CN117852316B - 通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法，涉及集群控制技术领域，该系统包括：用户交互模块，用于提供设置仿真参数的交互窗口，接收用户输入，显示仿真场景，显示集群中智能单体的状态信息；协同规划模块，用于显示智能单体的轨迹相关信息；数据库模块，用于存储数据；集群协同导航分析模块，设置有协同导航算法模型，用于根据仿真参数生成仿真场景，根据仿真参数和协同导航算法模型计算更新智能单体的状态信息及轨迹相关信息，将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块；信息业务交互模块，用于实现模块间的通讯交互。本发明能够实现集群的仿真测试分析，实现集群智能单体状态及轨迹信息可视化分析。

Description

通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及集群控制技术领域，尤其涉及一种通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法。

背景技术

随着技术的不断发展，在实际应用中，单个智能体基本难以满足复杂任务需求，为此，智能体集群及其协同技术开始被提出并不断发展。智能体集群表示由多个智能体构成的集群，例如，由多个无人机、或无人车、或无人船、或无人潜航器、或卫星等一类无人智能体构成的无人集群。集群能够分解重大任务，具有“化繁为简”的特点，通过集群中多个智能体的协同，能够应对各种复杂任务，并提升任务执行效率和任务执行成功率。相比于多个智能体的独立作业，以多个智能体构成集群进行协同作业的方式具备更强的作业能力。

由于集群的研发往往具有实验成本高、研究周期长等特点，在研发过程中，可以利用仿真对集群研究的结论进行验证和评估，根据仿真的结果逐步完善集群的设计，能够有效地缩短开发周期、节约开发成本。目前的仿真系统主要包括软件仿真系统、半实物仿真系统和实物仿真系统，其中，软件仿真系统利用获得的实际参数输入到根据具体环境构建的虚拟模型中进行软件仿真；半实物仿真系统通过将部分实物接入系统中，将得到的数据输入系统模型进行仿真验证；实物仿真系统通过搭建实际的测试环境进行分析验证。然而，目前的大部分仿真系统通常是针对单个智能体的仿真测试分析，难以应用于集群的仿真测试分析；此外，目前的针对集群的仿真系统在进行仿真时，通常只展示集群的最终协同结果，缺乏对过程中各个智能单体的状态的分析展示，难以全面评估集群性能。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，提供了一种通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，所述系统包括：

用户交互模块，用于提供设置仿真参数的交互窗口，接收用户输入，显示仿真场景，以及显示集群中各个智能单体的状态信息；

协同规划模块，用于显示集群中各个智能单体的轨迹相关信息；

数据库模块，用于存储数据；

集群协同导航分析模块，设置有协同导航算法模型，用于根据仿真参数生成仿真场景，以及基于所述协同导航算法模型，根据仿真参数计算更新智能单体的状态信息及轨迹相关信息，将状态信息发送至所述用户交互模块，将轨迹相关信息发送至所述协同规划模块；

信息业务交互模块，用于实现各个模块之间的通讯交互。

在一些可能的实现方式中，设置仿真参数的交互窗口包括：仿真模式选择窗口、智能单体数目设置窗口、无人平台模型选择窗口、编队队形选择窗口、出发点设置窗口、目标点设置窗口、障碍区域设置窗口、启动仿真与暂停仿真选择窗口、定位信息设置窗口、智能单体增减调整窗口。

在一些可能的实现方式中，智能单体的状态信息包括：标识信息、经纬度信息、高度信息、速度信息、姿态角信息、通信状态信息、邻居信息；

所述邻居信息包括：智能单体的邻居智能单体信息。

在一些可能的实现方式中，智能单体的轨迹相关信息包括：智能单体的启动次序信息、智能单体的动态进出信息、智能单体的运动轨迹。

在一些可能的实现方式中，所述协同导航算法模型表示为：

其中，/>表示第i个智能单体的速度，/>表示给定的智能单体的最大速度，/>表示第i个智能单体相对于目标点的速度，/>表示第i个智能单体相对于邻居智能单体的速度，/>表示第i个智能单体相对于中心点的速度，/>表示速度一致约束下的伸缩尺度参数，/>表示第i个智能单体到目标点的距离，/>表示规避碰撞约束下的伸缩尺度参数，/>表示第i个智能单体的邻居智能单体集合，/>表示第i个智能单体到第j个智能单体的距离，/>表示中心聚集约束下的伸缩尺度参数。

在一些可能的实现方式中，通过构建Web前端和Web后端实现所述用户交互模块、所述协同规划模块、所述数据库模块和所述集群协同导航分析模块的功能，所述协同导航算法模型设置在所述Web后端。

在一些可能的实现方式中，所述信息业务交互模型通过HTTP通信协议实现各个模块之间的通讯交互。

第二方面，还提供了一种通讯约束下集群协同导航仿真测试方法，所述方法用于上述的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，包括：

接收用户通过交互窗口输入的仿真参数；

根据仿真参数进行仿真初始化处理，生成仿真场景；

接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，在接收到启动仿真信息后开始进行仿真，利用协同导航算法模型对接收的仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块；

在仿真过程中，接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，继续利用协同导航算法模型对接收的仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块，直至仿真结束。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法能够实现集群的仿真测试分析，能够充分展示集群各个智能单体在仿真过程中的相关状态信息及轨迹信息，实现状态及轨迹信息可视化，并且能够根据仿真需求进行仿真参数的实时调整和仿真过程的动态调整，操作方便，操作难度低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例的通讯约束下集群协同导航仿真测试方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通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。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

参见图1，第一方面，本发明一实施例提供了一种通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，该系统包括：

用户交互模块1，用于提供设置仿真参数的交互窗口，接收用户输入，显示仿真场景，以及显示集群中各个智能单体的状态信息；

协同规划模块2，用于显示集群中各个智能单体的轨迹相关信息；

数据库模块3，用于存储数据；

集群协同导航分析模块4，设置有协同导航算法模型，用于根据仿真参数生成仿真场景，以及基于协同导航算法模型，根据仿真参数计算更新智能单体的状态信息及轨迹相关信息，将状态信息发送至用户交互模块1，将轨迹相关信息发送至协同规划模块2；

信息业务交互模块5，用于实现各个模块之间的通讯交互。

以下具体说明本发明一实施例提供的仿真测试系统的使用原理：

本发明一实施例的仿真测试系统用于对集群的协同作业过程进行仿真测试，在进行仿真测试时，预先根据集群的实际协同作业过程确定对应的仿真参数，通过用户交互模块的交互窗口向系统输入仿真参数，用户交互模块将接收的仿真参数发送至集群协同导航分析模块，集群协同导航分析模块基于仿真参数进行仿真初始化处理，生成仿真场景并发送至用户交互模块进行显示；待用户确认后并通过交互窗口向系统输入启动仿真信息后，集群协同导航分析模块利用协同导航算法模型对仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块以由用户交互模块进行显示，将轨迹相关信息发送至协同规划模块以由协同规划模块进行显示。同时，在仿真测试过程中，用户交互模块和集群协同导航分析模块仍实时接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，当有仿真参数变更时，集群协同导航分析模块基于更新的仿真参数，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块以由用户交互模块进行显示，将轨迹相关信息发送至协同规划模块以由协同规划模块进行显示。

本发明一实施例中，用于设置仿真参数的交互窗口的类型及数量根据实际仿真需求具体设置。为了充分实现集群协同导航作业的仿真测试，提高仿真测试结果的可靠性，设置仿真参数的交互窗口包括但不限于：仿真模式选择窗口、智能单体数目设置窗口、无人平台模型选择窗口、编队队形选择窗口、出发点设置窗口、目标点设置窗口、障碍区域设置窗口、启动仿真与暂停仿真选择窗口、定位信息设置窗口、智能单体增减调整窗口。

基于设置的交互窗口，用户可以设置相应的仿真参数以进行仿真测试。

进一步地，本发明一实施例中，为了能够充分展现仿真测试过程中各个智能单体的状态，智能单体的状态信息包括但不限于：标识信息（ID信息）、经纬度信息、高度信息、速度信息、姿态角信息、通信状态信息、邻居信息。其中，智能单体的邻居信息包括：智能单体的邻居智能单体信息。智能单体的邻居智能单体表示与智能单体的距离在设定距离范围内的其他智能单体，设定距离范围根据实际需求具体设定。

以集群为无人平台集群为例，姿态角信息进一步包括：航向角信息、俯仰角信息和翻滚角信息。

进一步地，为了方便用户进行操作，用户交互模块还连接有输入操作单元，用户能够通过输入操作单元在用户交互模块上进行输入操作。

具体地，输入操作单元例如包括鼠标和键盘，用户能够通过鼠标选择用户交互模块中的交互窗口，进行交互窗口中信息的选择和设置，以及调整用户交互模块中显示界面或显示窗口的显示位置、显示视角等；用户能够通过键盘在用户交互模块中的交互窗口中进行仿真参数的输入。

进一步地，本发明一实施例中，根据实际仿真操作需求，用户交互模型还设置有多个辅助按钮组件，辅助按钮组件用于实现特定操作功能。其中，特定操作功能根据实际需求具体设置。例如，全屏展示模式切换，返回初始视角状态，展示操作帮助等。

进一步地，本发明一实施例中，为了能够充分展现仿真测试过程中各个智能单体的轨迹信息，智能单体的轨迹相关信息包括但不限于：智能单体的启动次序信息、智能单体的动态进出信息、智能单体的运动轨迹。

具体地，以集群为无人平台集群为例，智能单体的运动轨迹进一步包括：智能单体按照集群约束的运动轨迹，智能单体按照集群约束且在有给定障碍物约束下的运动轨迹。

进一步地，本发明一实施例中，数据库模块用于存储仿真所需相关数据信息和仿真过程数据信息。

具体地，以集群为无人平台集群为例，数据库模块可以存储有无人平台模型数据、目标数据、以及相关配置参数等，以供后续仿真测试时进行调用。

进一步地，本发明一实施例中，集群协同导航分析模块中设置的协同导航算法模型基于宏观运动行为分析机制和自吸引互排斥机制构建，具体表示为：

其中，/>表示第i个智能单体的速度，/>表示给定的智能单体的最大速度，/>表示第i个智能单体相对于目标点的速度，/>表示第i个智能单体相对于邻居智能单体的速度，/>表示第i个智能单体相对于中心点的速度，/>表示速度一致约束下的伸缩尺度参数，/>表示第i个智能单体到目标点的距离，，/>表示目标点的绝对位置，/>表示第i个智能单体的绝对位置，/>表示规避碰撞约束下的伸缩尺度参数，/>表示第i个智能单体的邻居智能单体集合，，/>表示第i个智能单体到第j个智能单体的距离，，/>表示第j个智能单体的绝对位置，/>表示中心聚集约束下的伸缩尺度参数。

其中，、/>、/>的具体数值根据实际情况具体设置，例如/>，，/>。

本发明一实施例的协同导航算法模型采用分布式集群协同导航思想，智能单体同时以满足速度一致、规避碰撞、中心聚集的方式进行集群协同运动。其中，

用于表示满足速度一致约束，/>用于表示满足规避碰撞约束，/>用于表示满足中心聚集约束。根据给定的仿真参数求解协同导航算法模型，能够得到集群中智能单体在不同仿真时刻下的速度，进而确定智能单体在协同作用过程中的状态及轨迹。

进一步地，本发明一实施例中，通过构建Web前端和Web后端实现各个模块的功能，协同导航算法模型设置在Web后端。

具体地，本发明一实施例中，Web前端利用Vue框架和Cesium库进行构建。

Vue框架是一个开源JavaScript框架，具有简洁化、轻量级、数据驱动等优点，专注于构建用户界面，通过采用组件化的开发方式，能够将复杂的用户界面拆分为独立的可重用组件，能够提供更好的代码组织和可维护性。Cesium库通过使用开源的地理空间数据，可以为航空、航天、智能城市、无人机等领域的Web应用程序提供互动场景，且具有高性能、高精度、高视觉质量、高易用性的特点。利用Cesium库能够创建世界级3D地球仪和2D地图，支持绘制各种几何图形、高亮区域，以及导入图片、3D模型等多种数据的可视化展示，且也可支持基于时间轴的动态数据展示。

具体地，本发明一实施例中，Web后端利用Python语言和Django框架进行构建。

Python语言有丰富的标准库和第三方库，特别是高性能的科学计算库，此外还具有大量的开发资源和社区支持，且代码简洁易读，能够支持后端集群协同运动仿真算法设计任务。Django框架是基于Python语言的开源Web后端框架，能够为后端设计提供高效、可重用和安全的解决方案，提供了一个灵活的模型-视图-控制器（MVC）架构，能够将应用程序不同组件分离开来，提高代码的可维护性和可重用性。Django框架能够简化数据库操作，提供自动化的管理界面，具有良好的安全性与灵活性。

进一步地，当通过构建Web前端和Web后端实现各个模块的功能时，信息业务交互模型通过HTTP通信协议实现各个模块之间的通讯交互。由于Web前端与Web后端需要进行跨域通信，而HTTP通信协议是一种应用层的协议，能够实现Web前后端之间的通信。

具体地，为了实现Web前后端的HTTP协议通信，Web前端使用axios库处理HTTP协议的请求与响应，Web后端Django框架在视图中为其暴露接口/api/message。

本发明一实施例中，Web前端发送的HTTP请求分为两类，一类为仿真开始前的初始化参数设置，另一类为仿真过程中的持续数据更新请求。这两类HTTP请求的方法均为GET，请求参数采用json格式。

作为一种示例，具体字段设计如下表所示：

表 1 初始化参数设置请求参数字段

JSON字段名	描述
		Init	是否为初始化设置，要求为true
Simtype	仿真自由度设置，单质点或六自由度
		Uvnum	仿真集群个数设置
Shape	仿真集群队形设置
		Base	仿真集群出发点设置
Target	仿真集群目标点设置

表 2 持续数据更新请求参数字段

JSON字段名	描述
		Init	是否为初始化设置，要求为false
uv_selected_id	请求更新具体数据的集群智能单体标识信息
		add_list	用户要求动态进入的集群智能单体标识信息
remove_list	用户要求动态退出的集群智能单体标识信息

本发明一实施例中，Web后端接收Web前端HTTP请求后，需要根据解析出的参数执行相应的业务逻辑。具体地，接收初始化参数设置请求后，Web后端清空当前数据表中已有的状态信息，根据设置的仿真参数生成一组新的仿真场景，并将生成的仿真场景中的描述信息包装为HTTP响应发送给Web前端。在仿真过程中，接收持续数据更新请求后，将当前集群智能单体的状态及轨迹更新，包装为HTTP响应发送给Web前端，同时若Web前端请求查看某智能单体的具体状态，则HTTP响应中还包括该智能单体的具体信息。

作为一种示例，具体字段设计如下表所示：

表 3 初始化参数设置响应数据字段

JSON字段名	描述
		code	状态码
base	出发点位置信息
		target	目标点位置信息

表 4 持续数据更新响应数据字段

JSON字段名	子字段	描述
			code		状态码
uv	uvid	当前集群智能单体标识信息
			uv	lon / lat / hei	当前集群智能单体经纬高坐标
uv_selected_info	uvid	请求更新具体数据的集群智能单体标识信息
			uv_selected_info	lon / lat / hei	请求更新具体数据的集群智能单体经纬高坐标
uv_selected_info	vx / vy / vz	请求更新具体数据的集群智能单体三轴速度
			uv_selected_info	heading / pitch / roll	请求更新具体数据的集群智能单体姿态角，包括航向角、俯仰角和翻滚角
uv_selected_info	neighbour	请求更新具体数据的集群智能单体邻居信息

参考图2，第二方面，本发明一实施例还提供了一种通讯约束下集群协同导航仿真测试方法，该方法用于上述的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，包括以下步骤：

步骤S1，接收用户通过交互窗口输入的初始仿真参数；

步骤S2，根据初始仿真参数进行仿真初始化处理，生成仿真场景；

步骤S3，接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，在接收到启动仿真信息后开始进行仿真，利用协同导航算法模型对接收的仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块；

步骤S4，在仿真过程中，接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，继续利用协同导航算法模型对接收的仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块，直至仿真结束。

本发明一实施例提供的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统及方法能够实现集群的仿真测试分析，能够充分展示集群各个智能单体在仿真过程中的相关状态信息及轨迹信息，实现状态及轨迹信息可视化，并且能够根据仿真需求进行仿真参数的实时调整和仿真过程的动态调整，操作方便，操作难度低。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，其特征在于，包括：

用户交互模块，用于提供设置仿真参数的交互窗口，接收用户输入，显示仿真场景，以及显示集群中各个智能单体的状态信息；

协同规划模块，用于显示集群中各个智能单体的轨迹相关信息；

数据库模块，用于存储数据；

集群协同导航分析模块，设置有协同导航算法模型，用于根据仿真参数生成仿真场景，以及基于所述协同导航算法模型，根据仿真参数计算更新智能单体的状态信息及轨迹相关信息，将状态信息发送至所述用户交互模块，将轨迹相关信息发送至所述协同规划模块；

信息业务交互模块，用于实现各个模块之间的通讯交互;

所述协同导航算法模型表示为：

;

其中，表示第i个智能单体的速度，/>表示给定的智能单体的最大速度，/>表示第i个智能单体相对于目标点的速度，/>表示第i个智能单体相对于邻居智能单体的速度，/>表示第i个智能单体相对于中心点的速度，/>表示速度一致约束下的伸缩尺度参数，/>表示第i个智能单体到目标点的距离，/>表示规避碰撞约束下的伸缩尺度参数，表示第i个智能单体的邻居智能单体集合，/>表示第i个智能单体到第j个智能单体的距离，/>表示中心聚集约束下的伸缩尺度参数;

用于表示满足速度一致约束，/>用于表示满足规避碰撞约束，/>用于表示满足中心聚集约束；

通过构建Web前端和Web后端实现所述用户交互模块、所述协同规划模块、所述数据库模块和所述集群协同导航分析模块的功能，所述协同导航算法模型设置在所述Web后端；

所述信息业务交互模型通过HTTP通信协议实现各个模块之间的通讯交互；

Web前端利用Vue框架和Cesium库进行构建，Web后端利用Python语言和Django框架进行构建。

2.根据权利要求1所述的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，其特征在于，设置仿真参数的交互窗口包括：仿真模式选择窗口、智能单体数目设置窗口、无人平台模型选择窗口、编队队形选择窗口、出发点设置窗口、目标点设置窗口、障碍区域设置窗口、启动仿真与暂停仿真选择窗口、定位信息设置窗口、智能单体增减调整窗口。

3.根据权利要求1所述的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，其特征在于，智能单体的状态信息包括：标识信息、经纬度信息、高度信息、速度信息、姿态角信息、通信状态信息、邻居信息；

所述邻居信息包括：智能单体的邻居智能单体信息。

4.根据权利要求1所述的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，其特征在于，智能单体的轨迹相关信息包括：智能单体的启动次序信息、智能单体的动态进出信息、智能单体的运动轨迹。

5.一种通讯约束下集群协同导航仿真测试方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1-4中任一项所述的通讯约束下集群协同导航仿真测试系统，包括：

接收用户通过交互窗口输入的仿真参数；

根据仿真参数进行仿真初始化处理，生成仿真场景；

接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，在接收到启动仿真信息后开始进行仿真，利用协同导航算法模型对接收的仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块；

在仿真过程中，接收用户通过交互窗口输入的仿真参数，继续利用协同导航算法模型对接收的仿真参数进行处理，计算更新集群中智能单体的状态信息及轨迹相关信息，并将状态信息发送至用户交互模块，将轨迹相关信息发送至协同规划模块，直至仿真结束。