CN102592025A - 一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台及试验方法,该试验平台包括虚拟试验场景显示终端、虚拟试验用户操作终端、桌面式工作站、上位机控制模块以及无人潜航器模拟***模块;桌面式工作站包括了PCIExpress高性能图形加速处理卡、PCIExpress磁盘阵列卡和多块PCIExpress数据加速处理卡;上位机控制模块集成并运行于桌面式工作站中,无人潜航器模拟***模块集成并运行于桌面式工作站内的PCIExpress数据加速处理卡中。该试验方法包括了在上述虚拟试验平台的基础上进行“全数字虚拟试验”和“半实物虚拟试验”时的试验方法。本发明具有结构简单、操作简便、功能集成度高、适用范围广、试验效率高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到水下自主航行器虚拟试验设备领域,特指一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台及其试验方法。
背景技术
“任务规划***”是无人潜航器的核心子***,是无人潜航器进行水下作业时的智能决策机构,在很大程度上决定了无人潜航器执行任务的效能以及在复杂海洋环境条件下的生存概率。在无人潜航器水下航行过程中,“任务规划***”是无人潜航器的信息处理中心,需实时采集并综合处理无人潜航器所有其它子***输出的状态信息,求解无人潜航器在任务执行过程中应对所遇情况的最优解决方法,并将解算的最终决策结果发送给无人潜航器的执行机构。
“无人潜航器任务规划***的虚拟试验”是无人潜航器研制过程中的重要环节,作为实航试验的一种辅助试验手段,其主要目的是通过地面上的虚拟试验,查找出***在软件编码上的缺陷,验证***在设计上的合理性和可行性,检验***性能在各种异常情况下的可靠性,从而进一步修正***的数学模型,在实航试验前完善***的设计与实现。
根据任务规划***的运行机制,目前无人潜航器任务规划***的地面虚拟试验以半实物试验为主,需要利用三轴转台、对接阵、激励源、数据采集设备、地面测试计算机以及无人潜航器其它的子***构建分布式的虚拟试验环境。虽然虚拟试验结果的置信度非常高,但其规模庞大、信息流复杂、组织协调困难,无法通过地面上的虚拟试验在短时间内高效率的完成无人潜航器任务规划***全面的虚拟测试。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种结构简单、操作简便、功能集成度高、适用范围广、试验效率高的无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台及试验方法。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台,包括虚拟试验场景显示终端、虚拟试验用户操作终端、桌面式工作站、上位机控制模块以及无人潜航器模拟***模块;所述桌面式工作站包括了用于提供细腻清晰画面的PCI Express高性能图形加速处理卡、用于高速大容量试验数据存储的PCI Express磁盘阵列卡和多块用于模拟无人潜航器***的PCI Express数据加速处理卡,所述PCI Express数据加速处理卡基于多核处理器并模拟了无人潜航器中任务规划***与其它子***的运行模式和各个子***间的运行规程;所述上位机控制模块集成并运行于桌面式工作站中,所述无人潜航器模拟***模块集成并运行于桌面式工作站内的PCI Express数据加速处理卡中。
作为虚拟试验平台的进一步改进,上位机控制模块具有多线程结构,包含了虚拟试验平台总调度线程模块、虚拟试验平台用户操作接口线程模块、高层体系结构HLA接口线程模块以及虚拟试验视景生成线程模块;当上位机控制模块初始化完毕后,虚拟试验平台总调度线程模块与其它线程模块分别创建相对独立的共享内存空间,采用异步通信方式进行线程间的数据交互;所述虚拟试验平台总调度线程模块在每一个工作周期,综合处理共享内存空间中各线程提供的状态信息,同时创建服务请求队列与无人潜航器模拟***模块以PCI Express总线协议进行数据交互。
作为虚拟试验平台的进一步改进,所述无人潜航器模拟***模块具有多进程结构,包含虚拟试验平台剧情规划进程模块、无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块、无人潜航器自导***进程模块和目标模拟***进程模块;在无人潜航器模拟***模块加载并初始化完毕后,所述虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期,综合处理来自上位机控制模块的服务请求队列,接收无人潜航器任务规划***进程模块的状态信息并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块,同时通过PCI Express总线将虚拟试验结果发送给上位机控制模块;所述无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块和无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期同步运行,由无人潜航器任务规划***进程模块控制虚拟试验过程的时间与空间一致性;所述无人潜航器自导***进程模块需要在每一个工作周期读取目标模拟***进程模块提供的状态信息。
本发明进一步提供一种在上述虚拟试验平台的基础上进行“全数字虚拟试验”时的试验方法,其流程为:
初始化完毕后,加载无人潜航器中实际使用的任务规划***到数据加速处理卡中并运行;用户身份被确认后,在虚拟试验平台操作界面上填写本次虚拟试验的配置信息,包括虚拟试验报告、虚拟试验的剧情信息以及无人潜航器任务规划***的配置参数;虚拟试验平台的上位机控制模块检验所有配置信息的有效后,将配置信息通过PCI Express总线发送给无人潜航器模拟***模块;无人潜航器模拟***模块根据虚拟试验的配置信息,组织虚拟试验流程、加载无人潜航器任务规划***模块的配置参数并启动虚拟试验;无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块以及无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期同步运行,由无人潜航器任务规划***进程模块协调与控制虚拟试验时间与空间的一致性;动力学运动学解算***进程模块在虚拟试验进行过程中,每个工作周期解算广泛适用的运动方程组,将解算的无人潜航器状态信息在每个虚拟试验周期发送给无人潜航器任务规划***进程模块;目标模拟***进程模块根据虚拟试验平台剧情规划进程发送的虚拟试验流程信息,解算出虚拟试验中目标与无人潜航器相对的状态信息,并发送给无人潜航器自导***进程模块;无人潜航器自导***进程模块在每个工作周期接收来自目标模拟***模块的状态信息,根据无人潜航器自导***的工作流程要求,发送目标的距离、深度、方位和速度等状态信息给无人潜航器任务规划***进程模块;无人潜航器自导***进程模块在其每一个工作周期,读取目标模拟***进程模块提供的状态信息;虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期接收无人潜航器任务规划***进程模块提供的状态信息,并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块,并通过PCI Express总线将虚拟试验结果发送给上位机控制模块的虚拟试验平台总调度线程模块;虚拟试验平台总调度线程模块存储虚拟试验结果,同时将试验结果共享给虚拟试验视景生成线程模块;虚拟试验视景生成线程模块解析虚拟试验结果,得到虚拟试验二维与三维视景中所有模型与环境特效的参数信息,并产生视景生成数据,以数据驱动视景中无人潜航器模型和目标模型的运动以及各种环境特效的产生;如此循环,直至完成虚拟试验。
本发明进一步提供一种在上述虚拟试验平台的基础上进行“半实物虚拟试验”时的试验方法,其流程为:
初始化完毕后,加载无人潜航器中实际使用的任务规划***到数据加速处理卡中并运行;用户身份被确认后,通过虚拟试验平台操作界面激活无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验功能;高层体系结构HLA接口线程模块、虚拟试验平台总调度线程模块与无人潜航器任务规划***进程模块直接连通,屏障其它线程模块与进程模块的运行,由虚拟试验平台总调度线程存储虚拟试验结果;在半实物虚拟试验进行过程中,完全由无人潜航器任务规划***进程模块控制试验流程,虚拟试验平台相当于无人潜航器分布仿真***中的任务规划模拟***;用户通过虚拟试验平台操作界面结束无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明的虚拟试验平台及其基于该平台的试验方法是基于桌面式计算机***构建,设计与实现了基于PCI Express总线的数据加速处理卡,并根据无人潜航器任务规划***的运行机制,在数据加速处理卡上建立了无人潜航器模拟***模块,使得整个虚拟试验平台可集成于一台桌面式工作站中;结构简单、操作简便、性能稳定可靠;本发明模拟了无人潜航器中任务规划***与其它子***的运行模式与各子***间的运行规程,丰富了对无人潜航器任务规划***进行虚拟试验的内容与方法,省去了在地面上进行虚拟试验时所动用的大量复杂的试验设备,同时试验平台还提供了HLA分布式仿真***接口,实现了可对无人潜航器任务规划***进行全数字和半实物虚拟试验的小型虚拟试验平台,增加了试验的灵活性和方便性,试验内容全面丰富,可以在短时间内高效率的完成无人潜航器任务规划***地面上的虚拟试验任务。
附图说明
图1是本发明无人潜航器任务规划***虚拟试验平台的硬件架构示意图。
图2是本发明无人潜航器任务规划***虚拟试验平台的软件架构示意图。
图3是本发明在应用实例中进行全数字虚拟试验的流程示意图。
图4是本发明在应用实例中进行半实物虚拟试验的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台,是一种无人潜航器任务规划***的全数字和半实物虚拟试验***;它包括虚拟试验场景显示终端、虚拟试验用户操作终端、桌面式工作站、上位机控制模块以及无人潜航器模拟***模块。其中,桌面式工作站具有通用的桌面式计算机***架构,其作为上位机***包括了用于提供细腻清晰画面的PCI Express高性能图形加速处理卡、用于高速大容量试验数据存储的PCI Express磁盘阵列卡和多块用于模拟无人潜航器***的PCI Express数据加速处理卡;该PCI Express数据加速处理卡基于多核处理器,模拟了无人潜航器中任务规划***与其它子***的运行模式和各个子***间的运行规程。上位机控制模块集成并运行于桌面式工作站中,无人潜航器模拟***模块集成并运行于桌面式工作站内的PCI Express数据加速处理卡中,通过多块PCI Express数据加速处理卡,可以模拟多个无人潜航器联合执行水下任务的情况,进行多个无人潜航器任务规划***全数字的联合虚拟试验。
本实施例中,上位机控制模块具有多线程结构,包含了虚拟试验平台总调度线程模块、虚拟试验平台用户操作接口线程模块、高层体系结构HLA接口线程模块以及虚拟试验视景生成线程模块。当上位机控制模块初始化完毕后,虚拟试验平台总调度线程模块与其它线程模块分别创建相对独立的共享内存空间,采用异步通信方式进行线程间的数据交互;虚拟试验平台总调度线程模块在每一个工作周期,综合处理共享内存空间中各线程提供的状态信息,同时创建服务请求队列与无人潜航器模拟***模块以PCI Express总线协议进行数据交互。
本实施例中,无人潜航器模拟***模块具有多进程结构,包含虚拟试验平台剧情规划进程模块、无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块、无人潜航器自导***进程模块和目标模拟***进程模块。在无人潜航器模拟***模块加载并初始化完毕后,虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期,综合处理来自上位机控制模块的服务请求队列,接收无人潜航器任务规划***进程模块的状态信息并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块,同时通过PCI Express总线将虚拟试验结果发送给上位机控制模块。无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块和无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期同步运行,由无人潜航器任务规划***进程模块控制虚拟试验过程的时间与空间一致性;无人潜航器自导***进程模块需要在每一个工作周期读取目标模拟***进程模块提供的状态信息。
参见图1所示,在本实施例中,本发明的虚拟试验平台集成在一台HP工作站中,同时配有用户操作用的键盘、鼠标、操纵杆和一台用于虚拟试验场景显示的大尺寸高清显示器;HP工作站中标配有64TB大容量磁盘阵列、两颗四核AMD处理器、4GB内存、两个千兆以太网接口、一块PCI Express×16高性能图形加速处理卡、一块PCI Express×8磁盘阵列卡和一块PCI Express×4数据加速处理卡;数据加速处理卡以Tilepro64多核处理器为核心,配有4片1GB内存和用于存储无人潜航器模拟***软件的SROM,数据加速处理卡复位后自动加载并运行无人潜航器模拟***模块。
参见图2所示,本实施例中,上位机控制模块基于Windows操作***开发,具有多线程结构,各线程间采用异步通信方式,以共享内存方式进行线程间的数据交互,虚拟试验平台总调度线程模块在每一个工作周期,综合处理共享内存空间中各线程提供的状态信息,同时创建服务请求队列与无人潜航器模拟***模块以PCI Express总线协议进行数据交互;虚拟试验视景生成线程模块解析虚拟试验结果,产生视景生成数据,以数据驱动视景中无人潜航器模型和目标模型的运动以及各种环境特效的产生。三维视景显示通过Vega Prime开发,二维视景显示通过TeeChart开发。虚拟试验平台用户操作接口线程模块是基于MFC开发的虚拟试验平台操作界面线程;高层体系结构HLA接口线程模块基于KD-HLA分布仿真支撑软件包开发,使得该虚拟试验平台可作为HLA分布仿真***中的一个联邦成员使用,实现无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验。
本实施例中,无人潜航器模拟***模块基于Linux操作***开发,具有多进程结构,Tilepro64多核处理器开发环境MDE中的ilib库提供了多进程间数据传输通道、共享内存和进程间同步的支持;虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期,综合处理来自上位机控制模块的PCI Express总线服务请求队列、接收无人潜航器任务规划***进程模块的状态信息并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块;无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块和无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期运行,进程间基于Tilepro64多核处理器内的mesh网络建立数据传输通道,实现进程间的同步与数据交互;无人潜航器自导***进程模块在每一个工作周期,读取目标模拟***进程模块的共享内存中虚拟试验的目标与无人潜航器相对的状态信息。
参见图3所示,当本发明无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台初始化完毕后,加载无人潜航器中实际使用的任务规划***到数据加速处理卡中并运行;用户身份被确认后,可以在虚拟试验平台操作界面上填写本次虚拟试验的配置信息,包括虚拟试验报告、虚拟试验的剧情信息以及无人潜航器任务规划***的配置参数;虚拟试验平台的上位机控制模块检验所有配置信息的有效后,将配置信息通过PCI Express总线发送给无人潜航器模拟***模块;无人潜航器模拟***模块根据虚拟试验的配置信息,组织虚拟试验流程、加载无人潜航器任务规划***模块的配置参数并启动虚拟试验;无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块以及无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期同步运行,由无人潜航器任务规划***进程模块协调与控制虚拟试验时间与空间的一致性;动力学运动学解算***进程模块在虚拟试验进行过程中,每个工作周期解算广泛适用的运动方程组,将解算的无人潜航器状态信息在每个虚拟试验周期发送给无人潜航器任务规划***进程模块;目标模拟***进程模块根据虚拟试验平台剧情规划进程发送的虚拟试验流程信息,解算出虚拟试验中目标与无人潜航器相对的状态信息,并发送给无人潜航器自导***进程模块;无人潜航器自导***进程模块在每个工作周期接收来自目标模拟***模块的状态信息,根据无人潜航器自导***的工作流程要求,发送目标的距离、深度、方位和速度等状态信息给无人潜航器任务规划***进程模块;无人潜航器自导***进程模块在其每一个工作周期,读取目标模拟***进程模块提供的状态信息;虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期接收无人潜航器任务规划***进程模块提供的状态信息,并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块,并通过PCI Express总线将虚拟试验结果发送给上位机控制模块的虚拟试验平台总调度线程模块;虚拟试验平台总调度线程模块存储虚拟试验结果,同时将试验结果共享给虚拟试验视景生成线程模块;虚拟试验视景生成线程模块解析虚拟试验结果,得到虚拟试验二维与三维视景中所有模型与环境特效的参数信息,并产生视景生成数据,以数据驱动视景中无人潜航器模型和目标模型的运动以及各种环境特效的产生;如此循环,直至完成虚拟试验。
参见图4所示,当本发明的无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台初始化完毕后,加载无人潜航器中实际使用的任务规划***到数据加速处理卡中并运行;用户身份被确认后,通过虚拟试验平台操作界面激活无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验功能;高层体系结构HLA接口线程模块、虚拟试验平台总调度线程模块与无人潜航器任务规划***进程模块直接连通,屏障其它线程模块与进程模块的运行,由虚拟试验平台总调度线程存储虚拟试验结果;半实物虚拟试验进行过程中,完全由无人潜航器任务规划***进程模块控制试验流程,虚拟试验平台相当于无人潜航器分布仿真***中的任务规划模拟***;用户可通过虚拟试验平台操作界面结束无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验。
本实施例中,采用多块数据加速处理卡,可以加载多个无人潜航器中实际使用的任务规划***到不同的数据加速处理卡中并运行,进行多个无人潜航器任务规划***全数字的联合虚拟试验;试验方法和试验流程与进行单个无人潜航器任务规划***全数字的虚拟试验类似,需要建立卡与卡间的PCI Express总线数据传输通道,使得不同的无人潜航器***间可以不经由上位机控制模块直接进行数据交互,模拟无人潜航器间水中通信过程。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台,其特征在于:包括虚拟试验场景显示终端、虚拟试验用户操作终端、桌面式工作站、上位机控制模块以及无人潜航器模拟***模块;所述桌面式工作站包括了用于提供细腻清晰画面的PCI Express高性能图形加速处理卡、用于高速大容量试验数据存储的PCI Express磁盘阵列卡和多块用于模拟无人潜航器***的PCI Express数据加速处理卡,所述PCI Express数据加速处理卡基于多核处理器并模拟了无人潜航器中任务规划***与其它子***的运行模式和各个子***间的运行规程;所述上位机控制模块集成并运行于桌面式工作站中,所述无人潜航器模拟***模块集成并运行于桌面式工作站内的PCI Express数据加速处理卡中。
2.根据权利要求1所述的无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台,其特征在于:所述上位机控制模块具有多线程结构,包含了虚拟试验平台总调度线程模块、虚拟试验平台用户操作接口线程模块、高层体系结构HLA接口线程模块以及虚拟试验视景生成线程模块;当上位机控制模块初始化完毕后,虚拟试验平台总调度线程模块与其它线程模块分别创建相对独立的共享内存空间,采用异步通信方式进行线程间的数据交互;所述虚拟试验平台总调度线程模块在每一个工作周期,综合处理共享内存空间中各线程提供的状态信息,同时创建服务请求队列与无人潜航器模拟***模块以PCI Express总线协议进行数据交互。
3.根据权利要求2所述的无人潜航器任务规划***的虚拟试验平台,其特征在于:所述无人潜航器模拟***模块具有多进程结构,包含虚拟试验平台剧情规划进程模块、无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块、无人潜航器自导***进程模块和目标模拟***进程模块;在无人潜航器模拟***模块加载并初始化完毕后,所述虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期,综合处理来自上位机控制模块的服务请求队列,接收无人潜航器任务规划***进程模块的状态信息并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块,同时通过PCI Express总线将虚拟试验结果发送给上位机控制模块;所述无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块和无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期同步运行,由无人潜航器任务规划***进程模块控制虚拟试验过程的时间与空间一致性;所述无人潜航器自导***进程模块需要在每一个工作周期读取目标模拟***进程模块提供的状态信息。
4.一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验方法,其特征在于:初始化完毕后,加载无人潜航器中实际使用的任务规划***到数据加速处理卡中并运行;用户身份被确认后,在虚拟试验平台操作界面上填写本次虚拟试验的配置信息,包括虚拟试验报告、虚拟试验的剧情信息以及无人潜航器任务规划***的配置参数;虚拟试验平台的上位机控制模块检验所有配置信息的有效后,将配置信息通过PCI Express总线发送给无人潜航器模拟***模块;无人潜航器模拟***模块根据虚拟试验的配置信息,组织虚拟试验流程、加载无人潜航器任务规划***模块的配置参数并启动虚拟试验;无人潜航器任务规划***进程模块、动力学运动学解算***进程模块以及无人潜航器自导***进程模块之间以统一的虚拟试验周期同步运行,由无人潜航器任务规划***进程模块协调与控制虚拟试验时间与空间的一致性;动力学运动学解算***进程模块在虚拟试验进行过程中,每个工作周期解算广泛适用的运动方程组,将解算的无人潜航器状态信息在每个虚拟试验周期发送给无人潜航器任务规划***进程模块;目标模拟***进程模块根据虚拟试验平台剧情规划进程发送的虚拟试验流程信息,解算出虚拟试验中目标与无人潜航器相对的状态信息,并发送给无人潜航器自导***进程模块;无人潜航器自导***进程模块在每个工作周期接收来自目标模拟***模块的状态信息,根据无人潜航器自导***的工作流程要求,发送目标的距离、深度、方位和速度等状态信息给无人潜航器任务规划***进程模块;无人潜航器自导***进程模块在其每一个工作周期,读取目标模拟***进程模块提供的状态信息;虚拟试验平台剧情规划进程模块在每一个工作周期接收无人潜航器任务规划***进程模块提供的状态信息,并提供虚拟试验流程信息给目标模拟***进程模块,并通过PCI Express总线将虚拟试验结果发送给上位机控制模块的虚拟试验平台总调度线程模块;虚拟试验平台总调度线程模块存储虚拟试验结果,同时将试验结果共享给虚拟试验视景生成线程模块;虚拟试验视景生成线程模块解析虚拟试验结果,得到虚拟试验二维与三维视景中所有模型与环境特效的参数信息,并产生视景生成数据,以数据驱动视景中无人潜航器模型和目标模型的运动以及各种环境特效的产生;如此循环,直至完成虚拟试验。
5.一种无人潜航器任务规划***的虚拟试验方法,其特征在于:初始化完毕后,加载无人潜航器中实际使用的任务规划***到数据加速处理卡中并运行;用户身份被确认后,通过虚拟试验平台操作界面激活无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验功能;高层体系结构HLA接口线程模块、虚拟试验平台总调度线程模块与无人潜航器任务规划***进程模块直接连通,屏障其它线程模块与进程模块的运行,由虚拟试验平台总调度线程存储虚拟试验结果;在半实物虚拟试验进行过程中,完全由无人潜航器任务规划***进程模块控制试验流程,虚拟试验平台相当于无人潜航器分布仿真***中的任务规划模拟***;用户通过虚拟试验平台操作界面结束无人潜航器任务规划***的半实物虚拟试验。
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