[发明专利]无人机集群软件在环仿真系统

说明书

技术领域

本发明属于多智能体系统技术领域，具体涉及无人机集群软件在环仿真系统。

背景技术

无人机技术是一项热点技术，在商业和科研领域都受到了广泛关注，并且在过去十年间取得了巨大成就。目前，无人机集群技术被广泛寄予厚望，被认为是无人机技术的一个重要发展方向。无人机集群中的飞机之间通过某种通信链路相互联结，互通信息，可以实现信息共享，分布决策，编队飞行，任务协同等群体智慧，产生“1+1>2”的效果。

无人机集群在军事应用领域具有重大意义。目前，通常每架无人机需要一个操作员。应用成熟的无人机集群技术，一个操作员可以控制整个集群，实现编队飞行。并且，操作员下达任务之后，无人机集群可以自动进行任务分配，提高作战效能。

无人机的研究需要进行大量的实机实验。无人机造价高昂，机动性能强，因此实验的成本较大，组织实验费时。研究人员通常使用软件在环仿真和硬件在环路仿真对无人机的控制算法和相关软件进行测试，在实机实验之前就可以验证控制算法和相关软件的性能和可靠性。

专利文件CN104880961A公开了一种多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统，其主要技术方案是通过链路模拟计算机链接n台自动驾驶仪和n个无人机模拟计算机，实现多无人机控制算法的仿真，但是这种方法的缺点是自动驾驶仪接入链路模拟计算机带宽有限，仿真实时性和仿真数量受到限制。

软件在环仿真将飞行器控制器软件接入仿真的飞行器模型。与硬件在环仿真相比，软件在环仿真更容易实现大量无人机的仿真。然而，当前软件在环仿真系统缺乏对多机之间的通信拓扑和气动干扰的仿真模型，影响仿真可信度。同时，目前缺乏完整的多无人机仿真系统，对多无人机软件仿真进行配置，监控，和管理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机集群软件在环仿真系统，以便能够对多无人机软件仿真进行配置、监控和管理。

本发明提供的无人机集群软件在环仿真系统，主要解决现有技术中的以下技术问题：多无人机通信拓扑的建模；多无人机气动干扰的建模；多无人机软件在环的仿真系统构建。

本发明提供的无人机集群软件在环仿真系统，包含若干个自动驾驶仪,通信仿真模块，和飞行器模拟器，自动驾驶仪之间通过通信仿真模块相互通信，自动驾驶仪和飞行器模拟器之间通过网络通信协议通信。

所述自动驾驶仪，包含导航模块和控制器，导航模块按照实验流程生成期望飞行轨迹，作为控制器的输入；控制器模块通过反馈控制实现无人机的位置和姿态控制。

所述导航模块可通过UDP协议与控制器相连，获取当前位置，速度和加速度，同时通过UDP协议与通信仿真模块相连，获取邻居的位置和速度。基于这些信息，导航模块运行算法计算期望位置和期望速度并作为控制量发送给控制器。

所述导航模块可采用状态机式程序结构，如图3所示。该状态机中的每个状态执行特定任务，实验过程中通过组合不同的任务来配置实验内容。状态机初始状态为空闲状态，在该状态内不进行任何任务。任务开始后，状态机顺序执行一系列任务，包括：解锁电机、起飞、执行集群算法、降落、锁定电机。当一个任务完成后，就切换进入下一个状态。全部任务完成后，就回到空闲状态。若任务过程中出现异常事件，比如电池电量低、定位信号丢失等，则切换到紧急状态。

所述导航模块实现所述任务，每个任务都基于一定方法生成期望位置和期望速度发送给控制器。

所述控制器可采用的串级PD控制器，包括位置控制器和姿态控制器。

所述通信仿真模块，可以设置通信延时、丢包率和通信半径，用来模拟无人机集群的通信网络。所述通信仿真模块用来模拟无人机集群的通信拓扑，具体功能为：

(1)模拟通信半径。转发消息时，首先判断接收者是否在通信半径以内，如果是则转发，否则放弃；

(2)模拟丢包。可以指定一个有效的丢包率，对于转发的每条消息进行随机的丢包；

(3)模拟通信延时。对于每条经过通信仿真模块的消息，施加时间长度符合高斯分布的延时。高斯分布的平均值和标准差可以指定。

所述飞行器模拟器，包括若干飞行器模型和气动干扰仿真模块，其中飞行器模型用来仿真飞行器的运动过程，而气动干扰仿真模块用来仿真机翼或螺旋浆产生的气流对临近无人机产生的气动干扰。

本发明具有如下有益效果：

本发明使用通信仿真模块对无人机集群的通信拓扑进行仿真，通过通信延时、通信半径和丢包率，模拟不同通信条件下无人机集群算法的效果。

本发明在飞行器模拟器中对临近无人机之间的气动干扰进行建模和仿真，提高仿真的真实性。