CN117313439B - 一种多场景多机型无人机仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机控制技术领域，具体公开了一种多场景多机型无人机仿真系统，包括基础设施层，用于获取无人机姿态信息；数据层，接收无人机姿态信息并提供数据；服务层，为仿真系统提供条件约束；应用层：包括多个仿真功能子系统，服务层的仿真计算结果输入至与不同仿真子系统相对应的仿真模型中，以实现无人机飞行参数仿真、无人机飞行状态仿真、无人机载荷子任务仿真、无人机定位导航仿真；用户层：包括人机交互地面站，通过人机交互地面站与所述应用层建立通信，实现用户层和应用层的数据交互。本发明针对不同的飞行任务对无人机仿真系统匹配相对应的载荷、应用场景以及无人机模型，适用于多场景、多任务、多机型的仿真。
Description
技术领域
本发明属于无人机仿真技术领域，特别涉及一种多场景多机型无人机仿真系统。
背景技术
无人机仿真运行系统作为实际业务应用场景的仿真运行环境，为开展信息安全测试提供平台支撑。通过将负载、机体、通讯链路、软件等不同层级的检测对象接入或导入仿真运行环境，配置高逼真度、可交互式的业务应用场景，可将各种信息安全检测工具、漏洞挖掘设备、攻防测试设备等接入无人机运行环境系统中，开展安全功能验证、软件安全性测试、通信协议安全性测试、漏洞挖掘等检测分析。
公开号为CN112230568A的中国专利公开了一种无人机仿真系统，通过预先建立无人机模型的数据库，能够支持更多无人机仿真模型以及更多场景下的无人机仿真，但是对于不同的飞行任务，需要选择不同的无人机模型和应用场景以及不同的载荷情况，因此，对于不同的无人机模型，在获取无人机飞行参数时所需的载荷不同，导致获取的飞行参数不统一，无法对仿真系统提供条件约束。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种多场景多机型无人机仿真系统。
本发明提供了一种多场景多机型无人机仿真系统，包括五层架构，每一层都为其上层提供服务，直到完成无人机仿真环境的构建，按照从下至上的顺序依次为：
基础设施层，用于获取无人机姿态信息；
数据层，接收无人机姿态信息并为仿真系统的仿真运算提供数据；
服务层，包括多个仿真计算模块，多个仿真计算模块根据数据层数据进行仿真计算，为仿真系统提供条件约束；
应用层：包括多个仿真功能子系统，多个仿真功能子系统将服务层的仿真计算结果输入至与不同仿真子系统相对应的仿真模型中，以实现无人机飞行参数仿真、无人机飞行状态仿真、无人机载荷子任务仿真、无人机定位导航仿真；
用户层：通过人机交互地面站与所述应用层建立通信，实现用户层和应用层的数据交互。
进一步的方案为，所述基础设施层包括传感器模块，所述传感器模块用于获取无人机姿态信息。
进一步的方案为，所述服务层中多个仿真计算模块包括：
逆解模块，基于飞行任务和飞行载荷对所述无人机姿态信息进行逆解以获取无人机飞行导航参数；所述无人机飞行导航参数至少包括GPS、气压、磁强；
无人机导航飞控模块，基于多源多模态数据融合处理技术，对多源数据进行互补性融合，实现无人机在多种环境下的定位导航，并基于定位导航进行控制输出，所述多源数据为无人机飞行导航参数；
动力学计算模型，将无人机导航飞控模块的控制输出作为动力学计算模型的输入，动力学计算模型输出无人机实时飞行状态。
进一步的方案为，所述应用层中多个仿真功能子系统包括：
定位导航仿真子系统，所述定位导航仿真子系统基于所述传感器模块的传感器参数以及逆解模块的无人机飞行导航参数实现无人机的定位仿真、导航仿真功能；
视景仿真子系统：基于不同应用场景的3D模型以及飞行任务配置不同型号的无人机模型，并基于不同飞行任务编辑脚本控制逻辑，用于根据实时飞行任务对无人机模型以及不同应用场景的3D模型进行实时渲染以形成无人机飞行控制仿真场景；
动力学建模子系统：针对不同类型的无人机模型进行无人机动力学模型建模，为趋于真实的空域环境，基于视景仿真模型进行无人机物理模型建模，并基于飞行任务配置模型参数；
任务载荷子系统：所述任务载荷子系统用于无人机模型在多个应用场景下的载荷接入，进行无人机与无人机载荷、人机交互地面站之间的通讯测试；所述人机交互地面站用于显示载荷数据，支持载荷实物测试；
所述应用场景包括电力巡检、工业物流、生态检测和日常拍摄。
进一步的方案为，所述视景仿真子系统包括：
模型绘制模块，所述模型绘制模块基于飞行任务将与飞行任务相匹配的无人机模型导入与飞行任务相匹配的应用场景3D模型中并进行实时渲染；
脚本控制系统，所述脚本控制系统基于飞行任务对无人机模型的飞行状态、视角切换以及参数配置进行控制。
进一步的方案为，所述人机交互地面站与多个仿真功能子系统通过MavLink协议进行交互,实现数据链路支持LAN通讯与射频通讯。
进一步的方案为，所述人机交互地面站与所述多个仿真功能子系统之间均设置有任务决策模块，所述任务决策模块基于不同的任务场景和具体需求，实现无人机模型的全局任务规划。
进一步的方案为，所述任务决策模块包括任务分配单元和航路规划单元；所述任务分配单元用于接收人机交互地面站的飞行任务并将飞行任务分解为载荷任务、应用场景任务和无人机模型任务；任务分配单元将载荷任务发送至任务载荷子系统以及动力学建模子系统，任务分配单元将应用场景任务和无人机模型任务均发送至视景仿真子系统；
所述航路规划单元通过人机交互子系统给出的飞行任务需求以及相应的任务参数，规划出无人机的全局路径，并将规划出的航路点发送给定位导航仿真子系统，最终完成给定的任务。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过基础设施层的传感器模块获取无人机的飞行状态参数，根据服务层的多个仿真计算模块根据无人机姿态信息进行仿真计算，获取无人机飞行导航参数，基于飞行导航参数进行无人机多场景仿真。
本发明通过对于不同飞行任务、不同无人机模型只需获取无人机姿态信息，利用无人机飞行姿态逆解得出无人机仿真系统所需的无人机飞行参数。
本发明的人机交互地面站的任务决策模块可将飞行任务分解为载荷任务、应用场景任务和无人机模型任务，针对不同的飞行任务对无人机仿真系统匹配相对应的载荷、应用场景以及无人机模型，适用于多场景、多任务、多机型的仿真。
附图说明
以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
图1：无人机仿真系统架构图；
图2：地面站与仿真系统通讯机制示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种多场景多机型无人机仿真系统，包括五层架构，每一层都为其上层提供服务，直到完成无人机仿真环境的构建，按照从下至上的顺序依次为：
基础设施层，作为无人机仿真系统的基础保障，主要用于获取无人机姿态信息；
数据层，作为无人机仿真系统数据资源的保障，接收无人机姿态信息并为仿真系统的仿真运算提供数据，在本实施例中，为了确保系统高效运行，构建系统配置数据库、仿真环境数据库 、平台数据库仿真运行数据等多个数据库，为系统服务层提供服务；
服务层，包括多个仿真计算模块，多个仿真计算模块根据数据层数据进行仿真计算，为仿真系统提供条件约束；
应用层：包括多个仿真功能子系统，多个仿真功能子系统将服务层的仿真计算结果输入至与不同仿真子系统相对应的仿真模型中，以实现无人机飞行参数仿真、无人机飞行状态仿真、无人机载荷子任务仿真、无人机定位导航仿真，应用层中不同软件基于DDS分布式架构，数据共享，包括无人机飞行数据，系统状态数据以及系统指令等畅通数据共享渠道，辅助业务的高效协同；
用户层：包括人机交互地面站，通过人机交互地面站与所述应用层建立通信，实现用户层和应用层的数据交互，在本实施例中，数据交互主要包括将分解之后的任务发送至应用层。
其中，所述基础设施层包括传感器模块，所述传感器模块用于获取无人机姿态信息，在本实施例中，传感器模块为姿态传感器。
在上述中，所述服务层中多个仿真计算模块包括：
逆解模块，基于飞行任务和飞行载荷对所述无人机姿态信息进行逆解以获取无人机飞行导航参数；所述无人机飞行导航参数至少包括GPS、气压、磁强；
无人机导航飞控模块，基于多源多模态数据融合处理技术，对多源数据进行互补性融合，实现无人机在多种环境下的定位导航，并基于定位导航进行控制输出，所述多源数据为无人机飞行导航参数，包括GPS、气压、磁强等；
动力学计算模型，将无人机导航飞控模块的控制输出作为动力学计算模型的输入，动力学计算模型输出无人机实时飞行状态。
在上述中，所述应用层中多个仿真功能子系统包括：
定位导航仿真子系统，所述定位导航仿真子系统基于所述传感器模块的传感器参数以及逆解模块的无人机飞行导航参数实现无人机的定位仿真、导航仿真功能；
视景仿真子系统：基于不同应用场景的3D模型以及飞行任务配置不同型号的无人机模型，并基于不同飞行任务编辑脚本控制逻辑，用于根据实时飞行任务对无人机模型以及不同应用场景的3D模型进行实时渲染以形成无人机飞行控制仿真场景；视景仿真子系统基于UE4引擎，实现遥感测绘、电力巡检、生态监测、物流运输等多种场景下光影现实级别的物理环境仿真，可适应不同业务场景；
动力学建模子系统：针对不同类型的无人机模型进行无人机动力学模型建模，为趋于真实的空域环境，基于视景仿真模型进行无人机物理模型建模，并基于飞行任务配置模型参数；
任务载荷子系统：所述任务载荷子系统用于无人机模型在多个应用场景下的载荷接入，进行无人机与无人机载荷、人机交互地面站之间的通讯测试；所述人机交互地面站用于显示载荷数据，支持载荷实物测试；
所述应用场景包括电力巡检、工业物流、生态检测和日常拍摄。
在上述中，所述视景仿真子系统包括：
模型绘制模块，所述模型绘制模块基于飞行任务将与飞行任务相匹配的无人机模型导入与飞行任务相匹配的应用场景3D模型中并进行实时渲染；其中，3D模型制作方法包括：基于工业设计与制造CAX电子设计文档建模、三维激光扫描建模、专业三维动画软件建模，三种演示动画的制作方法分别是采用Adobe Animate CC、3D Composer软件和Autodesk3DSMax/Maya/Arnold软件制作；
脚本控制系统，所述脚本控制系统基于飞行任务对无人机模型的飞行状态、视角切换以及参数配置进行脚本编辑，采用C++语言和Unreal Engine Blueprint编写，实现脚本编辑和内部逻辑控制。
在上述中，所述人机交互地面站与多个仿真功能子系统通过MavLink协议进行交互,可实现数据链路支持LAN与射频模块通讯两种方式，更好的模拟地面站与无人机的通讯过程；其中，将人机交互地面站与导航飞控仿真子系统配置到同一网段，如：192.168.16.180-192.168.16.189即可在虚拟环境中实现如图2所示通讯机制。
在上述中，所述人机交互地面站与所述多个仿真功能子系统之间均设置有任务决策模块，所述任务决策模块基于不同的任务场景和具体需求，实现无人机模型的全局任务规划。所述任务决策模块包括任务分配单元和航路规划单元；所述任务分配单元用于接收人机交互地面站的飞行任务并将飞行任务分解为载荷任务、应用场景任务和无人机模型任务；任务分配单元将载荷任务发送至任务载荷子系统以及动力学建模子系统，任务分配单元将应用场景任务和无人机模型任务均发送至视景仿真子系统；用户根据飞行任务需求，选择仿真场景，针对不同场景，根据任务规划飞行航线，还可以可根据仿真需求，选择对应的无人机机型，针对机型可参考动力学模型参数。
所述航路规划单元通过人机交互子系统给出的飞行任务需求以及相应的任务参数，规划出无人机的全局路径，并将规划出的航路发送给定位导航仿真子系统，最终完成给定的任务。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (5)
1.一种多场景多机型无人机仿真系统，其特征在于，包括五层架构，每一层都为其上层提供服务，直到完成无人机仿真环境的构建，按照从下至上的顺序依次为：
基础设施层，所述基础设施层包括传感器模块，所述传感器模块用于获取无人机姿态信息；
数据层，接收无人机姿态信息并为仿真系统的仿真运算提供数据；
服务层，包括多个仿真计算模块，多个仿真计算模块根据数据层数据进行仿真计算，为仿真系统提供条件约束；
应用层，包括多个仿真功能子系统，多个仿真功能子系统将服务层的仿真计算结果输入至与不同仿真功能子系统相对应的仿真模型中，以实现无人机飞行参数仿真、无人机飞行状态仿真、无人机载荷子任务仿真、无人机定位导航仿真；
用户层，包括人机交互地面站，通过人机交互地面站与所述应用层建立通信，实现用户层和应用层的数据交互；
所述服务层中多个仿真计算模块包括：
逆解模块，基于飞行任务和飞行载荷对所述无人机姿态信息进行逆解以获取无人机飞行导航参数；所述无人机飞行导航参数至少包括GPS、气压、磁强；
无人机导航飞控模块，基于多源多模态数据融合处理技术，对多源数据进行互补性融合，实现无人机在多种环境下的定位导航，并基于定位导航进行控制输出，所述多源数据为无人机飞行导航参数；
动力学计算模型，将无人机导航飞控模块的控制输出作为动力学计算模型的输入，动力学计算模型输出无人机实时飞行状态；
所述应用层中多个仿真功能子系统包括：
定位导航仿真子系统，所述定位导航仿真子系统基于所述传感器模块的传感器参数以及逆解模块的无人机飞行导航参数实现无人机的定位仿真、导航仿真功能；
视景仿真子系统：基于不同应用场景的3D模型以及飞行任务配置不同型号的无人机模型，并基于不同飞行任务编辑脚本控制逻辑，用于根据实时飞行任务对无人机模型以及不同应用场景的3D模型进行实时渲染以形成无人机飞行控制仿真场景；
动力学建模子系统：针对不同类型的无人机模型进行无人机动力学模型建模，为趋于真实的空域环境，基于视景仿真模型进行无人机物理模型建模，并基于飞行任务配置模型参数；
任务载荷子系统：所述任务载荷子系统用于无人机模型在多个应用场景下的载荷接入，进行无人机与无人机载荷、人机交互地面站之间的通讯测试；所述人机交互地面站用于显示载荷数据，支持载荷实物测试；
所述应用场景包括电力巡检、工业物流、生态检测和日常拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种多场景多机型无人机仿真系统，其特征在于，所述视景仿真子系统包括：
模型绘制模块，所述模型绘制模块基于飞行任务将与飞行任务相匹配的无人机模型导入与飞行任务相匹配的应用场景3D模型中并进行实时渲染；
脚本控制系统，所述脚本控制系统基于飞行任务对无人机模型的飞行状态、视角切换以及参数配置进行控制。
3.根据权利要求2所述的一种多场景多机型无人机仿真系统，其特征在于，所述人机交互地面站与多个仿真功能子系统通过MavLink协议进行交互,实现数据链路支持LAN通讯与射频通讯。
4.根据权利要求3所述的一种多场景多机型无人机仿真系统，其特征在于，所述人机交互地面站与所述多个仿真功能子系统之间均设置有任务决策模块，所述任务决策模块基于不同的任务场景和具体需求，实现无人机模型的全局任务规划。
5.根据权利要求4所述的一种多场景多机型无人机仿真系统，其特征在于，所述任务决策模块包括任务分配单元和航路规划单元；所述任务分配单元用于接收人机交互地面站的飞行任务并将飞行任务分解为载荷任务、应用场景任务和无人机模型任务；任务分配单元将载荷任务发送至任务载荷子系统以及动力学建模子系统，任务分配单元将应用场景任务和无人机模型任务均发送至视景仿真子系统；
所述航路规划单元通过人机交互子系统给出的飞行任务需求以及相应的任务参数，规划出无人机的全局路径，并将规划出的航路点发送给定位导航仿真子系统，最终完成给定的任务。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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