[發明專利]多無人機系統仿真與驗證方法與裝置

有效

• 申請號: 201310158658.0
• 申請日: 2013-05-02
• 公開（公告）號: CN103246204A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 宗群;程燕勝;李慶鑫;郭萌;曲照偉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種多無人機系統仿真與驗證裝置，其特征是，由模型通用計算機、主控計算機、視景顯示計算機、工業控制計算機、無線AP/路由器以及Wi-Fi無線通信模塊組成，采用工業控制計算機作為無人機控制器，主控計算機以及工業控制計算機內部的CPU均通過串口連接Wi-Fi無線通信模塊，并通過無線AP/路由器進行通信，無線AP/路由器與主控計算機采用網線連接；

主控計算機通過無線AP/路由器、工業控制計算機上的w-fi無線模塊連接到模型通用計算機，對無人機進行初始姿態校準以及發送任務信息，同時采集各機的姿態與位置信息，發現問題后，自動發送懸停信息，待處理完緊急情況后，通過命令恢復整個系統的運行；

模型通用計算機通過串口與工業控制計算機進行連接，間接地接入網絡，一方面接收主控計算機發出的初始信息以及開始運行指令，另一方面還需要將無人機的姿態信息通過無線模塊傳回主控計算機；

視景顯示計算機通過串口連接Wi-Fi模塊，以無線方式連入系統網絡內，接收無線AP/路由器轉發的各機姿態與位置信息，實時地在PC機上進行顯示。

2.如權利要求1所述的多無人機系統仿真與驗證裝置，其特征是，無論主無人機還是從無人機均對應一個模型通用計算機，由模型通用計算機中的模型來表示主機或從機，即一臺模型計算機代表一個無人機，每個模型通用計算機都對應著一個工業控制計算機。

3.一種多無人機系統仿真與驗證方法，其特征是，多無人機系統仿真與驗證，借助于前述裝置實現，并包括如下步驟：利用主控計算機首先對AP路由器以及各個Wi-Fi無線模塊進行配置，通過握手協議測試與工業控制計算機的無線連接，如不能成功連接，檢查連接方式以及配置是否出錯；通信正常后，主控計算機通過AP路由器以廣播的形式發出各無人機的初始位置及姿態信息，Wi-Fi無線模塊接收到信息后，通過工業控制計算機的第2個串口將數據傳給模型通用計算機，用于初始對準；主控計算機發出編隊形式以及任務指令，主機接收到指令后，首先保持懸停狀態，向各從機發出位置信息，從機控制器根據由無線接收到的主機以及其他從機的位置信息，運行導航控制算法，通過改變輸出控制量，調整其姿態與位置，當各從機到達編隊要求指定位置后，主機根據路徑規劃算法規劃出一條到達指定地點的最優路徑，向目標飛行的同時，將自身位置信息傳給各從機；在協同飛行過程中，從機保持與主機以及其他從機位置相對不變；到達指定地點后，開始執行任務，任務完成后，需要向主控計算機發出任務完成信號，然后等待新的任務；若有新的任務，則重新規劃路徑，當接收到結束指令時，各無人機返回初始位置；在整個運行過程中，主機和從機需要時刻向主控計算機發出其位置和姿態信息，由主控機進行監控，其中，采用模型通用計算機中的模型來表示主機或從機。

4.如權利要求3所述的多無人機系統仿真與驗證方法，其特征是，在工業控制計算機上運行兩個線程，一個是Wi-Fi通信線程，用于實現控制器與主控計算機之間的數據通信；另一個是控制算法線程，用于對模型的控制；當主控計算機通過AP無線路由器發送信息時，用于連接Wi-Fi模塊的串口發生中斷，工業控制計算機此時通過讀取該串口，獲得初始位置信息以及任務指令，同時將信息寫入線程間公共的數據存儲區內；控制算法線程讀取數據存儲區，將指令發送給模型通用計算機，通過串口接收控制偏差以及無人機的位置與姿態信息，根據算法對偏差進行計算，得到控制量，用于對模型進行控制，無人機的位置與姿態信息則寫入數據區，由Wi-Fi通信線程以廣播的形式轉發給主機以及其他無人機。

5.如權利要求3所述的多無人機系統仿真與驗證方法，其特征是，在工業控制計算機運行的具體步驟還包括：首先利用主機連接的工業控制計算機根據任務指令以及已知的威脅分布和Voronoi圖的性質構造Voronoi圖，然后建立威脅模型，在Voronoi圖的基礎上計算出加權無向圖，接著利用圖論的Di?jkstra最短航跡搜索算法，實時地搜索出最優航跡，控制主機向目標飛行，并向從機發出自身的位置信息；從機連接的工業控制計算機根據接收到的主機位置，按照編隊構型，采用反步控制方法對自身的位置與姿態進行調整，進行軌跡跟蹤控制，使該從機與主機以及其它從機位置保持相對不變，進而形成期望的編隊構型，直至完成編隊任務，主機連接的工業控制計算機根據任務以及威脅分布情況運行路徑規劃算法，找出一條最優的路徑，決定多無人機飛行的編隊構型，并且控制主機沿著最優路徑向目的地飛行，從機的工業控制計算機則根據主機的位置，通過反步控制方法調整自身的位置與姿態，對主機進行軌跡跟蹤，從而形成期望的編隊構型。