拟仿真环境，构建智能无人集群系统测试床软件平台，为后台平行管控技术的测试与验证提供支撑；
测试床基于ROS机器人操作平台、Flight Gear视景融合平台、OSG三维地理信息显控平台以及Simulink通信仿真平台，采用全数字化无人集群系统虚拟仿真技术；整个测试床架构被划分为运行平台层、支撑环境层、仿真模型库层、集群运行引擎层、试验管理和评估层以及实验效果呈现展示层6层，各个层次逐层抽象，为上层提供支撑；
运行平台采用云计算平台作为实验床运行平台，以Docker容器机制提供大规模无人系统仿真实例的封装、实例化和快速部署运行；
实验床的运行支撑选择ROS机器人操作平台设计无人机运动仿真模型，用Smart3D构建应用场景实景数字模型，并用OSGearth作为场景与地理信息显控平台；用Simulink构建多节点通信仿真模型；将各平台数据集成到统一显控平台，并接入分布式计算工具包；
利用试验支撑环境的相关工具建立起相应的仿真模型库，以固定翼无人机、地面终端为主；仿真模型库的模型将从动力学模型、行为模型以及实物模型建立起无人机的内部特性模型；从大气环境模型、通信模型、位置感知以及地面环境建立起无人终端的外部特性模型；
无人集群运行引擎利用各种无人终端模型建立起某种组织结构和规模的智能无人系统集群；
实验管理和评估层提供试验任务管理和评估能力，集成数据驱动的测试功能；融合场景数据生成、任务数据生成、数据时空关联实例化；
实验效果呈现层，将无人集群系统试验运行实时状态以可视化的方式展现给测试人员；采用FlightGear和OSGearth作为可视化呈现引擎；
通信中继示范应用仿真平台构成。
2.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
通信中继示范应用仿真平台包含5个子系统：仿真配置子系统、数据采集子系统、可视化管理子系统、接口管理子系统与评估分析子系统，其中仿真配置子系统包括：应用场景配置模块、地面用户配置模块、无人机配置模块、通信控制配置模块。
3.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
仿真应用场景建模实施方案：
试验床通信中继应用仿真平台需要建立在典型的应用场景中，为了增加通信仿真的真实性与展示效果的逼真性，利用无人机倾斜摄影真三维重建技术构建典型应用场景，拟选择草原、城市、山区三种典型场景。
4.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
无人机影像真三维重建原型系统由三部分构成：数据准备、数据处理、数据显示；在数据准备阶段，加载区域多视遥感影像、POS数据、相机参数，并且根据任务背景及具体任务构建作业工程；数据处理阶段，多视无人机影像的特征点检测与匹配、空中三角测量、稠密匹配、表面重建、纹理映射和瓦片化处理，最后形成三维实景数据；数据显示阶段将三维实景在普通计算机上能够流畅的显示、浏览和数据分析；
选择典型地形后，采用测绘型无人机加载倾斜相机采集数据，利用Smart3D重建软件进行数据处理加工，形成在OSG地理信息系统上展示的实景三维数据模型。
5.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
集群飞机运动建模实施方案：
对集群中无人机进行运动模型建模，首先选定无人机机型，通过多角度照片采集，再通过3DMAX对系列照片进行三维建模，为实现对无人机飞行姿态的控制与逼真显示，需要对其方向舵、俯仰舵、横滚舵进行运动建模，并采用ROS工具对其动力学参数仿真控制，利用三维引擎进行编辑合成，分解成具体的三维模型与动作，然后实时渲染制作。
6.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
仿真数据采集与配置模块实施方案：
集群管控引擎对集群内无人机的导航控制是建立在采集应有场景中多种输入参数基础上，具体包括：无人机飞行参数、航迹参数、地理信息参数、环境参数、通信网参数、通信质量参数；
集群管控引擎需要在配置参数下选择合理航迹规划算法与无人机实现远距离通信中继与多用户通信接入覆盖；由于地面用户与无人机的空间位置与通信拓扑处于快速变化过程中，用户的通信连通性、信号质量也动态变化，集群管控引擎实时采集用终端户与无人机的位置参数、飞行参数、航迹参数、通信质量参数，利用并行智能算法，调整无人机的飞行航迹与姿态，同时保证飞行的安全性，实现通信连通性的自适应。
7.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
仿真接口管理模块实施方案：
仿真平台是基础平台，采用C/C++编程语言开发，提供动态库API接口，根据无人机集群并行控制的接口协议需求，定制开发的应用系统，是在平台基础上的二次应用开发；
对于无人机集群智能管控应用系统的接口需要，进行扩展和添加，包括：动态库API接口的封装，串口通信、网络通信模块的封装。
8.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
试验评估模块实施方案：
试验评估分析模块包含的功能：
(1)可视化处理；
支持将数据以柱状图、饼图、趋势图形式展示，将有效通信时间、丢包率、覆盖率数据进行动态展示，验证集群控制算法对通信质量干预的效果；
(2)态势分析；
支持对集群无人机航迹数据、通信质量数据进行记录与回放，统计分析处理，实现对集群控制有效性的态势分析。
9.根据权利要求1所述的一种智能无人集群系统区域覆盖中继通信应用仿真与试验系统，其特征在于，
三空间一体设计方案：区域覆盖中继通信应用仿真必须保证验证效果准确有效、验证成本经济可行、验证过程安全可靠；在三空间一体化的测试验证环境中，以真实物理无人终端作为基础对特定类型的无人系统单体控制能力和管理能力进行验证；以抽象的无人系统模型代替真实全功能的无人终端，开展智能无人集群系统的高层功能和性能验证；以虚拟无人终端开展大规模、无人系统群体行为控制、规划方法及技术进行验证。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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