一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于V‑REP平台的集群无人机系统并行仿真方法。利用局域网将多台电脑进行连接，组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V‑REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的仿真运行，在V‑REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行，并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行视景演示。将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。

A parallel simulation method of cluster UAV system based on v-rep platform

【技术实现步骤摘要】
一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法
本专利技术涉及集群无人机系统领域，更具体地，涉及一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法。
技术介绍
仿真技术是无人机集群系统研究领域的一个重要组成部分，随着无人机集群系统研究的不断深入和无人机集群系统领域的不断发展，集群无人机仿真系统作为集群无人机系统设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越重要的作用。由于集群无人机系统研究在展开实物实验时需要大量的实物器材和地域空间，耗费的经费也随之增加，因此，一般采用仿真方法来先期验证集群无人机系统的功能性能。通过构建仿真平台，在虚拟场景下进行无人机系统的协同作业，为分析评估提供实验数据，可以极大的节约科研经费和实验耗材，而且简单安全。在集群无人机系统的开发周期中，算法占据了很大部分，开发时间主要集中在系统集成，软件算法开发和性能优化上。通过仿真实验来研究无人机集群系统的各种性能和特点，已经是集群无人机系统理论研究必备的方法之一。同时，仿真实验结果也为制造无人机集群提供了有效的参考依据。目前，大多数仿真平台都是建立在Gazebo、V-REP、AirSim软件上，但是目前大规模集群无人机系统在进行物理模型仿真时，存在计算量大、仿真速度慢的问题。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术中大规模集群无人机系统在进行物理模型仿真时计算量大，仿真速度慢的缺陷，提供一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，利用局域网将多台电脑进行连接，组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V-REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的仿真运行，在V-REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行，并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行视景演示。集群无人机系统仿真平台是验证集群无人机系统的任务执行能力和集群控制能力等关键技术能力的基本手段。本专利技术所述的设计方法，可以支撑构建大规模集群无人机系统仿真验证平台，采用多台电脑进行联合并行仿真，有效的提高仿真速度，对于集群算法评估具有重要意义。进一步的，旋翼无人机模型和质点无人机模型的构建方法为：选用V-REP平台上的Quadricopter无人机仿真模型进行改进，旋翼无人机仿真模型在原有Quadricopter无人机仿真模型上构建外部控制函数，以便在MATLAB端进行控制输入；质点无人机模型则删除其控制算法，删减多余的组件，并将其设置为非动力学物体属性，但保持其可检测性。进一步的，中心服务器与各客户端的通信方法为：中心服务器在MATLAB端调用RemoteApi中的vrep.simxStart：'****',19999,true,true,5000,5函数通过局域网与各客户端电脑上V-REP进行连接，其中‘****’为各个客户端电脑上的IP地址。本专利技术方法能够将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。在进行大规模无人机模拟飞行时，中心服务器与多个客户端建立局域网，中心服务器与各客户端都打开V-REP软件，使用完全相同的环境场景信息，中心服务器采用remoteAPI控制每个客户端的仿真进程，为每个客户端分配一定数量的无人机模型飞行实体，各个客户端只负责本部分无人机仿真模型的实体计算，剩余的无人机用无动力学模型代替，并将无人机的状态信息以及传感器信息反馈到中心服务器；中心服务器收集到所有客户端的数据反馈后进行集中处理，在本机的V-REP端以无动力学特性的无人机模型显示所有无人机的仿真状态，同时在MATLAB上解算出控制指令后分发给各个客户端执行，广播所有无人机的位置信息。中心服务器广播所有无人机的位置信息和控制命令指令，客户端提取相应的控制命令指令作用于本端的无人机实体，非实体无人机模型仅提取位置信息进行更新。中心服务器负责协调各虚拟实体，显示所有无人机的仿真状态和整体场景信息，维护共享虚拟环境的一致性，有必要时中心服务器也可以模拟一部分实体无人机飞行，客户端则只负责实体的仿真计算和收集传感器的探测信息等任务。与现有技术相比，有益效果是：本专利技术提出的一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，将大规模集群无人机系统仿真计算量分配至多台电脑中，采取分布式并行仿真的方式，可以有效地提高大规模集群无人机系统仿真的速度。附图说明图1是本专利技术实施例中联合仿真构架示意图。图2是本专利技术实施例中实物仿真机群示意图。图3是本专利技术实施例中仿真效果示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制。实施例1：本专利技术的联合仿真架构，如图1所示，使用了5台电脑通过局域网的连接构建了一个并行仿真机群，如图2所示，实现了300架无人机的仿真实验，仿真效果如图3所示，其中红色为旋翼无人机仿真模型，绿色为质点无人机模型。应用本专利技术提出的并行仿真方法，包括以下步骤：步骤1：使用局域网将5台电脑进行连接，设置好相应的IP地址，组成一个联合仿真计算机群。步骤2：选用其中一台电脑为中心服务器，其余4台电脑作为客户端。在中心服务器上运行MATLAB，在V-REP上构建旋翼无人机仿真模型和质点无人机模型：选用V-REP平台上的Quadricopter无人机仿真模型进行改进，旋翼无人机仿真模型在原有Quadricopter无人机仿真模型上构建外部控制函数，质点无人机模型则删除其控制算法，删减不必要的组件，并将其设置为非动力学物体属性，但保持其可检测性。步骤3：将创建好的仿真环境拷贝到其余客户端电脑上。步骤4：中心服务器在MATLAB上调用RemoteApi函数库中的vrep.simxStart('****',19999,true,true,5000,5)函数与各客户端电脑上V-REP进行连接，其中‘****’设置为各个客户端电脑上的IP地址。步骤5：4个客户端分别分配75架旋翼无人机仿真模型，其余无人机设置为质点模型，中心服务器上无人机全部设置为质点无人机模型。步骤6：初始化中心服务器和各客户端上所有无人机位置。在中心服务器上运行算法并协调控制仿真进行。步骤7：仿真过程中各客户端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，利用局域网将多台电脑进行连接，组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V-REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的仿真运行，在V-REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行，并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行视景演示。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，利用局域网将多台电脑进行连接，组建成联合仿真机群，选择其中一台电脑为中心服务器，中心服务器上运行MATLAB程序和V-REP软件，在MATLAB程序上负责算法运算和协调整体的仿真运行，在V-REP软件上创建仿真环境；中心服务器将创建好的仿真环境拷贝至其余客户端电脑中，每台客户端电脑分别承担部分旋翼无人机的仿真飞行，并将飞行位姿信息通过remoteAPI周期发送至中心服务器，由中心服务器集中所有仿真无人机的位姿信息并以无物理模型的质点无人机模型在主显示屏上进行视景演示。


2.根据权利要求1所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，旋翼无人机模型和质点无人机模型的构建方法为：选用V-REP平台上的Quadricopter无人机仿真模型进行改进，旋翼无人机仿真模型在原有Quadricopter无人机仿真模型上构建外部控制函数，以便在MATLAB端进行控制输入；质点无人机模型则删除其控制算法，删减多余的组件，并将其设置为非动力学物体属性，但保持其可检测性。


3.根据权利要求1所述的基于V-REP平台的集群无人机系统并行仿真方法，其特征在于，中心服务器与各客户端的通信方法为：中心服务器在MATLAB端调用RemoteApi中的vrep.simxStart：'****',19999,true...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，成慧，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44