本發(fā)明主要涉及到無人機(jī)仿真控制，特指一種模擬真實(shí)地形的無人機(jī)集群半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，包括但不限于偵查搜索、航拍攝影、農(nóng)林監(jiān)測及物流配送。特別是無人機(jī)集群編隊(duì)協(xié)同技術(shù)的興起，為提升作業(yè)效率、擴(kuò)大任務(wù)覆蓋范圍以及優(yōu)化資源利用提供了前所未有的機(jī)遇。該技術(shù)通過多架無人機(jī)的智能協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了超越單一無人機(jī)性能總和的作業(yè)能力，展現(xiàn)出1+1>2的顯著優(yōu)勢。然而，在實(shí)際部署前，確保這些集群系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性，依賴于精確且貼近實(shí)際應(yīng)用的仿真驗(yàn)證。

2、當(dāng)前，無人機(jī)集群協(xié)同控制系統(tǒng)的研發(fā)主要依托兩類仿真手段：一是基于純軟件的仿真環(huán)境，二是結(jié)合硬件的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。前者利用高級物理引擎實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的動(dòng)態(tài)模擬，而后者則側(cè)重于通過實(shí)體硬件與虛擬環(huán)境的結(jié)合，驗(yàn)證飛行動(dòng)力學(xué)算法的實(shí)際表現(xiàn)。盡管這些方法在一定程度上促進(jìn)了算法的迭代優(yōu)化，但仍存在若干關(guān)鍵限制：

3、1、場景真實(shí)性不足：多數(shù)仿真驗(yàn)證局限于軟件層面，即便采用含真實(shí)物理引擎的環(huán)境，也難以全面反映復(fù)雜地形對無人機(jī)集群飛行的影響。對于半實(shí)物仿真，普遍采用的地面站監(jiān)控或二維示景評估，無法充分展現(xiàn)三維空間中的無人機(jī)集群動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致仿真相對于實(shí)景的還原度不高。

4、2、觀察與評估局限性：在三維無人機(jī)集群任務(wù)仿真中，二維示景模塊的使用限制了對無人機(jī)飛行姿態(tài)的全面觀察，難以精確評估編隊(duì)飛行的精確度與協(xié)同效果，影響了對算法性能的準(zhǔn)確判斷。

5、3、從仿真到實(shí)物的過渡障礙：由于仿真環(huán)境與實(shí)際地理環(huán)境之間的差異，現(xiàn)有仿真技術(shù)在驗(yàn)證過程中可能忽視了特定地形對集群協(xié)同任務(wù)的約束條件，導(dǎo)致算法在實(shí)物驗(yàn)證階段面臨未預(yù)見的問題，增加了從仿真到實(shí)際應(yīng)用的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種仿真準(zhǔn)確率高、可視化效果好、適用范圍廣的模擬真實(shí)地形的無人機(jī)集群半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種模擬真實(shí)地形的無人機(jī)集群半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)，其包括：

4、單機(jī)仿真模塊，包括多架仿真無人機(jī)以及與所述多架仿真無人機(jī)一一對應(yīng)的多個(gè)機(jī)載上位機(jī)和多個(gè)機(jī)載自駕儀，所述機(jī)載自駕儀用于接收所述底層控制指令、無人機(jī)狀態(tài)信息，并發(fā)送無人機(jī)基本信息；

5、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，用來接收來自所述仿真無人機(jī)的狀態(tài)信息、報(bào)警信息和協(xié)同狀態(tài)信息，并將獲得的信息分別發(fā)送給地面站和態(tài)勢綜合顯示模塊；

6、地面站，用于接收并顯示無人機(jī)的狀態(tài)信息，并且根據(jù)任務(wù)執(zhí)行態(tài)勢接收航線信息和控制指令；

7、態(tài)勢綜合顯示模塊，包含信息融合單元和多機(jī)gazebo環(huán)境單元，所述信息融合單元用于集成所有在單機(jī)仿真模塊中運(yùn)行的無人機(jī)信息，用以實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境動(dòng)畫演示，所述多機(jī)gazebo環(huán)境單元作為可視化示景單元嵌入高保真任務(wù)執(zhí)行環(huán)境用于直觀顯示所述仿真無人機(jī)集群的整體態(tài)勢。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述機(jī)載上位機(jī)包括地面站通信單元、機(jī)間通信單元、飛行控制單元、導(dǎo)航指令單元和上位機(jī)狀態(tài)管理單元；

9、所述地面站用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與外部設(shè)備的交互；所述地面站包括地面通信單元，所述地面站通信單元用來讀取外部設(shè)備傳遞的協(xié)議信號，轉(zhuǎn)化為ros的話題形式，供其他節(jié)點(diǎn)訂閱；或者訂閱其他節(jié)點(diǎn)的消息，發(fā)送給外部設(shè)備；

10、所述機(jī)間通信單元用于處理無人機(jī)機(jī)間交互信息，完成無人機(jī)的機(jī)間通信；

11、所述飛行控制單元用來從所述導(dǎo)航指令單元節(jié)點(diǎn)接收到上層導(dǎo)航信息后，計(jì)算出前往該導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)的具體速度矢量和朝向控制量，提供仿真底層控制指令；

12、所述導(dǎo)航指令單元基于航線、自身位置、以及機(jī)間信息，根據(jù)所述飛行控制單元的指令，計(jì)算出導(dǎo)航信息；

13、所述上位機(jī)狀態(tài)管理單元用來從所述地面站通信單元接收地面站指令，改變所述導(dǎo)航指令單元的任務(wù)狀態(tài)。

14、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述多機(jī)gazebo環(huán)境單元中利用衛(wèi)星地圖構(gòu)建高保真地形的模型，其步驟包括：

15、步驟s01：構(gòu)建無人機(jī)集群控制算法的任務(wù)想定，確定真實(shí)飛行場景的地理位置，準(zhǔn)備仿真飛行場景所需的衛(wèi)星地圖、地形紋理數(shù)據(jù)；

16、步驟s02：將所述矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入blender三維建模軟件，為所述矢量數(shù)據(jù)賦予特定信息，在blender中構(gòu)建出地理模型，并將構(gòu)建出地理模型導(dǎo)出為dae模型文件；

17、步驟s03：根據(jù)所述dae模型文件創(chuàng)建gazebo模型文件，以得到高保真地形模型。

18、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s01中，通過qgis開源的地理信息系統(tǒng)獲取地形的影像、紋理、模型、衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)集，并將獲得的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)。

19、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s01中，所述衛(wèi)星地圖為地形灰度圖，所述地形灰度圖為柵格化圖像，包含地標(biāo)高程信息，用來創(chuàng)建高保真的地形模型。

20、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s02中，包括對所述灰度圖進(jìn)行預(yù)處理，包括：

21、調(diào)整所述灰度圖的圖像高度和寬度，以使圖像高度和寬度相等；

22、調(diào)整所述灰度圖的圖像像素為(2n+1)*?(2n+1),n=1,2,3,…；

23、調(diào)整所述灰度圖的圖像為8位圖像（uint8）。

24、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s02包括：

25、步驟s201：在blender軟件中創(chuàng)建平面，對平面創(chuàng)建細(xì)分修改器和替代修改器，并綁定灰度數(shù)據(jù)，生成地形曲面；

26、步驟s202：修改材質(zhì)屬性為基于顏色后，導(dǎo)入衛(wèi)星地圖等紋理數(shù)據(jù)；

27、步驟s203：渲染得到高保真的地形環(huán)境，以得到地理模型。

28、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s03中，創(chuàng)建gazebo模型文件，在gazebo的現(xiàn)有模型中復(fù)制地面ground_plane模型進(jìn)行修改，所述修改包括修改模型描述文件model.config，將模型元信息修改為適合自定義模型的信息；修改模型定義文件model.sdf，添加灰度圖的<url>和<size>；調(diào)節(jié)模型最高點(diǎn)處的海拔高度；指定模型渲染材質(zhì)的<url>，調(diào)整渲染高度范圍，得到最終的期望地形模型。

29、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s03包括：

30、步驟s301：獲取合適的dae模型文件后，在gazebo中導(dǎo)入并構(gòu)建模型，修改模型描述文件model.config，將模型元信息修改為適合自定義模型的信息；

31、步驟s302：修改模型定義文件model.sdf，改為按照dae自帶材質(zhì)著色，重新在gazebo中打開模型，以得到渲染后的高保真地形環(huán)境。

32、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，在構(gòu)建的高保真模型文件嵌入多機(jī)gazebo示景模塊，用來實(shí)現(xiàn)在半實(shí)物仿真的過程中實(shí)時(shí)顯示任務(wù)環(huán)境以及執(zhí)行進(jìn)度，進(jìn)行可視化調(diào)試。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

34、1、本發(fā)明的模擬真實(shí)地形的無人機(jī)集群半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)，仿真準(zhǔn)確率高、可視化效果好、適用范圍廣，本發(fā)明所創(chuàng)建的無人機(jī)仿真飛行場景與實(shí)際飛行場景基本一致，且可以添加任意的衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)，解決了常規(guī)半實(shí)物無人機(jī)集群仿真系統(tǒng)可視化效果差、二維任務(wù)示景界面難以真實(shí)有效反應(yīng)無人機(jī)姿態(tài)和任務(wù)執(zhí)行情況的問題。

35、2、本發(fā)明模擬真實(shí)地形的無人機(jī)集群半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)，充分利用開源的地理數(shù)據(jù)信息生產(chǎn)對應(yīng)的地形網(wǎng)格文件，通過對gazebo模型參數(shù)的合理配置，生產(chǎn)與實(shí)際飛行場景基本一致且加載時(shí)間較快的超大地形場景。

36、3、本發(fā)明的模擬真實(shí)地形的無人機(jī)集群半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)，充分利用了開源的地理數(shù)據(jù)信息生產(chǎn)對應(yīng)的地形網(wǎng)格文件，通過對gazebo模型參數(shù)的合理配置，生產(chǎn)與實(shí)際飛行場景基本一致且加載時(shí)間較快的超大地形場景。根據(jù)實(shí)際地形環(huán)境數(shù)據(jù)生成高保真的仿真地形場景，其不僅可以使無人機(jī)的飛行的物理效果更加真實(shí)，而且還可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)需要將地形導(dǎo)入仿真環(huán)境中，直觀顯示所述仿真無人機(jī)集群的整體態(tài)勢，后續(xù)基于復(fù)雜任務(wù)環(huán)境優(yōu)化的算法能夠更加貼合實(shí)機(jī)飛行需要,從而更全面的評估半實(shí)物仿真任務(wù)的執(zhí)行效果。