[發明專利]一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統及方法

在審

• 申請號: 201910722350.1
• 申請日: 2019-08-06
• 公開（公告）號: CN110456661A
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 李韶杰;紀洲;楊鑫澤;胡強;李艷;徐朝暉
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 61215 西安智大知識產權代理事務所
• 代理人: 王晶<國際申請>=<國際公布>=<進入國

1.一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，包括控制指令給定模塊、下位機和上位機；

控制指令給定模塊，用于向下位機發出無人自行車相關控制指令信號，控制指令給定模塊定義為下位機的外擴模塊，根據不同的控制方式外接為不同的控制模塊；

所述下位機包括行駛仿真模塊和數據發送模塊；

行駛仿真模塊用于采集無人自行車行駛過程的控制指令信號和進行行駛狀態的實時仿真運算，以得到無人自行車連續的空間位置與姿態信息，所述的行駛仿真模塊使用嵌入式微控制器平臺建立行駛模型，其預置了合適的數值計算方法，通過給定控制信號和控制算法，最終輸出無人自行車的行駛狀態信息，其中，系統使用的行駛模型和控制算法都是開源的，用戶可以根據自己的需要植入自己設計的行駛模型和控制算法，同時嵌入式微控制器平臺中也內置有行駛模型和控制算法。

2.根據權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述嵌入式微控制器可選擇TM32F103系列控制器，優選為STM32F103R8T6芯片作為下位機的嵌入式硬件平臺。

3.根據權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述數值計算方法優選為插值計算方法，通過已知數據，從相應插值表中提取數據，計算當前的電機轉速、舵機轉角和車體傾角。

4.根據權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述行駛模型采用二階動力學模型；

包括設dL_P為剛體相對于動點P的動量矩，M_P為加在剛體上的外力系對該點的主矩，M(Q_P)為加在剛體質心上的牽引慣性力的合力對該點之矩，根據定理(質點系相對于動點的動量矩對時間導數等于外力系對該點的主矩與加在質心上的牽引慣性力的合力對該點之矩之矢量和)對組成自行車系統的每一個剛體部分，可以得到下面的方程：

設施加在車體上的力對x軸的力矩為T_θ,前叉上施加的外力矩為T_δ，設M、C₁、κ_o、κ₂均為系數矩陣，v為自行車車速，g為重力加速度，將系統4個剛體的角動量平衡方程聯立，在小角度的假設下,經過局部線性化,就得到整個系統的動力學平衡方程：

所述的控制算法優選為模糊控制算法。

5.根據權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述數據發送模塊用于上傳無人自行車的行駛狀態信息至上位機。

6.根據權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述上位機包括數據接收模塊和Unity3D平臺，數據接收模塊用于接收下位機上傳的行駛狀態信息，并導入Unity3D平臺中；Unity3D平臺用于實時顯示無人自行車的行駛狀態信息(空間位置與姿態)。

7.根據權利要求6所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述的數據接收模塊與Unity3D平臺之間的通信方式優選為基于多線程和Windows自定義消息的串口通信方式。

8.根據權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統，其特征在于，所述上位機和下位機之間采用串行通信方式。

9.基于權利要求1所述的一種基于Unity3D的實時可視化無人自行車仿真系統的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：研究人員通過所述控制指令給定模塊輸入相關控制指令信號；

步驟2：行駛仿真模塊接收到控制指令給定模塊發送的相關控制指令信號后，通過無人自行車行駛模型，通過用戶給定的行駛模型和控制算法，采用預置的數值計算方法，對無人自行車的行駛過程進行實時仿真運算，得到無人自行車連續的行駛狀態信息，并輸出給數據發送模塊；

步驟3：數據發送模塊將步驟2得到的無人自行車行駛狀態信息通過串行通信方式上傳給上位機的數據接收模塊；

步驟4：數據接收模塊接收到下位機的數據發送模塊上傳的行駛狀態信息后，將其信息導入Unity3D平臺中；

步驟5：Unity3D平臺接收到無人自行車的行駛狀態信息后，通過自己平臺中的虛擬場景，以第三人稱視角實時顯示出來。