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設(shè)備與工具導(dǎo)讀 | 在無人機集群研究領(lǐng)域，仿真驗證技術(shù)可以高效且低廉的對算法理論，縮短研制周期，降低研制成本。全數(shù)字仿真技術(shù)和半物理仿真技術(shù)是仿真驗證技術(shù)的兩種主要實現(xiàn)方式，本篇帶你快速了解無人機集群半物理仿真系統(tǒng)！
仿真驗證技術(shù)最新綜述及半物理仿真驗證系統(tǒng)優(yōu)勢
在無人機集群研究領(lǐng)域，仿真驗證技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，利用仿真技術(shù)可以高效且低廉的對算法理論成果進行測試驗證，根據(jù)測試結(jié)果不斷迭代系統(tǒng)方案，極大的縮短研制周期，降低研制成本。其實現(xiàn)方式主要有全數(shù)字仿真技術(shù)和半物理仿真技術(shù)，兩種技術(shù)在系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計過程中經(jīng)常需要綜合使用，全數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用數(shù)字模型，將整個測試仿真過程在虛擬環(huán)境中運行完成，不涉及軟硬件數(shù)據(jù)通信交互，主要應(yīng)用于系統(tǒng)前期的預(yù)研及可行性論證等工作。
半物理仿真驗證系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的置信度，以真實物理模型為基礎(chǔ)，將被仿真系統(tǒng)的一部分以實物方式引入仿真回路，尤其是一部分非線性傳感器，可減少虛擬系統(tǒng)與真實設(shè)備之間的誤差。相較于全數(shù)字仿真技術(shù)，半物理仿真技術(shù)逼真度更高，可以更真實的模擬設(shè)備傳感器的狀態(tài)，可以更好的驗證系統(tǒng)方案的正確性和可行性，進行故障模式等的仿真以及對各研制階段驗證進行閉路動態(tài)試驗。
無人機集群半物理仿真系統(tǒng)解決方案
針對無人機集群半物理仿真實現(xiàn)，飛思實驗室具備成套解決方案，其系統(tǒng)框架如下圖：
系統(tǒng)各功能模塊如下：
01、無人機模型設(shè)計模塊
系統(tǒng)具備無人載具統(tǒng)一建?？蚣埽瑢⒄麄€無人載具系統(tǒng)分解為兩個部分：機身系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。機身系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間交互傳感器數(shù)據(jù)與控制信號。而機身系統(tǒng)又可以細分為四個子系統(tǒng)：機體子系統(tǒng)、執(zhí)行器子系統(tǒng)、三維環(huán)境子系統(tǒng)和傳感器子系統(tǒng)。
機體子系統(tǒng)
包含了機身、運行環(huán)境、力與力矩等內(nèi)部子系統(tǒng)模塊，是對機體在環(huán)境的運動、能耗和故障特性的整體描述；
執(zhí)行器子系統(tǒng)
包含了飛行器與外界環(huán)境的相互作用，它接收來之控制系統(tǒng)的控制信號，然后產(chǎn)生的力與力矩來驅(qū)動機身運動；
三維環(huán)境子系統(tǒng)
主要用于描述無人機飛行的三維視景環(huán)境（包括樹木、障礙物、公路等），用于為自主控制系統(tǒng)提供視覺數(shù)據(jù)的模擬。
傳感器子系統(tǒng)
主要用于描述控制軟件之外的所有電子硬件模型，主要包含傳感器數(shù)據(jù)、通信協(xié)議、連接接口等特性；在整個建模框架中，機身系統(tǒng)需要進行高精度建模，并且在實時仿真計算機中實現(xiàn)，最后連接控制系統(tǒng)軟件或硬件，構(gòu)成軟件在環(huán)仿真或硬件在環(huán)仿真閉環(huán)。在整個仿真模型搭建完畢后，可以利用自動代碼生成的方法生成不同實時仿真計算機環(huán)境下的仿真軟件，并且通過替代其中特定的子系統(tǒng)模塊可以快速擴展得到不同類型的載具模型。所示為Simulink中搭建仿真模型的示例，它包含了基本的運動仿真功能以及故障注入功能，能夠非常逼真地仿真各種多旋翼的運動動態(tài)。
Simulink仿真模型
02、集群視覺感知模塊
集群視覺感知模塊主要完成無人機的環(huán)境感知、視覺處理等功能。其通網(wǎng)絡(luò)通訊節(jié)點接收視覺模塊發(fā)送的無人機視覺傳感器數(shù)據(jù)，利用圖像算法或人工智能完成視覺的導(dǎo)航或態(tài)勢感知。頂層控制模塊通過綜合操控人員的指揮信息、無人機的狀態(tài)信息（姿態(tài)、速度、位置、電量、健康程度等）、視覺感知的結(jié)果等信息，完成無人機的上層決策，并將底層控制指令發(fā)送給無人機自駕儀。
03、集群協(xié)同控制決策算法設(shè)計模塊
集群協(xié)同控制決策算法設(shè)計模塊，具有頂層集群規(guī)劃指揮層、組網(wǎng)通訊節(jié)點層、集群決策層、底層控制層等大規(guī)模無人機集群控制系統(tǒng)。
1）支持集中式的無人機集群控制策略，在指揮中心可以獲取所有無人機數(shù)據(jù)并統(tǒng)一進行軌跡規(guī)劃與安全防護；
2）支持分布式的無人機集群控制策略，每個飛機可獲取臨近無人機的信息，并進行自主決策；
3）支持集中式控制算法的軟/硬件在環(huán)仿真驗證；
4）支持局域網(wǎng)內(nèi)多臺電腦上的多個軟/硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)組網(wǎng)，形成整體的集群仿真系統(tǒng)，并實現(xiàn)集中顯示與控制
5）支持集群控制算法快速移植到真機飛行平臺中，進行試飛測試；
固定翼飛機軟件在環(huán)控制仿真
固定翼飛機硬件在環(huán)控制仿真
04、典型場景搭建設(shè)計模塊
本平臺基于UE4實時三維渲染引擎開發(fā)了面向無人機的實時視景軟件RflySim3D，它可以接收局域網(wǎng)內(nèi)的所有飛機數(shù)據(jù)并集中實時顯示在場景中，同時支持單獨配置并獲取到特定飛機的特定機載攝像頭。此軟件也支持自行設(shè)計并導(dǎo)入三維場景和飛機模型，且操作非常簡單。支持直接使用UE4場景庫中的海量三維場景和飛機模型；同時支持用3Ds Max和AutoCAD等軟件自行制作三維場景和飛機模型并導(dǎo)入UE4。下圖分別展示了平臺目前自帶的四旋翼室內(nèi)飛行、小車街區(qū)行駛、六旋翼森林穿梭和固定翼山脈巡航的三維場景。
高逼真三維場景示例典型場景搭建設(shè)計模塊，能夠自定義場景類型，提供典型場景模塊設(shè)計SDK，對場景內(nèi)的環(huán)境、設(shè)施及行人進行自定義。支持通過UDP/ROS動態(tài)改變場景地圖、改變飛機三維樣式、動態(tài)創(chuàng)建障礙物（其他飛機、跟蹤靶標、人物、標定板、桌椅等）、動態(tài)改變飛機視角（位置、方向、焦距等）、改變?nèi)S引擎輸出圖像分辨率等。
05、半實物模擬模塊
系統(tǒng)支持外部傳感器接入，傳感器數(shù)據(jù)分為兩類：直連飛控的外部傳感器（磁羅盤、差分GPS、光流測速等），另一類是直連機載計算機的視覺傳感器（雙目、Lidar、深度相機等）飛控傳感器通過Simulink等程序直接生成傳入Pixhawk飛控，視覺傳感器通過三維環(huán)境引擎生成，隨圖像傳入機載計算機。
飛控與機載計算機在環(huán)半物理仿真
無人系統(tǒng)運動仿真模塊接收無人系統(tǒng)飛控的舵機輸出信號，采用六自由度動力學(xué)模型，解算出某型無人系統(tǒng)飛行運動狀態(tài)，輸出飛機的姿態(tài)、位置、速度等狀態(tài)參數(shù)。信號選擇模塊根據(jù)用戶的選擇將無人系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)輸出到轉(zhuǎn)臺或者視景仿真系統(tǒng)。如果輸出到轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)臺控制模塊的作用下，完成的無人系統(tǒng)飛行姿態(tài)的聯(lián)動和模擬；如果輸出到視景仿真系統(tǒng)，則可以在虛擬的三維場景中顯示無人系統(tǒng)的運動姿態(tài)和運動軌跡。信號選擇模塊的框圖如下圖所示：
信號選擇模塊（轉(zhuǎn)臺在環(huán)半物理仿真）
06、分布式網(wǎng)絡(luò)通訊模塊
本系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)架構(gòu)，不同的仿真模型可以運行在同一臺電腦或者不同的電腦上。打開多個模型仿真器并連接多個Pixhawk/PX4自駕儀硬件就可以形成多無人機集群的仿真環(huán)境。由于單臺電腦的性能是有限的，可以通過局域網(wǎng)內(nèi)多臺電腦間進行相互通信的形式進一步擴展整體飛機數(shù)量。
多機視覺處理框架
07、系統(tǒng)二次開發(fā)協(xié)議接口模塊
1）實現(xiàn)對無人機動力學(xué)模型、3D仿真模型進行辨識后重新建模，提供接口協(xié)議，以便在后續(xù)工作中自行構(gòu)建無人機模型。提供Simulink無人機動力學(xué)建模模版，支持多種旋翼類型，便于模型開發(fā)與擴展；提供標準輸入輸出接口，可在Simulink中自行搭建任意構(gòu)型無人機模型；支持Simulink自動代碼生成為DLL文件的形式導(dǎo)入到硬件在環(huán)仿真器中；動力系統(tǒng)組件數(shù)據(jù)庫覆蓋市面上2000款以上組件產(chǎn)品，支持從數(shù)據(jù)庫中選擇合適組件組裝不同構(gòu)型無人機并估算性能與模型參數(shù)，用于無人機動力學(xué)仿真。2）平臺提供系統(tǒng)故障注入接口：模型故障：提供Simulink模型和外部觸發(fā)接口，可自行加入任意故障。通信故障：所有通信鏈路經(jīng)過統(tǒng)一接口轉(zhuǎn)發(fā)，可模擬延遲、丟包等。環(huán)境故障：障礙物等在三維引擎中生成。
3）平臺提供傳感器基本參數(shù)與安裝位置的深度相機傳感器模塊SDK，用戶可以通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)對無人機機載視覺傳感器進行設(shè)計朝向、焦距、視場角等，自定義機載視覺模塊；根據(jù)用決策的輸入輸出接口協(xié)議，提供決策系統(tǒng)輸入/輸出接口。
2025-09-17 10:55
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