[發明專利]固定翼無人機密集編隊與防撞避障半實物仿真系統及方法

有效

• 申請號: 202010390695.4
• 申請日: 2020-05-11
• 公開（公告）號: CN111596684B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 安彬;袁智榮;楊俊鵬;王丹;祝小平;李博;肖佳偉
• 申請（專利權）人: 西安愛生技術集團公司;西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05B17/02
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

1.一種固定翼無人機密集編隊與防撞避障半實物仿真系統，其特征在于包括無人機平臺、仿真計算機、地面站計算機、三維態勢計算機、串口\網絡轉換模塊和網絡交換機；所述無人機平臺包含機載計算機、舵機和電池，機載計算機硬件內部獨立運行密集編隊控制算法、自主規避防撞算法、單機基本氣動數據、無人機六自由度動力學運動學模型；機載計算機通過RS232\RS422串口接收仿真計算機輸出的模型數據，接收并響應地面站計算機發出的控制指令，機載計算機運行內部控制算法和模型，計算生成舵機控制指令，把舵機控制指令發送給舵機，把無人機狀態參數通過RS232\RS422串口發送給地面站計算機和仿真計算機；所述的舵機由電子調速器和無刷電機組成，電子調速器響應機載計算機的舵機控制指令，用于驅動無刷電機，無刷電機接收執行電子調速器的控制指令，并反饋指令執行結果；所述的地面站計算機安裝有地面站控制軟件，對小型固定翼無人機密集編隊隊形文件進行加載，對密集編隊隊形進行變換，對任務航線進行加載，對障礙物模型進行加載，地面站計算機把模型文件發送給仿真計算機，并對無人機密集編隊飛行數據進行記錄和回放；所述的仿真計算機運行數字模型，接收地面站計算機發送的無人機密集編隊隊形文件，運行密集編隊隊形模型、隊形變換重構算法和編隊機間測距模型，把密集編隊隊形數據發送給機載計算機，作為其編隊控制的輸入；仿真計算機運行障礙物測距模型，把障礙物數據發送給機載計算機，作為自主規避防撞控制的輸入；仿真計算機運行氣動耦合模型，計算無人機密集編隊中氣動耦合對無人機產生的影響，把氣動耦合數據發送給機載計算機，作為在密集編隊中對單機基本氣動數據修正的輸入；仿真計算機運行傳感器模型，作為無人機六自由度動力學運動學模型的輸入；所述的三維態勢計算機對小型固定翼無人機密集編隊隊形進行三維態勢顯示，并對全部無人機的飛行狀態信息進行三維場景顯示，對集群無人機飛行過程中探測到的障礙物進行顯示；所述的串口\網絡轉換模塊是把機載計算機通過串口RS232\RS422傳輸的飛行參數信息，轉換為UDP數據傳輸并發送給網絡交換機，串口\網絡轉換模塊把接收到的地面站計算機和仿真計算機通過UDP數據傳輸的信息，轉換為串口RS232\RS422傳輸的數據發送給機載計算機，實現串口數據與網絡數據的相互轉換；所述的網絡交換機把機載計算機、地面站計算機、仿真計算機、三維態勢計算機連接成局域網，通訊方案采用局域網UDP通訊方案；采用UDP通訊實現地面站計算機單獨給某個無人機平臺發送命令的功能，實現地面站計算機\仿真計算機\三維態勢計算機和所有機載計算機相互通訊的功能。

2.一種固定翼無人機密集編隊與防撞避障半實物仿真方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：在地面站計算機加載密集編隊數量、初始密集編隊隊形文件、隊形變換后的隊形文件、任務航線、障礙物模型，地面站計算機把上述文件發送給仿真計算機；

步驟2：仿真計算機接收地面站計算機發送的初始無人機密集編隊隊形，運行密集編隊隊形模型；仿真計算機接收隊形變換指令和隊形變換后的隊形文件，運行隊形變換重構算法，生成隊形變換過程中的實時隊形；仿真計算機運行編隊機間測距模型，模擬無人機在機間測距中獲得的機間測距數據；仿真計算機運行氣動耦合模型，計算無人機機間距離對無人機氣動耦合的影響；仿真計算機運行障礙物測距模型，計算密集編隊任務航線中無人機與障礙物之間的相對位置關系；仿真計算機運行傳感器模型，計算無人機機載傳感器信息；無人機密集編隊中任一無人機具有唯一的編號，仿真計算機把仿真計算獲得的密集編隊隊形、機間測距數據、氣動耦合數據、障礙物測距數據、傳感器數據發送給密集編隊隊形中對應編號無人機平臺中的機載計算機；

步驟3：機載計算機接收到仿真計算機發送的氣動耦合數據，把氣動耦合數據加注到單機基本氣動數據模型中，對氣動數據進行修正，得到密集編隊中無人機的氣動數據；機載計算機運行無人機六自由度動力學運動學模型，接收仿真計算機發送的密集編隊隊形、機間測距數據和傳感器數據，運行密集編隊控制算法，計算獲得無人機的舵機控制量、姿態、速度、位置；機載計算機接收仿真計算機發送的障礙物測距數據，運行自主規避防撞算法，計算獲得無人機編隊在防撞避障過程中的舵機控制量、姿態、速度、位置；機載計算機把舵機控制量發送給舵機，把姿態、速度、位置發送給仿真計算機、地面站計算機、三維態勢計算機；

步驟4：無人機平臺中的舵機執行機載計算機發送的舵機控制量，并反饋給機載計算機執行情況；

步驟5：仿真計算機在接收到所有機載計算機的數據后，運行密集編隊隊形模型，計算無人機密集編隊中的隊形保持情況，更新密集編隊機間測距數據、障礙物測距數據和傳感器數據，把數據發送給機載計算機，與機載計算機形成仿真閉環；

步驟6：三維態勢計算機對無人機密集編隊隊形進行三維顯示，把編隊中所有無人機的姿態位置進行顯示，對密集編隊中遇到障礙物進行防撞避障的結果進行三維顯示。