專利名稱：多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型無人機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域、嵌入式技術(shù)領(lǐng)域、W1-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，具體來說，涉及多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證方法與裝置。
背景技術(shù)：
無人機(jī)是現(xiàn)代科技發(fā)展的產(chǎn)物，在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事上，它可作為空中偵察平臺和武器平臺，通過攜帶不同的設(shè)備，執(zhí)行偵察監(jiān)視、對地攻擊、電子干擾、通信中繼、目標(biāo)定位、攻擊損傷有效評估等任務(wù)。無人機(jī)在民用方面也大有可為，它可用于氣象探測、公路巡視、勘探測繪、水災(zāi)監(jiān)視、電力線路查巡、森林火災(zāi)防救等。多個(gè)無人機(jī)協(xié)同運(yùn)動時(shí)可以分散攜帶不同種類和數(shù)量的任務(wù)載荷和電子設(shè)備，完成單個(gè)UAV無法實(shí)現(xiàn)的通訊中繼、高精度定位、對地攻擊、多角度三維立體成像等任務(wù)，使其系統(tǒng)的綜合效能和任務(wù)執(zhí)行的冗余性能得到大幅提升。目前，多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的技術(shù)需要認(rèn)真地進(jìn)行研究，以實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以仿真為輔助的研究工作需要不斷地循環(huán)深化，以更好的適應(yīng)未來作戰(zhàn)需求。無人直升機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)大致可以分成三大類:以單片機(jī)、數(shù)字信號處理器(DSP)為核心的飛行控制計(jì)算機(jī)；以專用嵌入式微處理器為核心的飛行控制計(jì)算機(jī)；以PC104工控機(jī)為核心的飛行控制計(jì)算機(jī)。DSP在一些通用性的應(yīng)用方面與CPU有所差異，一般很少用到嵌入式操作系統(tǒng)，也缺乏一些通用的應(yīng)用軟件的支持，因此不利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計(jì)，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多線程任務(wù)處理；ARM處理器體積小，性能強(qiáng)，功耗低，易移植操作系統(tǒng)，但是在無人機(jī)應(yīng)用方面需要選擇高端ARM，同時(shí)需要采用協(xié)控制器分擔(dān)部分計(jì)算量。PC104總線已廣泛用于雷達(dá)、聲吶、工業(yè)控制等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其優(yōu)勢愈見明顯。在硬件方面，PC104嵌入式系統(tǒng)模塊以針孔堆疊方式組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗震性好、可以靈活地?cái)U(kuò)展各種功能卡等優(yōu)點(diǎn)，可以工作在惡劣的工作環(huán)境下，與PCI標(biāo)準(zhǔn)兼容，適于高速數(shù)據(jù)傳輸；軟件方面，無論是商業(yè)版的WinCE還是免費(fèi)版的Linux等眾多的操作系統(tǒng)都對其有很好的支持。傳統(tǒng)的無人機(jī)群控仿真平臺通過RS422/485或CAN總線等有線方式與主控平臺相連，使得主控平臺能夠一方面對控制器發(fā)送位置控制指令，另一方面能夠采集到無人機(jī)位置信息判斷是否到達(dá)指定位置。這樣，無人機(jī)的增加對布線的成本與難度均有較大的影響。同時(shí)，在無人機(jī)編隊(duì)的實(shí)際飛行過程中，各機(jī)之間要進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，傳統(tǒng)的串行總線(如RS422/485或CAN總線)只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，無人機(jī)與無人機(jī)之間無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，不能對實(shí)際飛行狀態(tài)進(jìn)行仿真。因此，在多無人機(jī)控制系統(tǒng)中增加多對多的通信方式，從而實(shí)現(xiàn)各機(jī)信息共享是十分必要的。W1-Fi的頻段在世界范圍內(nèi)是無需任何電信運(yùn)營執(zhí)照的，因此為WLAN無線設(shè)備提供了一個(gè)世界范圍內(nèi)可以使用的，費(fèi)用極其低廉而且數(shù)據(jù)帶寬極高的無線空中接口。可以直接讓W(xué)1-Fi部分模塊化，處理起來方便，而且模塊可以直接拆卸，對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和具體的耗損也有很大 幫助。但目前沒有成熟技術(shù)方案的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，降低仿真系統(tǒng)的功耗和體積，解決多機(jī)系統(tǒng)布線成本過高以及各機(jī)交互通信的問題，提高仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證裝置，由模型通用計(jì)算機(jī)、主控計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、無線AP/路由器以及W1-Fi無線通信模塊組成，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為無人機(jī)控制器，主控計(jì)算機(jī)以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的CPU均通過串口連接W1-Fi無線通信模塊，并通過無線AP/路由器進(jìn)行通信，無線AP/路由器與主控計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)線連接；主控計(jì)算機(jī)通過無線AP/路由器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的W1-Fi無線通信模塊連接到模型通用計(jì)算機(jī)，對無人機(jī)進(jìn)行初始姿態(tài)校準(zhǔn)以及發(fā)送任務(wù)信息，同時(shí)采集各機(jī)的姿態(tài)與位置信息，發(fā)現(xiàn)問題后，自動發(fā)送懸停信息，待處理完緊急情況后，通過命令恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；模型通用計(jì)算機(jī)通過串口與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，間接地接入網(wǎng)絡(luò)，一方面接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的初始信息以及開始運(yùn)行指令，另一方面還需要將無人機(jī)的姿態(tài)信息通過無線模塊傳回主控計(jì)算機(jī)；視景顯示計(jì)算機(jī)通過串口連接W1-Fi模塊，以無線方式連入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，接收無線AP/路由器轉(zhuǎn)發(fā)的各機(jī)姿態(tài)與位·置信息，實(shí)時(shí)地在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。無論主無人機(jī)還是從無人機(jī)均對應(yīng)一個(gè)模型通用計(jì)算機(jī)，由模型通用計(jì)算機(jī)中的模型來表示主機(jī)或從機(jī)，即一臺模型計(jì)算機(jī)代表一個(gè)無人機(jī)，每個(gè)模型通用計(jì)算機(jī)都對應(yīng)著一個(gè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證，借助于前述裝置實(shí)現(xiàn)，并包括如下步驟:利用主控計(jì)算機(jī)首先對AP路由器以及各個(gè)W1-Fi無線模塊進(jìn)行配置，通過握手協(xié)議測試與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的無線連接，如不能成功連接，檢查連接方式以及配置是否出錯(cuò)；通信正常后，主控計(jì)算機(jī)通過AP路由器以廣播的形式發(fā)出各無人機(jī)的初始位置及姿態(tài)信息，W1-Fi無線模塊接收到信息后，通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的第2個(gè)串口將數(shù)據(jù)傳給模型通用計(jì)算機(jī)，用于初始對準(zhǔn)；主控計(jì)算機(jī)發(fā)出編隊(duì)形式以及任務(wù)指令，主機(jī)接收到指令后，首先保持懸停狀態(tài)，向各從機(jī)發(fā)出位置信息，從機(jī)控制器根據(jù)由無線接收到的主機(jī)以及其他從機(jī)的位置信息，運(yùn)行導(dǎo)航控制算法，通過改變輸出控制量，調(diào)整其姿態(tài)與位置，當(dāng)各從機(jī)到達(dá)編隊(duì)要求指定位置后，主機(jī)根據(jù)路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出一條到達(dá)指定地點(diǎn)的最優(yōu)路徑，向目標(biāo)飛行的同時(shí)，將自身位置信息傳給各從機(jī)；在協(xié)同飛行過程中，從機(jī)保持與主機(jī)以及其他從機(jī)位置相對不變；到達(dá)指定地點(diǎn)后，開始執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)完成后，需要向主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)完成信號，然后等待新的任務(wù)；若有新的任務(wù)，則重新規(guī)劃路徑，當(dāng)接收到結(jié)束指令時(shí)，各無人機(jī)返回初始位置；在整個(gè)運(yùn)行過程中，主機(jī)和從機(jī)需要時(shí)刻向主控計(jì)算機(jī)發(fā)出其位置和姿態(tài)信息，由主控機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，其中，采用模型通用計(jì)算機(jī)中的模型來表示主機(jī)或從機(jī)。還包括如下子步驟:在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行兩個(gè)線程，一個(gè)是W1-Fi通信線程，用于實(shí)現(xiàn)控制器與主控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；另一個(gè)是控制算法線程，用于對模型的控制；當(dāng)主控計(jì)算機(jī)通過AP無線路由器發(fā)送信息時(shí)，用于連接W1-Fi模塊的串口發(fā)生中斷，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)此時(shí)通過讀取該串口，獲得初始位置信息以及任務(wù)指令，同時(shí)將信息寫入線程間公共的數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)；控制算法線程讀取數(shù)據(jù)存儲區(qū)，將指令發(fā)送給模型通用計(jì)算機(jī)，通過串口接收控制偏差以及無人機(jī)的位置與姿態(tài)信息，根據(jù)算法對偏差進(jìn)行計(jì)算，得到控制量，用于對模型進(jìn)行控制，無人機(jī)的位置與姿態(tài)信息則寫入數(shù)據(jù)區(qū)，由W1-Fi通信線程以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)以及其他無人機(jī)。在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的具體步驟還包括:首先利用主機(jī)連接的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)指令以及已知的威脅分布和Voronoi圖的性質(zhì)構(gòu)造Voronoi圖,然后建立威脅模型，在Voronoi圖的基礎(chǔ)上計(jì)算出加權(quán)無向圖,接著利用圖論的Di jkstra最短航跡搜索算法，實(shí)時(shí)地搜索出最優(yōu)航跡，控制主機(jī)向目標(biāo)飛行，并向從機(jī)發(fā)出自身的位置信息；從機(jī)連接的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的主機(jī)位置，按照編隊(duì)構(gòu)型，采用反步控制方法對自身的位置與姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行軌跡跟蹤控制，使該從機(jī)與主機(jī)以及其它從機(jī)位置保持相對不變，進(jìn)而形成期望的編隊(duì)構(gòu)型，直至完成編隊(duì)任務(wù)，主機(jī)連接的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)以及威脅分布情況運(yùn)行路徑規(guī)劃算法，找出一條最優(yōu)的路徑，決定多無人機(jī)飛行的編隊(duì)構(gòu)型，并且控制主機(jī)沿著最優(yōu)路徑向目的地飛行，從機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)則根據(jù)主機(jī)的位置，通過反步控制方法調(diào)整自身的位置與姿態(tài)，對主機(jī)進(jìn)行軌跡跟蹤，從而形成期望的編隊(duì)構(gòu)型。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果:社會效益:此項(xiàng)發(fā)明對于多無人機(jī)協(xié)同控制方法的研究和發(fā)展具有十分重要的意義。該項(xiàng)發(fā)明具有國際先進(jìn)水平，它可以作為無人直升機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行研究的試驗(yàn)平臺，進(jìn)而有助于推動多機(jī)控制理論的發(fā)展，仿真結(jié)果不僅可以為無人直升機(jī)編隊(duì)控制系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)為多機(jī)編隊(duì)飛行控制理論的發(fā)展提供一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺。經(jīng)濟(jì)效益:無人機(jī)由于具有尺寸小、機(jī)動性高、造價(jià)低以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同可以提高執(zhí)行任務(wù)的成功率和抗突發(fā)事件的能力，在軍事和民用方面具有很大的潛在價(jià)值。該發(fā)明針對小型無人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以為多機(jī)控制方法提供驗(yàn)證平臺，解決軌跡優(yōu)化及跟蹤控制問題，而且能夠?yàn)槎酂o人機(jī)編隊(duì)協(xié)同控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)，避免不必要的經(jīng)費(fèi)投入。該發(fā)明能夠顯著地降低系統(tǒng)早期的開發(fā)成本，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。


附圖1基于PC104及W1-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的多無人機(jī)仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。附圖2 PC104控制器結(jié)構(gòu)框圖。附圖3系統(tǒng)工作流程圖。附圖4主控機(jī)程序流程圖。附圖5 PC104工控機(jī)控制程序流程圖。附圖6 xPC模型計(jì)算機(jī)程序流程圖。附圖7無線網(wǎng)絡(luò)配置流程圖。附圖8無人機(jī)編隊(duì)軌跡跟蹤控制結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式選擇串口 W1-Fi無線網(wǎng)絡(luò)作為無人機(jī)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，解決了多機(jī)系統(tǒng)布線成本過高以及各機(jī)交互通信的問題。
本發(fā)明就是通過采用PC104工控機(jī)，并結(jié)合W1-Fi無線通信技術(shù)發(fā)明了一種基于W1-Fi網(wǎng)絡(luò)的多無人機(jī)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以降低各個(gè)無人機(jī)之間的連接復(fù)雜度，便于系統(tǒng)開發(fā)，同時(shí)可以使無人機(jī)之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，使仿真環(huán)境更加接近于實(shí)際飛行情況。本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種能夠支持多無人機(jī)從編隊(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)到實(shí)時(shí)仿真測試的仿真與驗(yàn)證平臺。本發(fā)明采用PC104工控機(jī)作為無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)，不僅降低了系統(tǒng)的功耗和體積，而且可擴(kuò)展性強(qiáng)，硬件平臺支持后期開發(fā)各種應(yīng)用程序。采用的Linux嵌入式操作系統(tǒng)支持多線程任務(wù)和應(yīng)用程序的開發(fā)，通過W1-Fi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)主控平臺與主機(jī)以及主機(jī)與從機(jī)通訊，解決了多機(jī)系統(tǒng)布線成本過高以及各機(jī)交互通信的問題，還提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明通過模型計(jì)算機(jī)構(gòu)建無人機(jī)的動力學(xué)以及環(huán)境模型，PC104工控機(jī)一方面通過串口與模型計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，另一方面通過串口連接W1-Fi無線通信模塊。本發(fā)明功能與特點(diǎn)如下:(I)基于W1-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的多無人機(jī)控制系統(tǒng)將PC104工控機(jī)、模型計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)以及系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)，通過W1-Fi網(wǎng)絡(luò)連接在一起。該系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的有線連接方式，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。(2)該系統(tǒng)采用GainSpan系列的GSlOll無線模塊，通過串口實(shí)現(xiàn)廣播式組網(wǎng)。PC104工控機(jī)以及視景顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)部的CPU均通過串口連接W1-Fi模塊，各部分之間通過無線AP/路由器進(jìn)行通信。無線AP/路由器與系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)線連接，使控制信號最終傳至PC104工控機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方式選為廣播方式。采用這種基于UDP廣播的組網(wǎng)方式，使得多無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同任務(wù)時(shí)，各無人機(jī)單元能夠排除干擾，在復(fù)雜的條件下協(xié)調(diào)完成作戰(zhàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間的快速、無縫的連接。(3)系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線連接無線AP/路由器，對無人機(jī)進(jìn)行初始姿態(tài)校準(zhǔn)以及發(fā)送任務(wù)信息，同時(shí)采集各機(jī)的姿態(tài)與位置信息，發(fā)現(xiàn)問題后，自動發(fā)送懸停信息，待處理完緊急情況后，可以通過命令恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。(4)模型計(jì)算機(jī)通過串口與PC104工控機(jī)進(jìn)行連接，間接地接入網(wǎng)絡(luò)，一方面接收系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的初始信息以及開始運(yùn)行指令，另一方面還需要將無人機(jī)的姿態(tài)信息通過PC104工控機(jī)上外接的W1-Fi無線模塊傳回系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)。(5)視景 顯示計(jì)算機(jī)通過串口連接W1-Fi模塊，以無線方式連入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。接收無線AP/路由器轉(zhuǎn)發(fā)的各機(jī)姿態(tài)與位置信息，實(shí)時(shí)地在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。本發(fā)明的技術(shù)方案是:基于PC104及W1-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證平臺，由模型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)、PC104工控機(jī)、無線AP/路由器以及W1-Fi無線通信模塊組成。模型計(jì)算機(jī)采用xPC仿真環(huán)境，運(yùn)行單架無人機(jī)動力學(xué)以及環(huán)境模型；系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)指令，并監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；視景顯示計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行視景顯示；PC104工控機(jī)運(yùn)行飛行控制算法，實(shí)現(xiàn)對單架無人機(jī)的控制；無線AP/路由器作為系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)信息交換；Wi_Fi無線通信模塊使有線通信方式轉(zhuǎn)為無線連接。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線與無線AP/路由器進(jìn)行連接，以廣播的形式向各個(gè)W1-Fi模塊發(fā)出初始對準(zhǔn)信息以及任務(wù)指令。在系統(tǒng)工作前，需通過串口向W1-Fi模塊寫入AT命令對所有的W1-Fi模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定與工作模式設(shè)定。PC104工控機(jī)接收到系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令后，通過串口對模型計(jì)算機(jī)進(jìn)行任務(wù)分配，無人機(jī)組包括一架主無人機(jī)以及多架從無人機(jī)，主機(jī)控制器要根據(jù)無人機(jī)與目標(biāo)之間相對距離和方位的大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)無人機(jī)的控制量，同時(shí)向從機(jī)發(fā)出自身的位置信息，從機(jī)控制器接收到主機(jī)的位置以及各從機(jī)的位置后，按照事先約定的編隊(duì)方式向?qū)?yīng)的從機(jī)輸出控制量。模型計(jì)算機(jī)中接收到控制量后，通過模型返回?zé)o人機(jī)的姿態(tài)與位置信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。PC104工控機(jī)對返回的信息與期望值求偏差，重新計(jì)算控制量，使偏差逐漸減小，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的協(xié)同飛行控制。視景顯示計(jì)算機(jī)接收無線AP/路由器轉(zhuǎn)發(fā)的各機(jī)姿態(tài)與位置信息，將各機(jī)的姿態(tài)與位置實(shí)時(shí)地在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。任務(wù)指令完成后，需要向系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)完成信號，然后等待新的任務(wù)。若有新的任務(wù)，則重新規(guī)劃路徑，當(dāng)接收到結(jié)束指令時(shí)，各無人機(jī)返回初始位置。另一方面，在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過程中，PC104工控機(jī)通過串口采集到主機(jī)和從機(jī)的飛行姿態(tài)和位置信息后，需要時(shí)刻通過W1-Fi無線模塊將這些信息以無線的方式發(fā)送給系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)，由系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)根據(jù)約束條件對各機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過這些信息判斷系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，若出現(xiàn)異常，則停止系統(tǒng)的運(yùn)行。 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

參見圖1，多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證平臺總體結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，系統(tǒng)由模型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)、視景計(jì)算機(jī)、PC104工控機(jī)、無線AP/路由器以及W1-Fi無線通信模塊組成。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)以及模型計(jì)算機(jī)采用通用計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線直接與無線AP/路由器連接，首先需要對路由器的IP地址及端口地址進(jìn)行分配，然后與各W1-Fi無線模塊進(jìn)行通信連接，成功后，需要發(fā)出任務(wù)指令，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要對其進(jìn)行監(jiān)控。無線AP/路由器作為系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各部分的信息交換，W1-Fi采用GainSpan系列的GSlOll無線模塊,每臺無人機(jī)模型計(jì)算機(jī)均需通過一個(gè)PC104工控機(jī)接入無線網(wǎng)絡(luò)。視景計(jì)算機(jī)用于進(jìn)行實(shí)時(shí)視景顯示。PC104工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對模型的控制，采用研華公司的PCM-3343Z256A1E，主頻為800MHz，板上集成4個(gè)串口，本發(fā)明用到了其中的兩個(gè)串口，其中一個(gè)串口用于連接模型計(jì)算機(jī)，另外一個(gè)串口用于連接W1-Fi無線模塊。PC104工控機(jī)一方面要把系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的初始信息以及任務(wù)指令發(fā)給模型計(jì)算機(jī)，而且要把通過串口采集到無人機(jī)的飛行姿態(tài)通過W1-Fi無線模塊將這些信息以廣播的方式發(fā)送給系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)以及視景計(jì)算機(jī)。參見圖2，為PC104控制器結(jié)構(gòu)框圖。PC104主處理器模塊CPU采用DM&P公司的X86架構(gòu)處理器Vortex86DX，主頻高，通用性好。具有四個(gè)UART接口，其中串口 1_3為RS232連接，串口 4為RS232/422/485可選方式。本發(fā)明用到了其中的串口 1-3，UARTl用于和W1-Fi無線模塊進(jìn)行連接，UART2用于和xPC模型計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，UART3用于進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)擴(kuò)展了 256MB的SDRAM，作為系統(tǒng)的動態(tài)存儲器；通過外部SPI總線擴(kuò)展4MB的flash存儲器，用于運(yùn)行應(yīng)用程序。CPU通過PATA總線外擴(kuò)CF卡接口，本發(fā)明選用金士頓公司生產(chǎn)的133倍速的4G CF卡作為嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序的載體。通過PCI總線擴(kuò)展了 2個(gè)快速以太網(wǎng)接口，利用交叉網(wǎng)線與調(diào)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，與調(diào)試串口共同組成系統(tǒng)的交叉開發(fā)環(huán)境。參見圖3，為系統(tǒng)工作流程圖。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)首先對AP路由器以及各個(gè)W1-Fi無線模塊進(jìn)行配置，通過握手協(xié)議測試與PC104工控機(jī)的無線連接，如不能成功連接，檢查連接方式以及配置是否出錯(cuò)。通信正常后，系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過AP路由器以廣播的形式發(fā)出各無人機(jī)的初始位置及姿態(tài)信息，W1-Fi無線模塊接收到信息后，通過PC104工控機(jī)的串口 2將數(shù)據(jù)傳給模型，用于初始對準(zhǔn)。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)指令，主機(jī)的PC104工控機(jī)接收到任務(wù)指令后，首先保持懸停狀態(tài)，向各從機(jī)發(fā)出位置信息，從機(jī)的PC104工控機(jī)根據(jù)由W1-Fi無線模塊接收到的主機(jī)以及其他從機(jī)的位置信息，運(yùn)行導(dǎo)航控制算法，通過改變輸出控制量，調(diào)整其姿態(tài)與位置。當(dāng)各從機(jī)到達(dá)編隊(duì)要求指定位置后，主機(jī)根據(jù)路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出一條到達(dá)指定地點(diǎn)的最優(yōu)路徑，向目標(biāo)飛行的同時(shí)，將自身位置信息傳給各從機(jī)。在協(xié)同飛行過程中，從機(jī)保持與主機(jī)以及其他從機(jī)位置相對不變。到達(dá)指定地點(diǎn)后，開始執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)完成后，需要向系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)完成信號，然后等待新的任務(wù)。若有新的任務(wù)，則重新規(guī)劃路徑，當(dāng)接收到結(jié)束指令時(shí)，各無人機(jī)返回初始位置。在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過程中，主機(jī)和從機(jī)需要時(shí)刻向系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出其位置和姿態(tài)信息，由系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。參見圖4，為系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)程序流程圖。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動與停止，并監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。系統(tǒng)仿真開始后，系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)需要先與各W1-Fi無線模塊建立連接，為此需要通過網(wǎng)線對無線AP/路由器進(jìn)行配置，主要包括IP地址以及端口號的分配，然后無線AP/路由器作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，等待客戶端W1-Fi無線模塊的請求信號，接收到請求后，與之建立握手連接。通信正常后，向各無人機(jī)發(fā)送初始位置及姿態(tài)，然后發(fā)送任務(wù)指令，此時(shí)，PC104工控機(jī)開始運(yùn)行控制算法，控制無人機(jī)模型，系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)每隔
0.0ls接收各無線模塊返回的無人機(jī)姿態(tài)及位置，對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。參見圖5，為PC104工控機(jī)控制程序流程圖。系統(tǒng)上電后，PC104工控機(jī)首先完成自身的初始化，然后配置兩個(gè)通信串口的波特率、奇偶校驗(yàn)以及停止位。為了提高程序的響應(yīng)速度，需要采用多線程，本發(fā)明共創(chuàng)建兩個(gè)線程，一個(gè)是W1-Fi通信線程，用于實(shí)現(xiàn)PC104工控機(jī)與系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；另一個(gè)是控制算法線程，用于對模型的控制。當(dāng)系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過AP無線路由器發(fā)送信息時(shí)，用于連接W1-Fi模塊的串口發(fā)生中斷，PC104工控機(jī)此時(shí)通過讀取串口，可以獲得初始位置信息以及任務(wù)指令，同時(shí)將信息寫入線程間公共的數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)?？刂扑惴ň€程讀取數(shù)據(jù)存儲區(qū)，將指令發(fā)送給xPC模型計(jì)算機(jī)，通過串口接收控制偏差以及無人機(jī)的位置與姿態(tài)信息，根據(jù)算法對偏差進(jìn)行計(jì)算，得到控制量，用于對模型進(jìn)行控制。無人機(jī)的位置與姿態(tài)信息則寫入數(shù)據(jù)區(qū)，由W1-Fi通信線程以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)以及其他無人機(jī)。主控機(jī)發(fā)出編隊(duì)形式以及任務(wù)指令，主機(jī)接收到指令后，首先保持懸停狀態(tài)，向各從機(jī)發(fā)出位置信息，從機(jī)控制器根據(jù)由無線接收到的主機(jī)以及其他從機(jī)的位置信息，運(yùn)行導(dǎo)航控制算法，通過改變輸出控制量，調(diào)整其姿態(tài)與位置，無論主無人機(jī)(主機(jī))還是從無人機(jī)(從機(jī))均對應(yīng)一個(gè)模型通用PC計(jì)算機(jī)，由模型計(jì)算機(jī)中的模型來表示主機(jī)或從機(jī)，即一臺模型計(jì)算機(jī)代表一個(gè)無人機(jī)，每個(gè)無人機(jī)模型都對應(yīng)著一個(gè)PC104工控機(jī)。參見圖6，為xPC模型計(jì)算機(jī)程序流程圖。模型計(jì)算機(jī)采用通用PC機(jī)，開發(fā)環(huán)境為xPC實(shí)時(shí)仿真環(huán)境。系統(tǒng) 啟動后，模型計(jì)算機(jī)處于等待狀態(tài)，等待接收系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的初始化信息，模型初始化完成后，模型計(jì)算機(jī)首先通過讀取串口，獲得PC104工控機(jī)的控制量，然后根據(jù)系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的開始指令運(yùn)行模型，計(jì)算模型的輸出與期望值之間的偏差，通過串口發(fā)送給PC104工控機(jī)，根據(jù)仿真步長循環(huán)執(zhí)行，直到接收到系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的停
止信號。參見圖7，為無線網(wǎng)絡(luò)連接配置流程圖。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過普通網(wǎng)線與無線AP/路由器進(jìn)行連接，首先設(shè)置系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡IP地址為192.168.1.100，在瀏覽器中輸入路由器的IP地址，進(jìn)入路由器配置，這里將加密方式設(shè)置為無無線加密方式，設(shè)置AP的IP地址為192.168.1.1，打開AP的DHCP功能。下一步需要將無線模塊連接到AP路由器上，在系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的超級終端中依次調(diào)用“AT”以及“AT+WS”命令，調(diào)用“AT+NCUDP”指令創(chuàng)建UDP Client并發(fā)送廣播包。最后創(chuàng)建TCP Client，先把剛才創(chuàng)建的UDP Client關(guān)閉，調(diào)用“AT+NCTCP”指令即可。至此，PC104工控機(jī)即可與系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通過無線連接的方式進(jìn)行通信了。參見圖8，為無人機(jī)編隊(duì)軌跡跟蹤控制結(jié)構(gòu)圖，在敵方防御區(qū)域內(nèi)執(zhí)行攻擊任務(wù)時(shí)，多無人機(jī)組應(yīng)該選擇一條能夠到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的航跡，同時(shí)保證具有較小的雷達(dá)可探測發(fā)現(xiàn)概率及較小的燃油消耗。對于無人機(jī)編隊(duì)控制問題，核心思想是根據(jù)飛行任務(wù)以及威脅分布情況，采用軌跡生成算法求解出最優(yōu)軌跡，然后采取軌跡跟蹤控制策略，生成期望隊(duì)形。具體步驟為:首先主機(jī)的PC104工控機(jī)根據(jù)任務(wù)指令以及已知的威脅分布和Voronoi圖的性質(zhì)構(gòu)造Voronoi圖,然后建立威脅模型,在Voronoi圖的基礎(chǔ)上計(jì)算出加權(quán)無向圖，接著利用圖論的Di jkstra最短航跡搜索算法，實(shí)時(shí)地搜索出最優(yōu)航跡，控制主機(jī)向目標(biāo)飛行，并向從機(jī)發(fā)出自身的位置信息。從機(jī)的PC104工控機(jī)根據(jù)接收到的主機(jī)位置，按照編隊(duì)構(gòu)型，采用反步控制方法對自身的位置與姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行軌跡跟蹤控制，使該從機(jī)與主機(jī)以及其它從機(jī)位置保持相對不變，進(jìn)而形成期望的編隊(duì)構(gòu)型，直至完成編隊(duì)任務(wù)，主機(jī)的PC104工控機(jī)根據(jù)任務(wù)以及威脅分布情況運(yùn)行路徑規(guī)劃算法，找出一條最優(yōu)的路徑，決定多無人機(jī)飛行的編隊(duì)構(gòu)型，并且控制主機(jī)沿著最優(yōu)路徑向目的地飛行，從機(jī)的PC104工控機(jī)則根據(jù)主機(jī)的位置，通過反步控制方法調(diào)整自身的位置與姿態(tài)，對主機(jī)進(jìn)行軌跡跟蹤，從而形成期望的編隊(duì) 構(gòu)型。
權(quán)利要求
1.一種多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證裝置，其特征是，由模型通用計(jì)算機(jī)、主控計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、無線AP/路由器以及W1-Fi無線通信模塊組成，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為無人機(jī)控制器，主控計(jì)算機(jī)以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的CPU均通過串口連接W1-Fi無線通信模塊，并通過無線AP/路由器進(jìn)行通信，無線AP/路由器與主控計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)線連接； 主控計(jì)算機(jī)通過無線AP/路由器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的w-fi無線模塊連接到模型通用計(jì)算機(jī)，對無人機(jī)進(jìn)行初始姿態(tài)校準(zhǔn)以及發(fā)送任務(wù)信息，同時(shí)采集各機(jī)的姿態(tài)與位置信息，發(fā)現(xiàn)問題后，自動發(fā)送懸停信息，待處理完緊急情況后，通過命令恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行； 模型通用計(jì)算機(jī)通過串口與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，間接地接入網(wǎng)絡(luò)，一方面接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的初始信息以及開始運(yùn)行指令，另一方面還需要將無人機(jī)的姿態(tài)信息通過無線模塊傳回主控計(jì)算機(jī)； 視景顯示計(jì)算機(jī)通過串 口連接W1-Fi模塊，以無線方式連入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，接收無線AP/路由器轉(zhuǎn)發(fā)的各機(jī)姿態(tài)與位置信息，實(shí)時(shí)地在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證裝置，其特征是，無論主無人機(jī)還是從無人機(jī)均對應(yīng)一個(gè)模型通用計(jì)算機(jī)，由模型通用計(jì)算機(jī)中的模型來表示主機(jī)或從機(jī)，即一臺模型計(jì)算機(jī)代表一個(gè)無人機(jī)，每個(gè)模型通用計(jì)算機(jī)都對應(yīng)著一個(gè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
3.一種多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證方法，其特征是，多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證，借助于前述裝置實(shí)現(xiàn)，并包括如下步驟:利用主控計(jì)算機(jī)首先對AP路由器以及各個(gè)W1-Fi無線模塊進(jìn)行配置，通過握手協(xié)議測試與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的無線連接，如不能成功連接，檢查連接方式以及配置是否出錯(cuò)；通信正常后，主控計(jì)算機(jī)通過AP路由器以廣播的形式發(fā)出各無人機(jī)的初始位置及姿態(tài)信息，W1-Fi無線模塊接收到信息后，通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的第2個(gè)串口將數(shù)據(jù)傳給模型通用計(jì)算機(jī)，用于初始對準(zhǔn)；主控計(jì)算機(jī)發(fā)出編隊(duì)形式以及任務(wù)指令，主機(jī)接收到指令后，首先保持懸停狀態(tài)，向各從機(jī)發(fā)出位置信息，從機(jī)控制器根據(jù)由無線接收到的主機(jī)以及其他從機(jī)的位置信息，運(yùn)行導(dǎo)航控制算法，通過改變輸出控制量，調(diào)整其姿態(tài)與位置，當(dāng)各從機(jī)到達(dá)編隊(duì)要求指定位置后，主機(jī)根據(jù)路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出一條到達(dá)指定地點(diǎn)的最優(yōu)路徑，向目標(biāo)飛行的同時(shí)，將自身位置信息傳給各從機(jī)；在協(xié)同飛行過程中，從機(jī)保持與主機(jī)以及其他從機(jī)位置相對不變；到達(dá)指定地點(diǎn)后，開始執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)完成后，需要向主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)完成信號，然后等待新的任務(wù)；若有新的任務(wù)，則重新規(guī)劃路徑，當(dāng)接收到結(jié)束指令時(shí)，各無人機(jī)返回初始位置；在整個(gè)運(yùn)行過程中，主機(jī)和從機(jī)需要時(shí)刻向主控計(jì)算機(jī)發(fā)出其位置和姿態(tài)信息，由主控機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，其中，采用模型通用計(jì)算機(jī)中的模型來表示主機(jī)或從機(jī)。
4.如權(quán)利要求3所述的多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證方法，其特征是，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行兩個(gè)線程，一個(gè)是W1-Fi通信線程，用于實(shí)現(xiàn)控制器與主控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；另一個(gè)是控制算法線程，用于對模型的控制；當(dāng)主控計(jì)算機(jī)通過AP無線路由器發(fā)送信息時(shí)，用于連接W1-Fi模塊的串口發(fā)生中斷，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)此時(shí)通過讀取該串口，獲得初始位置信息以及任務(wù)指令，同時(shí)將信息寫入線程間公共的數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)；控制算法線程讀取數(shù)據(jù)存儲區(qū)，將指令發(fā)送給模型通用計(jì)算機(jī)，通過串口接收控制偏差以及無人機(jī)的位置與姿態(tài)信息，根據(jù)算法對偏差進(jìn)行計(jì)算，得到控制量，用于對模型進(jìn)行控制，無人機(jī)的位置與姿態(tài)信息則寫入數(shù)據(jù)區(qū)，由W1-Fi通信線程以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)以及其他無人機(jī)。
5.如權(quán)利要求3所述的多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證方法，其特征是，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行的具體步驟還包括:首先利用主機(jī)連接的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)指令以及已知的威脅分布和Voronoi圖的性質(zhì)構(gòu)造Voronoi圖,然后建立威脅模型,在Voronoi圖的基礎(chǔ)上計(jì)算出加權(quán)無向圖，接著利用圖論的Di jkstra最短航跡搜索算法，實(shí)時(shí)地搜索出最優(yōu)航跡，控制主機(jī)向目標(biāo)飛行，并向從機(jī)發(fā)出自身的位置信息；從機(jī)連接的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的主機(jī)位置，按照編隊(duì)構(gòu)型，采用反步控制方法對自身的位置與姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行軌跡跟蹤控制，使該從機(jī)與主機(jī)以及其它從機(jī)位置保持相對不變，進(jìn)而形成期望的編隊(duì)構(gòu)型，直至完成編隊(duì)任務(wù)，主機(jī)連接的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)以及威脅分布情況運(yùn)行路徑規(guī)劃算法，找出一條最優(yōu)的路徑，決定多無人機(jī)飛行的編隊(duì)構(gòu)型，并且控制主機(jī)沿著最優(yōu)路徑向目的地飛行，從機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)則根據(jù)主機(jī)的位置，通過反步控制方法調(diào)整自身的位置與姿態(tài)，對主機(jī)進(jìn) 行軌跡跟蹤，從而形成期望的編隊(duì)構(gòu)型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小型無人機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域、嵌入式技術(shù)領(lǐng)域、Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，為降低仿真系統(tǒng)的功耗和體積，解決多機(jī)系統(tǒng)布線成本過高以及各機(jī)交互通信的問題，提高仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，多無人機(jī)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證方法與裝置，由模型通用計(jì)算機(jī)、主控計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、無線AP/路由器以及Wi-Fi無線通信模塊組成，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部的CPU均通過串口連接Wi-Fi無線通信模塊，并通過無線AP/路由器進(jìn)行通信，無線AP/路由器與主控計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)線連接。本發(fā)明主要應(yīng)用于多無人跡設(shè)計(jì)與仿真。
文檔編號G05B17/02GK103246204SQ201310158658
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月2日
發(fā)明者宗群, 程燕勝, 李慶鑫, 郭萌, 曲照偉 申請人:天津大學(xué)