本發(fā)明涉及無(wú)人集群協(xié)同控制與仿真，具體涉及一種面向大規(guī)模無(wú)人集群協(xié)同控制的虛實(shí)混合仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著無(wú)人集群技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人集群系統(tǒng)已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的潛力。這些系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)自主或協(xié)同控制的智能體協(xié)作執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)個(gè)體無(wú)法完成的目標(biāo)，從而帶來(lái)非線性的效能增長(zhǎng)。然而，要實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜任務(wù)的有效仿真和控制是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，主要存在兩種方法來(lái)進(jìn)行無(wú)人集群系統(tǒng)的仿真和控制研究：基于純物理仿真的系統(tǒng)和基于純軟件仿真的系統(tǒng)。

2、基于純物理仿真的系統(tǒng)通過(guò)真實(shí)的硬件設(shè)備來(lái)模擬無(wú)人集群的行為。這類(lèi)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際操作中的物理?xiàng)l件，如環(huán)境干擾、硬件局限等。因此，它們?cè)跍y(cè)試和驗(yàn)證無(wú)人集群的實(shí)際應(yīng)用能力時(shí)具有很高的價(jià)值。然而，純物理仿真系統(tǒng)通常面臨硬件資源有限的問(wèn)題，這限制了其擴(kuò)展能力，難以有效模擬大規(guī)模的集群行為。此外，這類(lèi)系統(tǒng)的調(diào)試和測(cè)試周期較長(zhǎng)，且成本較高，限制了其在大規(guī)模無(wú)人集群仿真中的廣泛應(yīng)用。

3、基于純軟件的仿真系統(tǒng)依賴計(jì)算機(jī)程序來(lái)在虛擬環(huán)境中模擬無(wú)人集群的協(xié)同行為。這類(lèi)系統(tǒng)可以在不受硬件資源限制的情況下，靈活地模擬大規(guī)模集群，且在測(cè)試周期和成本方面更具優(yōu)勢(shì)。然而，純軟件仿真系統(tǒng)缺乏與實(shí)際物理環(huán)境的直接交互，導(dǎo)致仿真結(jié)果可能與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)際操作存在偏差，這在某些情況下可能會(huì)影響算法和系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

4、綜上所述，當(dāng)前的仿真技術(shù)在應(yīng)對(duì)大規(guī)模無(wú)人集群系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)時(shí)，基于物理和軟件的仿真系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)與不足，無(wú)法全面滿足對(duì)復(fù)雜無(wú)人集群系統(tǒng)的仿真需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種面向大規(guī)模無(wú)人集群協(xié)同控制的虛實(shí)混合仿真系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中基于物理和軟件的仿真系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)與不足，無(wú)法全面高效地支持大規(guī)模集群仿真和驗(yàn)證的技術(shù)問(wèn)題。

2、一方面，本發(fā)明提供了一種面向大規(guī)模無(wú)人集群協(xié)同控制的虛實(shí)混合仿真系統(tǒng)，包括：任務(wù)管理模塊、節(jié)點(diǎn)模塊、運(yùn)動(dòng)模型模塊和通信接口模塊，所述節(jié)點(diǎn)模塊包括多個(gè)物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊；

3、任務(wù)管理模塊用于接收狀態(tài)量，向所述節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送任務(wù)指令信息并轉(zhuǎn)發(fā)所述狀態(tài)量；所述任務(wù)指令信息用于控制無(wú)人集群協(xié)同任務(wù)的開(kāi)始與停止；所述狀態(tài)量包括所述節(jié)點(diǎn)模塊中各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

4、物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊用于仿真物理無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)；物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊接收所述任務(wù)指令信息及各節(jié)點(diǎn)觀測(cè)信息，與空間距離鄰近的其他物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊之間進(jìn)行狀態(tài)量的分布式交互；物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)接收狀態(tài)量并計(jì)算控制量，向運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)送控制量；所述控制量為控制所述節(jié)點(diǎn)模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息。

5、虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊用于仿真多個(gè)虛擬無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)；虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊接收所述任務(wù)指令信息及各節(jié)點(diǎn)觀測(cè)信息，與空間距離鄰近的其他所述節(jié)點(diǎn)模塊之間進(jìn)行狀態(tài)量的分布式交互；所述節(jié)點(diǎn)模塊接收狀態(tài)量并計(jì)算控制量，向運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)送控制量；

6、運(yùn)動(dòng)模型模塊接收控制量，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬后得到狀態(tài)量，將狀態(tài)量發(fā)送到任務(wù)管理模塊；所述狀態(tài)量包括所述節(jié)點(diǎn)模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

7、通信接口模塊用于各模塊間的信息通信。

8、優(yōu)選地，所述面向大規(guī)模無(wú)人集群協(xié)同控制的虛實(shí)混合仿真系統(tǒng)用于執(zhí)行無(wú)人集群的仿真任務(wù)，所述仿真任務(wù)包括：協(xié)同導(dǎo)航與避障任務(wù)、協(xié)同搜索規(guī)劃任務(wù)、協(xié)同目標(biāo)感知與跟蹤任務(wù)、任務(wù)分配與決策任務(wù)以及協(xié)同制導(dǎo)任務(wù)。

9、優(yōu)選地，所述任務(wù)管理模塊的運(yùn)行流程包括以下步驟：

10、步驟s1-1、任務(wù)管理模塊向運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)送所有節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)信息，向物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊與虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送任務(wù)信息，運(yùn)動(dòng)模型模塊向物理、虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送各自狀態(tài)量

11、步驟s1-2、任務(wù)管理模塊判斷當(dāng)前任務(wù)是否結(jié)束，若未結(jié)束則等待并接收運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)送的狀態(tài)量；若結(jié)束，任務(wù)管理模塊給物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊、物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊與運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)送程序終止標(biāo)志位；

12、步驟s1-3、若任務(wù)管理模塊接收到運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)送的狀態(tài)量，任務(wù)管理模塊根據(jù)所述狀態(tài)量計(jì)算節(jié)點(diǎn)鄰居信息和鄰接矩陣信息；然后任務(wù)管理模塊將所述節(jié)點(diǎn)鄰居信息和所述狀態(tài)量發(fā)送給物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊，將所述鄰接矩陣信息和所述狀態(tài)量發(fā)送給虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊；

13、其中，所述節(jié)點(diǎn)鄰居信息記錄了各節(jié)點(diǎn)模塊的空間距離相近的其他節(jié)點(diǎn)模塊的編號(hào)；所述鄰接矩陣信息記錄了虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊需要交互的物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊的編號(hào)；

14、步驟s1-4、更新時(shí)鐘信息，所述時(shí)鐘信息表示當(dāng)前時(shí)刻，回到步驟s1-2。

15、優(yōu)選地，所述物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊的運(yùn)行流程包括以下步驟：

16、步驟s2-1、更新時(shí)鐘信息，接收來(lái)自任務(wù)管理模塊的節(jié)點(diǎn)鄰居信息、狀態(tài)量和程序終止標(biāo)志位；

17、步驟s2-2、判斷任務(wù)管理模塊是否發(fā)出程序終止標(biāo)志位，如果發(fā)出則終止程序，否則執(zhí)行步驟s2-3；

18、步驟s2-3、向所有鄰居物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送自己的狀態(tài)量信息，然后等待接收所有鄰居物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊的狀態(tài)量信息；所述鄰居物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊是所述節(jié)點(diǎn)鄰居信息中記錄的物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊；

19、步驟s2-4、在接收到所有鄰居節(jié)點(diǎn)模塊的狀態(tài)量信息后，選擇當(dāng)前執(zhí)行的所述仿真任務(wù)的控制算法，計(jì)算控制量，并將所述控制量發(fā)送給運(yùn)動(dòng)模型模塊，然后更新時(shí)鐘信息，回到步驟s2-2。

20、優(yōu)選地，所述虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊的運(yùn)行流程包括以下步驟：

21、步驟s3-1、更新時(shí)鐘信息并判斷是否接收到來(lái)自任務(wù)管理模塊的鄰接矩陣信息、狀態(tài)量和程序終止標(biāo)志位；

22、步驟s3-2、判斷任務(wù)管理模塊是否發(fā)出程序終止標(biāo)志位，如果發(fā)出則終止程序，否則執(zhí)行步驟s3-3；

23、步驟s3-3、根據(jù)從任務(wù)管理模塊接收到的鄰接矩陣信息獲取需要交互的物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，接收對(duì)應(yīng)編號(hào)的物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量；

24、步驟s3-4、在接收到所有鄰接矩陣信息中的物理節(jié)點(diǎn)模塊的狀態(tài)量后，與虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊的狀態(tài)量進(jìn)行拼接，當(dāng)前執(zhí)行的所述仿真任務(wù)的控制算法，根據(jù)鄰接矩陣信息與拼接后的狀態(tài)量計(jì)算所有虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)的控制量；

25、步驟s3-5、將所有虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)的控制量發(fā)送給運(yùn)動(dòng)模型模塊，同時(shí)更新時(shí)鐘信息，回到步驟s3-2。

26、優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)模型模塊的運(yùn)行流程包括以下步驟：

27、步驟s4-1、運(yùn)動(dòng)模型模塊等待接收任務(wù)管理模塊發(fā)送的初始化信息，根據(jù)初始化信息計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)量，并將其發(fā)送給任務(wù)管理模塊；

28、步驟s4-2、運(yùn)動(dòng)模型模塊等待接收物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊與虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送的控制量，選擇當(dāng)前執(zhí)行的所述仿真任務(wù)的運(yùn)動(dòng)模型，由控制量得到狀態(tài)量；

29、步驟s4-3、運(yùn)動(dòng)模型模塊將所有節(jié)點(diǎn)模塊的狀態(tài)量信息發(fā)送給任務(wù)管理模塊；

30、步驟s4-4、更新時(shí)鐘信息，回到步驟s4-2。

31、優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)模型模塊的運(yùn)行流程包括以下步驟：

32、步驟s5-1、虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)生成控制量并發(fā)布到ros的話題，運(yùn)動(dòng)模型模塊訂閱話題，接收控制量并更新下一時(shí)刻狀態(tài)量；

33、步驟s5-2、運(yùn)動(dòng)模型模塊發(fā)布狀態(tài)量到ros的話題，任務(wù)管理模塊訂閱話題，實(shí)時(shí)顯示和記錄系統(tǒng)狀態(tài)；虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊、物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊訂閱話題用于下一時(shí)刻控制量計(jì)算；

34、步驟s5-3、任務(wù)管理模塊作為發(fā)布者，將狀態(tài)量、節(jié)點(diǎn)鄰居信息以及鄰接矩陣信息發(fā)送至ros的話題；虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊、物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊訂閱話題，并計(jì)算下一時(shí)刻控制量。

35、優(yōu)選地，在執(zhí)行協(xié)同導(dǎo)航與避障任務(wù)時(shí)，物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊均計(jì)算用于導(dǎo)航控制和避障控制的控制量；運(yùn)動(dòng)模型模塊根據(jù)接收到的控制量，通過(guò)二維固定翼飛行器模型計(jì)算出所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量；

36、在執(zhí)行協(xié)同導(dǎo)航與避障任務(wù)時(shí)，物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊接收任務(wù)管理模塊發(fā)送的航路點(diǎn)信息與狀態(tài)量，由所述航路點(diǎn)信息與狀態(tài)量計(jì)算控制量；運(yùn)動(dòng)模型模塊根據(jù)接收到的控制量，通過(guò)二維固定翼飛行器模型計(jì)算出所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量；

37、在執(zhí)行任務(wù)分配與決策任務(wù)時(shí)，任務(wù)管理模塊在任務(wù)的初始時(shí)刻采用拍賣(mài)算法得出任務(wù)分配結(jié)果，并且將任務(wù)分配結(jié)果發(fā)送給各個(gè)物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)與虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)；

38、在執(zhí)行協(xié)同制導(dǎo)任務(wù)時(shí)，物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊和虛擬任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊接收鄰居信息和狀態(tài)量，然后根據(jù)鄰居信息接收相鄰節(jié)點(diǎn)的預(yù)估打擊時(shí)間，計(jì)算控制量，并將其發(fā)送給運(yùn)動(dòng)模型模塊；運(yùn)動(dòng)模型模塊基于控制量，通過(guò)三維飛行器模型計(jì)算出狀態(tài)量。

39、優(yōu)選地，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型包括狀態(tài)量存儲(chǔ)、控制量存儲(chǔ)、算法過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及環(huán)境變量存儲(chǔ)；其中，狀態(tài)量存儲(chǔ)具體包括：節(jié)點(diǎn)位置信息、節(jié)點(diǎn)速度信息以及節(jié)點(diǎn)屬性信息；控制量存儲(chǔ)具體包括：節(jié)點(diǎn)加速度信息、節(jié)點(diǎn)航向角變化率信息；算法過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具體包括：相鄰障礙物信息、相鄰節(jié)點(diǎn)信息；環(huán)境變量存儲(chǔ)具體包括：障礙物信息、目標(biāo)點(diǎn)信息以及規(guī)劃軌跡信息。

40、另一方面，本發(fā)明提供了一種根據(jù)所述的面向大規(guī)模無(wú)人集群協(xié)同控制的虛實(shí)混合仿真系統(tǒng)的仿真方法，包括以下步驟：

41、步驟s10、確定當(dāng)前無(wú)人集群的仿真任務(wù)；

42、步驟s20、在任務(wù)管理模塊中確定所述仿真任務(wù)的初始化參數(shù)設(shè)置；

43、步驟s30、所述任務(wù)管理模塊、節(jié)點(diǎn)模塊、運(yùn)動(dòng)模型模塊和通信接口模塊分別根據(jù)各自的運(yùn)行流程執(zhí)行所述仿真任務(wù)，得到仿真結(jié)果；

44、步驟s40、所述任務(wù)管理模塊將各節(jié)點(diǎn)模塊的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化展示。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

46、(1)本發(fā)明通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的架構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明不僅在硬件資源受限的情況下能夠顯著擴(kuò)大仿真規(guī)模，還能夠保持仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和現(xiàn)實(shí)性，克服了純物理系統(tǒng)無(wú)法有效擴(kuò)展的局限性。

47、(2)本發(fā)明通過(guò)采用分布式通信架構(gòu)，能夠在通訊能力受限的復(fù)雜環(huán)境中，支持多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)與虛擬節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換與協(xié)同控制，從而提高了系統(tǒng)在大規(guī)模集群仿真中的適應(yīng)性與可靠性。

48、(3)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了物理任務(wù)節(jié)點(diǎn)模塊與真實(shí)環(huán)境的運(yùn)動(dòng)模型和通信網(wǎng)絡(luò)的高度一致，不僅能夠快速驗(yàn)證集群算法，還可以將驗(yàn)證結(jié)果直接應(yīng)用于實(shí)際平臺(tái)中，顯著加快了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和部署的進(jìn)程。