CN110928200A - 一种面向无人机的虚实联动仿真试验***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种面向无人机的虚实联动仿真试验***及方法，***包括：实物端，用于识别真实环境中的目标信息；将目标信息发送至地面站；接收地面站发送的决策指令，以控制实物无人机的运行状态；地面站，用于接收实物端发送的目标信息；将目标信息发送至仿真端；接收仿真端发送的决策指令；将决策指令发送至实物端；仿真端，用于接收地面站发送的目标信息；根据目标信息调整自主***和相关算法；计算目标信息，得到决策指令，以控制仿真无人机的运行状态；将决策指令发送至地面站。本发明实施例有效减少了实物试验测试周期，减少了实物端处理器计算性能的消耗，降低了实物端处理器计算性能不足对试验的影响，提高了实物试验的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机仿真试验领域，具体涉及一种面向无人机的虚实联动仿真试验***及方法。
背景技术
随着无人机技术的发展及多元化应用的需求，在复杂环境下执行多任务的自主化无人机成为近年来无人机发展的重要趋势。自主化的需求对无人机自主控制策略提出了更高的要求，鉴于无人机使用者有限的预先规划能力，基于程序的自动控制策略已经不能满足未来自主化无人机在复杂环境下的多任务需求。
目前，***仿真是无人机自主控制***及其相关算法研究实现的主要途径。无人机自主控制***仿***要分为数字仿真和半物理仿真两类。无论是数字仿真还是半实物仿真，其相关成果需在实物无人机进行试验验证及应用。现有的方法是将相应控制***及相关算法移植到实物无人机的处理器(例如树莓派或者odroid)，根据实物试验测试效果再对自主控制***及相关算法进行调整再次迭代实物试验。由此会带来两大问题：一方面，迭代一次实物试验耗时巨大，需要先仿真调整验证，再进行***算法移植，而实物试验对环境敏感度高，不同环境会造成不同的试验测试结果差异，无法针对环境实时调整***及算法；另一方面，一般无人机的处理器计算性能差，试验效果不能真实体现***及相关算法性能。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种面向无人机的虚实联动仿真试验***及方法。
第一方面，本发明实施例提出一种面向无人机的虚实联动仿真试验***，包括：实物端、地面站和仿真端；其中，所述实物端和所述仿真端分别与所述地面站进行通信连接；
所述实物端，用于识别真实环境中的目标信息；将所述目标信息发送至所述地面站；接收所述地面站发送的决策指令，以控制实物无人机的运行状态；
所述地面站，用于接收所述实物端发送的所述目标信息；将所述目标信息发送至所述仿真端；接收所述仿真端发送的所述决策指令；将所述决策指令发送至所述实物端；
所述仿真端，用于接收所述地面站发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令，以控制仿真无人机的运行状态；将所述决策指令发送至所述地面站。
可选地，所述实物端包括：观察节点、实物通信发送节点、实物通信接收节点和实物飞控***；
所述观察节点，用于识别真实环境中的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述实物通信发送节点；
所述实物通信发送节点，用于接收所述观察节点发送的所述目标信息并将所述目标信息发送至所述地面站；
所述实物通信接收节点，用于接收所述地面站发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述实物飞控***；
所述实物飞控***，用于接收所述实物通信接收节点发送的所述决策指令，以控制实物无人机的运行状态。
可选地，所述实物端还包括：实物信息转换模块；
所述实物信息转换模块，用于将所述实物通信发送节点向所述地面站发送的rostopic格式的目标信息转换成FastRtps格式的目标信息；将所述地面站向所述实物通信接收节点发送的FastRtps格式的决策指令转换成rostopic格式的决策指令。
可选地，所述仿真端包括：仿真通信接收节点、决策节点、仿真通信发送节点和仿真飞控***；
所述仿真通信接收节点，用于接收所述地面站发送的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述决策节点；
所述决策节点，用于接收所述仿真通信接收节点发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令；将所述决策指令发送至所述仿真通信发送节点和所述仿真飞控***；
所述仿真通信发送节点，用于接收所述决策节点发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述地面站；
所述仿真飞控***用于接收所述决策节点发送的所述决策指令，以控制仿真无人机的运行状态。
可选地，所述仿真端还包括：仿真信息转换模块；
所述仿真信息转换模块，用于将所述地面站向所述仿真通信接收节点发送的所述FastRtps格式的目标信息转换成所述rostopic格式的目标信息；将所述仿真通信发送节点向所述地面站发送的所述rostopic格式的决策指令转换成所述FastRtps格式的决策指令。
可选地，其特征在于，所述目标信息包括：打击目标的位置信息、避障信息、环境信息和威胁区域信息中的至少一项。
可选地，所述决策指令包括：打击目标、避开障碍、检测环境和避开威胁区域中的至少一项。
可选地，所述实物端无线连接所述地面站。
可选地，所述仿真端有线连接所述地面站。
第二方面，本发明实施例还提出一种面向无人机的虚实联动仿真试验方法，包括：
所述实物端识别真实环境中的目标信息，并将所述目标信息发送至所述地面站；
所述地面站接收所述实物端发送的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述仿真端；
所述仿真端接收所述地面站发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令；且将所述决策指令发送至所述地面站；
所述地面站接收所述仿真端发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述实物端；
所述实物端接收所述地面站发送的决策指令。
由上述技术方案可知，本发明实施例实物端负责识别真实环境中的目标信息并传递目标信息，仿真端负责计算决策，虚实分工明确。仿真端可实时接收目标信息，并根据目标信息对自主***和相关算法进行调整；实物端无需调整，仿真端调整完毕后可快速进行新的试验迭代进行验证，有效减少了实物试验测试周期。整个试验过程中，实物端只负责识别真实环境中的目标信息并传递目标信息和接收决策指令进行相关行动，将计算资源消耗较大的自主***和相关算法放在仿真端，减少了实物端处理器计算性能的消耗，降低了实物端处理器计算性能不足对试验的影响，提高了实物试验的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种面向无人机的虚实联动仿真试验***的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的面向无人机的虚实联动仿真试验具体实施方案示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种面向无人机的虚实联动仿真试验方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
随着无人机技术的发展及多元化应用的需求，在复杂环境下执行多任务的自主化无人机成为近年来无人机发展的重要趋势。基于程序的自动控制策略已经不能满足未来自主化无人机在复杂环境下的多任务需求。自主飞行控制能力的提高将是未来无人机飞行控制***发展的主要目标。
无人机自主控制意味着能在线感知外部态势，并按预定的使命和原则在飞行中进行决策并自主执行任务。由于无人机现实飞行环境的高度动态性、不确定性和执行任务的复杂性，实时、临场决策与控制问题已成为自主无人机***研制面临的主要技术挑战。
图1示出了本实施例提供的一种面向无人机的虚实联动仿真试验***的结构示意图，包括：实物端11、地面站12和仿真端13；其中，所述实物端11和所述仿真端13分别与所述地面站12进行通信连接；
所述实物端11，用于识别真实环境中的目标信息；将所述目标信息发送至所述地面站12；接收所述地面站12发送的决策指令，以控制实物无人机的运行状态；
所述地面站12，用于接收所述实物端11发送的所述目标信息；将所述目标信息发送至所述仿真端13；接收所述仿真端13发送的所述决策指令；将所述决策指令发送至所述实物端11；
所述仿真端13，用于接收所述地面站12发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令，以控制仿真无人机的运行状态；将所述决策指令发送至所述地面站12。
在本发明实施例中，面向无人机的虚实联动仿真试验***中的虚是指仿真端13，实指的是实物端11。
在本发明实施例中，所述地面站12分别与所述实物端11(即实物无人机)和所述仿真端13(即仿真无人机)进行通信连接，以使得所述地面站12可以分别与所述实物端11和所述仿真端13进行数据传输。
所述实物端11识别到真实环境中的目标信息后，将所述目标信息发送至所述地面站12。所述地面站12接收到所述实物端11发送的所述目标信息后，将所述目标信息发送至所述仿真端13。所述仿真端13接收到所述地面站12发送的所述目标信息后，根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令，以用于控制所述仿真无人机的运行状态，并将所述决策指令发送至所述地面站12。所述地面站12接收到所述仿真端13发送的所述决策指令后，将所述决策指令发送至所述实物端11。所述实物端11接收所述地面站12发送的决策指令，以用于控制所述实物无人机的运行状态。
本发明实施例实物端11负责识别真实环境中的目标信息并传递目标信息，仿真端13负责计算决策，虚实分工明确。仿真端13可实时接收目标信息，并根据目标信息对自主***和相关算法进行调整；实物端11无需调整，仿真端13调整完毕后可快速进行新的试验迭代进行验证，有效减少了实物试验测试周期。整个试验过程中，实物端11只负责识别真实环境中的目标信息并传递目标信息和接收决策指令进行相关行动，将计算资源消耗较大的自主***和相关算法放在仿真端13，减少了实物端11处理器计算性能的消耗，降低了实物端处理器计算性能不足对试验的影响，提高了实物试验的准确性。
需要说明的是，在本发明实施例中，虚实两端选取相同操作***。实物四旋翼无人机odroid处理器安装linux操作***并在linux中安装ros(机器人操作***)。电脑客户端安装相同操作***，仿真采用ros自带的三维仿真引擎gazebo，仿真模型采用gazebo中自带的hector四旋翼无人机包。该模型具有与实物相近的动力学性态，实物无人机与仿真无人机均采用速度点导引飞控***。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述实物端11包括：观察节点、实物通信发送节点、实物通信接收节点和实物飞控***；
所述观察节点，用于识别真实环境中的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述实物通信发送节点；
所述实物通信发送节点，用于接收所述观察节点发送的所述目标信息并将所述目标信息发送至所述地面站；
所述实物通信接收节点，用于接收所述地面站发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述实物飞控***；
所述实物飞控***，用于接收所述实物通信接收节点发送的所述决策指令，以控制实物无人机的运行状态。
在本发明实施例中，所述观察节点、所述实物通信发送节点、所述实物通信接收节点和所述实物飞控***分别是如图2所示的实物端11中的观察节点、通信发送节点、通信接收节点和飞控***。
在本发明实施例中，所述观察节点识别到真实环境中的所述目标信息后，将所述目标信息发送至所述实物通信发送节点；所述实物通信发送节点接收到所述观察节点发送的所述目标信息后，将所述目标信息发送至所述地面站；所述实物通信接收节点接收到所述地面站发送的所述决策指令后，将所述决策指令发送至所述实物飞控***；所述实物飞控***接收到所述实物通信接收节点发送的所述决策指令后，控制实物无人机的运行状态。
本发明实施例实物端11只负责识别真实环境中的目标信息并传递目标信息和接收决策指令进行相关行动，将计算资源消耗较大的自主***和相关算法放在仿真端13，减少了实物端11处理器计算性能的消耗，降低了实物端处理器计算性能不足对试验的影响，提高了实物试验的准确性。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述实物端还包括：实物信息转换模块；
所述实物信息转换模块，用于将所述实物通信发送节点向所述地面站发送的rostopic格式的目标信息转换成FastRtps格式的目标信息；将所述地面站向所述实物通信接收节点发送的FastRtps格式的决策指令转换成rostopic格式的决策指令。
在本发明实施例中，实物端11和仿真端13内部信息类型均以rostopic信息类型进行发送接收，虚实两端(即实物端11和仿真端13)采用FastRtps通信模式。同时在实物端11和仿真端13设计可以将FastRtps信息格式与rostopic信息格式进行转换的实物信息转换模块。
在本发明实施例中，所述实物信息转换模块将所述实物通信发送节点向所述地面站发送的rostopic格式的目标信息转换成FastRtps格式的目标信息；将所述地面站向所述实物通信接收节点发送的FastRtps格式的决策指令转换成rostopic格式的决策指令。
本发明实施例通过实物信息转换模块可以将rostopic格式的目标信息转换成FastRtps格式的目标信息，也可以将FastRtps格式的目标信息转换成rostopic格式的目标信息，可以根据实际需求，将目标信息转换成需要的格式，利于信息的传输。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述仿真端包括：仿真通信接收节点、决策节点、仿真通信发送节点和仿真飞控***；
所述仿真通信接收节点，用于接收所述地面站发送的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述决策节点；
所述决策节点，用于接收所述仿真通信接收节点发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令；将所述决策指令发送至所述仿真通信发送节点和所述仿真飞控***；
所述仿真通信发送节点，用于接收所述决策节点发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述地面站；
所述仿真飞控***用于接收所述决策节点发送的所述决策指令，以控制仿真无人机的运行状态。
在本发明实施例中，所述仿真通信接收节点、所述决策节点、所述仿真通信发送节点和所述仿真飞控***分别是如图2所示的仿真端13中的通信接收节点、决策节点、通信发送节点和飞控***。
在本发明实施例中，所述仿真通信接收节点接收到所述地面站发送的所述目标信息后，将所述目标信息发送至所述决策节点；所述决策节点接收到所述仿真通信接收节点发送的所述目标信息后，根据所述目标信息调整自主***和相关算法，计算所述目标信息，得到所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述仿真通信发送节点和所述仿真飞控***；所述仿真通信发送节点接收到所述决策节点发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述地面站；所述仿真飞控***接收到所述决策节点发送的所述决策指令后，控制仿真无人机的运行状态。
本发明实施例仿真端13可实时接收目标信息，并根据目标信息对自主***和相关算法进行调整；实物端11无需调整，仿真端13调整完毕后可快速进行新的试验迭代进行验证，有效减少了实物试验测试周期。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述仿真端还包括：仿真信息转换模块；
所述仿真信息转换模块，用于将所述地面站向所述仿真通信接收节点发送的所述FastRtps格式的目标信息转换成所述rostopic格式的目标信息；将所述仿真通信发送节点向所述地面站发送的所述rostopic格式的决策指令转换成所述FastRtps格式的决策指令。
在本发明实施例中，在实物端11和仿真端13设计可以将FastRtps信息格式与rostopic信息格式进行转换的仿真信息转换模块。
在本发明实施例中，所述仿真信息转换模块将所述地面站向所述仿真通信接收节点发送的所述FastRtps格式的目标信息转换成所述rostopic格式的目标信息；将所述仿真通信发送节点向所述地面站发送的所述rostopic格式的决策指令转换成所述FastRtps格式的决策指令。
本发明实施例通过仿真信息转换模块可以将rostopic格式的目标信息转换成FastRtps格式的目标信息，也可以将FastRtps格式的目标信息转换成rostopic格式的目标信息，可以根据实际需求，将目标信息转换成需要的格式，利于信息的传输。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述目标信息包括：打击目标的位置信息、避障信息、环境信息和威胁区域信息中的至少一项。
在本发明实施例中，所述目标信息包括：打击目标的位置信息、避障信息、环境信息和威胁区域信息中的至少一项。
本发明实施例中的上述目标信息是仿真端13计算决策指令的依据。实物端11只负责识别真实环境中的目标信息并传递目标信息以及接收决策指令，减少了实物端处理器计算性能的消耗，降低了实物端处理器计算性能不足对试验的影响，提高了实物试验的准确性。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述决策指令包括：打击目标、避开障碍、检测环境和避开威胁区域中的至少一项。
在本发明实施例中，所述决策指令包括：打击目标、避开障碍、检测环境和避开威胁区域中的至少一项。
本发明实施例通过决策指令控制仿真无人机和实物无人机的运行状态。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述实物端无线连接所述地面站。
在本发明实施例中，所述实物端11无线连接所述地面站12。
本发明实施例中所述实物端11无线连接所述地面站12，以进行数据传输。
进一步地，在上述***实施例的基础上，所述仿真端有线连接所述地面站。
在本发明实施例中，所述仿真端13有线连接所述地面站12。
本发明实施例中所述仿真端12有线连接所述地面站12，以进行数据传输。
图3示出了本实施例提供的一种面向无人机的虚实联动仿真试验方法的流程示意图，包括：
S31，所述实物端识别真实环境中的目标信息，并将所述目标信息发送至所述地面站；
S32，所述地面站接收所述实物端发送的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述仿真端；
S33，所述仿真端接收所述地面站发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令；且将所述决策指令发送至所述地面站；
S34，所述地面站接收所述仿真端发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述实物端；
S35，所述实物端接收所述地面站发送的决策指令。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
应说明的是：以上实施例仅用以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 (10)
1.一种面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，包括：实物端、地面站和仿真端；其中，所述实物端和所述仿真端分别与所述地面站进行通信连接；
所述实物端，用于识别真实环境中的目标信息；将所述目标信息发送至所述地面站；接收所述地面站发送的决策指令，以控制实物无人机的运行状态；
所述地面站，用于接收所述实物端发送的所述目标信息；将所述目标信息发送至所述仿真端；接收所述仿真端发送的所述决策指令；将所述决策指令发送至所述实物端；
所述仿真端，用于接收所述地面站发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令，以控制仿真无人机的运行状态；将所述决策指令发送至所述地面站。
2.根据权利要求1所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述实物端包括：观察节点、实物通信发送节点、实物通信接收节点和实物飞控***；
所述观察节点，用于识别真实环境中的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述实物通信发送节点；
所述实物通信发送节点，用于接收所述观察节点发送的所述目标信息并将所述目标信息发送至所述地面站；
所述实物通信接收节点，用于接收所述地面站发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述实物飞控***；
所述实物飞控***，用于接收所述实物通信接收节点发送的所述决策指令，以控制实物无人机的运行状态。
3.根据权利要求2所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述实物端还包括：实物信息转换模块；
所述实物信息转换模块，用于将所述实物通信发送节点向所述地面站发送的rostopic格式的目标信息转换成FastRtps格式的目标信息；将所述地面站向所述实物通信接收节点发送的FastRtps格式的决策指令转换成rostopic格式的决策指令。
4.根据权利要求1所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述仿真端包括：仿真通信接收节点、决策节点、仿真通信发送节点和仿真飞控***；
所述仿真通信接收节点，用于接收所述地面站发送的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述决策节点；
所述决策节点，用于接收所述仿真通信接收节点发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令；将所述决策指令发送至所述仿真通信发送节点和所述仿真飞控***；
所述仿真通信发送节点，用于接收所述决策节点发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述地面站；
所述仿真飞控***用于接收所述决策节点发送的所述决策指令，以控制仿真无人机的运行状态。
5.根据权利要求4所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述仿真端还包括：仿真信息转换模块；
所述仿真信息转换模块，用于将所述地面站向所述仿真通信接收节点发送的所述FastRtps格式的目标信息转换成所述rostopic格式的目标信息；将所述仿真通信发送节点向所述地面站发送的所述rostopic格式的决策指令转换成所述FastRtps格式的决策指令。
6.根据权利要求1-5任一项所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述目标信息包括：打击目标的位置信息、避障信息、环境信息和威胁区域信息中的至少一项。
7.根据权利要求1-5任一项所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述决策指令包括：打击目标、避开障碍、检测环境和避开威胁区域中的至少一项。
8.根据权利要求1所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述实物端无线连接所述地面站。
9.根据权利要求1所述的面向无人机的虚实联动仿真试验***，其特征在于，所述仿真端有线连接所述地面站。
10.一种面向无人机的虚实联动仿真试验方法，其特征在于，包括：
所述实物端识别真实环境中的目标信息，并将所述目标信息发送至所述地面站；
所述地面站接收所述实物端发送的所述目标信息，并将所述目标信息发送至所述仿真端；
所述仿真端接收所述地面站发送的所述目标信息；根据所述目标信息调整自主***和相关算法；计算所述目标信息，得到所述决策指令；且将所述决策指令发送至所述地面站；
所述地面站接收所述仿真端发送的所述决策指令，并将所述决策指令发送至所述实物端；
所述实物端接收所述地面站发送的决策指令。
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