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技术方案

本发明专利技术涉及多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统，属于多自主体协同控制技术领域。链路模拟计算机与n台无人机模拟计算机在同一个局域网A内，链路模拟计算机能够与n台无人机模拟计算机中的任一台相互通信，同时n台无人机模拟计算机之间能够相互通信；链路模拟计算机与n台自动驾驶仪在另一个局域网B，链路模拟计算机能够与n台自动驾驶仪中的任一台相互通信。无人机模拟计算机与自动驾驶仪一一对应；每台自动驾驶仪采用分布式控制方式控制与其对应的无人机模拟计算机。本发明专利技术利用成熟的商业飞行模拟器软件模拟无人机，降低了实验成本和复杂度，并能获得尽可能高的仿真精度，自动驾驶仪在仿真回路能弥补纯软件仿真距离工程实际偏差大的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及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，属于多自主体协同控制

技术介绍
目前，无人机在各个领域的应用越来越广泛。但在实际中，众多无人机都是“各自为战”，相互之间无信息共享。随着无人机数量的急剧增长，空域将变得拥挤，多无人机分布式协同控制显得愈发重要。一方面可减轻操作员的工作负担，使操作员面向一群无人机下达指令，而不是面向单个无人机逐个下达指令。另一方面还可通过多无人机之间的协同来更高效地完成某些复杂任务。多无人机分布式协同控制是指多架无人机基于某种通信拓扑构成一个局域网络，网络中的各个无人机通过数据链路获取其所有相邻无人机的状态信息，再基于自身状态信息及相邻状态信息进行分布式计算的一种协同控制。多无人机分布式协同控制基于对等网络，不需要中央节点，网络结构鲁棒性高，近些年正获得广泛研究。实现多无人机之间的协同需要开发相应的协同控制算法，需要对算法进行验证，最直接方式就是用多架真实世界中的无人机进行验证，这种方式可直接验证算法的有效性，但实施过程复杂，实验成本也极其高昂，例如宾夕法尼亚州立大学GRASP实验室的多四旋翼编队飞行系统，仅图像定位设备就价值不菲。另一种方法是通过纯软件方式进行仿真，虽然实施过程相对简单且成本低廉，但很难精确地对整个硬件系统进行仿真，适合算法的初期研究。因此需要寻求一种既能有效降低成本，又能获得尽可能高精度且易于工程化的实验方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出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，用于对多无人机的协同控制算法进行实验和调试，相对于真实实验，能有效降低实验成本和复杂度，相对于纯软件仿真，能提高仿真精度，易于工程化。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术提出的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，其特征在于：其包括：n台无人机模拟计算机、1台链路模拟计算机和n台自动驾驶仪；其中，n≥1且n为正整数。链路模拟计算机与n台无人机模拟计算机在同一个局域网(用符号A表示)内，链路模拟计算机能够与n台无人机模拟计算机中的任一台相互通信，同时n台无人机模拟计算机之间能够相互通信；链路模拟计算机与n台自动驾驶仪在另一个局域网(用符号B表示)，链路模拟计算机能够与n台自动驾驶仪中的任一台相互通信。无人机模拟计算机与自动驾驶仪一一对应，即一台自动驾驶仪控制一台无人机模拟计算机。每台自动驾驶仪采用分布式控制方式控制与其对应的无人机模拟计算机，即每台自动驾驶仪基于自身状态以及相邻无人机模拟计算机的状态反馈控制与其对应的无人机模拟计算机。所述通信拓扑由待验证多无人机分布式协同控制算法提供。由于实时仿真需要同时传递大量数据，为减少数据碰撞，局域网A和局域网B为两个不同的局域网。所述无人机模拟计算机是安装运行了飞行模拟器软件的计算机。所述无人机模拟计算机的主要功能包括：①通过链路模拟计算机接收与所述无人机模拟计算机对应的自动驾驶仪发送来的无人机模型控制量；②无人机模拟计算机根据接收到的无人机模型控制量控制飞行模拟器软件中无人机模型运动，并得到无人机模型的状态信息。③将无人机模型的状态信息输出给链路模拟计算机。④每台无人机模拟计算机与其它无人机模拟计算机之间通信，向其它无人机模拟计算机发送自身无人机模型的状态信息，同时接受其它无人机模拟计算机中无人机模型的状态信息。所述无人机模拟计算机上的飞行模拟器软件优选AustinMeyer开发商开发的商业飞行模拟器软件X-Plane。所述链路模拟计算机安装了链路模拟软件。链路模拟计算机的主要功能包括：①从自动驾驶仪接收无人机模型控制量，并转发给与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机；②从无人机模拟计算机接收无人机模型的状态信息，并根据通信拓扑转发给所有自动驾驶仪。③在向所有自动驾驶仪转发无人机模型的状态信息的过程中，链路模拟计算机能够实时改变通信拓扑来模拟现实世界中无人机网络的通信拓扑。④用户通过链路模拟计算机在通信数据中人为添加噪声和延迟，用于仿真真实通信环境。所述自动驾驶仪的主要功能包括：根据接收到的所有无人机模型的状态信息，计算与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机中无人机模型控制量，并将其通过链路模拟计算机发送给对应的无人机模拟计算机。无人机模拟计算机到自动驾驶仪的状态信息传递是多对一的映射关系，具体的映射形式由通信拓扑决定。自动驾驶仪到无人机模拟计算机传递的是无人机模型控制量，是一对一的映射关系。使用所述多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统对待验证多无人机分布式协同控制算法进行仿真实验的具体过程为：步骤1：分别设置每台无人机模拟计算机的无人机模型参数、环境参数和网络参数；根据待验证多无人机分布式协同控制算法的通信拓扑、噪声强度和通信延迟参数设置链路模拟计算机的通信拓扑、噪声强度和通信延迟参数；在自动驾驶仪的控制器上实现待验证的分布式协同控制算法，并设置其参数。步骤2：估算局域网A以及局域网B中各自路由器的最小带宽，确定局域网A以及局域网B中的路由器。步骤3：每台无人机模拟计算机将自身无人机模型的状态信息发送给链路模拟计算机。步骤4：链路模拟计算机根据其分别在局域网A和局域网B的地址创建基于用户数据报协议(UserDiagramProtocol，UDP)的套接字(用符号a表示)和套接字(用符号b表示)。步骤5：套接字a和套接字b均启动各自的接收线程等待数据到来，其中，套接字a负责接收局域网A中各无人机模拟计算机发送过来的无人机模型的状态信息，套接字b负责接收局域网B中各自动驾驶仪发送过来的无人机模型控制量。步骤6：套接字a和套接字b接收到数据后写入各自缓存。步骤7：链路模拟计算机根据步骤1输入的通信拓扑、噪声强度和通信延迟参数对套接字a收到的无人机模型的状态信息进行实时处理，得到处理后的无人机模型状态信息。步骤8：链路模拟计算机利用套接字b，根据待验证多无人机分布式协同控制算法的通信拓扑，将处理后的无人机模型状态信息，发送给全部自动驾驶仪。步骤9：自动驾驶仪根据接收到的无人机模拟计算机中无人机模型的状态信息计算与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机中无人机模型控制量，并发送给套接字b。步骤10：链路模拟计算机将套接字b接收的无人机模型控制量利用套接字a发送到对应的无人机模拟计算机。步骤11：无人机模拟计算机实时显示协同控制仿真结果。有益效果本专利技术提出的多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统与已有技术相比较具有以下优点：①本专利技术利用成熟的商业飞行模拟器软件模拟无人机，降低了实验成本和复杂度，同时能获得尽可能高的仿真精度，自动驾驶仪在仿真回路也能弥补纯软件仿真距离工程实际偏差较大的缺陷。②本专利技术中的链路模拟计算机有很大自由度，可根据需要在通信数据中加入噪声、延迟以及控制网络的通信拓扑，来研究这些重要因素对协同控制算法稳定性的影响。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统的组成结构示意图；图2为本专利技术具体实施方式中由4架无人机组成的一个飞行编队的通信拓扑图。图3为本专利技术具体实施方式中4台无人机模拟计算机中的飞行模拟器的3D仿真结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：其包括：n台无人机模拟计算机、1台链路模拟计算机和n台自动驾驶仪；其中，n≥1且n为正整数；链路模拟计算机与n台无人机模拟计算机在同一个局域网A表示内，链路模拟计算机能够与n台无人机模拟计算机中的任一台相互通信，同时n台无人机模拟计算机之间能够相互通信；链路模拟计算机与n台自动驾驶仪在另一个局域网B，链路模拟计算机能够与n台自动驾驶仪中的任一台相互通信；无人机模拟计算机与自动驾驶仪一一对应，即一台自动驾驶仪控制一台无人机模拟计算机；每台自动驾驶仪采用分布式控制方式控制与其对应的无人机模拟计算机，即每台自动驾驶仪基于自身状态以及相邻无人机模拟计算机的状态反馈控制与其对应的无人机模拟计算机；所述通信拓扑由待验证多无人机分布式协同控制算法提供；由于实时仿真需要同时传递大量数据，为减少数据碰撞，局域网A和局域网B为两个不同的局域网；所述无人机模拟计算机是安装运行了飞行模拟器软件的计算机；所述无人机模拟计算机的主要功能包括：①通过链路模拟计算机接收与所述无人机模拟计算机对应的自动驾驶仪发送来的无人机模型控制量；②无人机模拟计算机根据接收到的无人机模型控制量控制飞行模拟器软件中无人机模型运动，并得到无人机模型的状态信息；③将无人机模型的状态信息输出给链路模拟计算机；④每台无人机模拟计算机与其它无人机模拟计算机之间通信，向其它无人机模拟计算机发送自身无人机模型的状态信息，同时接受其它无人机模拟计算机中无人机模型的状态信息；所述链路模拟计算机安装了链路模拟软件；链路模拟计算机的主要功能包括：①从自动驾驶仪接收无人机模型控制量，并转发给与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机；②从无人机模拟计算机接收无人机模型的状态信息，并根据通信拓扑转发给所有自动驾驶仪；③在向所有自动驾驶仪转发无人机模型的状态信息的过程中，链路模拟计算机能够实时改变通信拓扑来模拟现实世界中无人机网络的通信拓扑；④用户通过链路模拟计算机在通信数据中人为添加噪声和延迟，用于仿真真实通信环境；所述自动驾驶仪的主要功能包括：根据接收到的所有无人机模型的状态信 息，计算与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机中无人机模型控制量，并将其通过链路模拟计算机发送给对应的无人机模拟计算机。...

【技术特征摘要】
1.一种多无人机分布式协同的硬件在回路实时仿真实验系统，其特征在于：其包括：n台无人机模拟计算机、1台链路模拟计算机和n台自动驾驶仪；其中，n≥1且n为正整数；链路模拟计算机与n台无人机模拟计算机在同一个局域网A表示内，链路模拟计算机能够与n台无人机模拟计算机中的任一台相互通信，同时n台无人机模拟计算机之间能够相互通信；链路模拟计算机与n台自动驾驶仪在另一个局域网B，链路模拟计算机能够与n台自动驾驶仪中的任一台相互通信；无人机模拟计算机与自动驾驶仪一一对应，即一台自动驾驶仪控制一台无人机模拟计算机；每台自动驾驶仪采用分布式控制方式控制与其对应的无人机模拟计算机，即每台自动驾驶仪基于自身状态以及相邻无人机模拟计算机的状态反馈控制与其对应的无人机模拟计算机；通信拓扑由待验证多无人机分布式协同控制算法提供；由于实时仿真需要同时传递大量数据，为减少数据碰撞，局域网A和局域网B为两个不同的局域网；所述无人机模拟计算机是安装运行了飞行模拟器软件的计算机；所述无人机模拟计算机的主要功能包括：①通过链路模拟计算机接收与所述无人机模拟计算机对应的自动驾驶仪发送来的无人机模型控制量；②无人机模拟计算机根据接收到的无人机模型控制量控制飞行模拟器软件中无人机模型运动，并得到无人机模型的状态信息；③将无人机模型的状态信息输出给链路模拟计算机；④每台无人机模拟计算机与其它无人机模拟计算机之间通信，向其它无人机模拟计算机发送自身无人机模型的状态信息，同时接受其它无人机模拟计算机中无人机模型的状态信息；所述链路模拟计算机安装了链路模拟软件；链路模拟计算机的主要功能包括：①从自动驾驶仪接收无人机模型控制量，并转发给与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机；②从无人机模拟计算机接收无人机模型的状态信息，并根据通信拓扑转发给所有自动驾驶仪；③在向所有自动驾驶仪转发无人机模型的状态信息的过程中，链路模拟计算机能够实时改变通信拓扑来模拟现实世界中无人机网络的通信拓扑；④用户通过链路模拟计算机在通信数据中人为添加噪声和延迟，用于仿真真实通信环境；所述自动驾驶仪的主要功能包括：根据接收到的所有无人机模型的状态信息，计算与所述自动驾驶仪对应的无人机模拟计算机中无人机模型控制量，并将其通过链路模拟计算机发送给对应的无人机模拟计算机。2.如权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正杰，周峰，丛岳，董文明，曹昊哲，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11