一种无人直升机感知与避障仿真系统技术方案

本发明专利技术提供了一种无人直升机感知与避障仿真系统，包括飞行控制计算机、航电设备仿真机、模型计算机、避障感知和路径规划计算机、载荷仿真计算机、舵系统、直升机操纵设备、视景仿真计算机、视景显示系统、显控系统。利用本发明专利技术，可以在实验室条件下模拟真实试飞场地环境，完成对避障感知传感器、避障算法的半实物仿真验证。仿真验证。仿真验证。

【技术实现步骤摘要】
一种无人直升机感知与避障仿真系统


[0001]本专利技术涉及一种无人直升机感知与避障仿真系统。

技术介绍

[0002]随着无人机技术发展，其功能越来越丰富，应用也越来越广泛。为了提高无人机在复杂环境下的飞行安全，对无人机实时感知和避障的研究并实际应用需求日益迫切。由于无人机本身及其搭载的机载设备费用昂贵，如果依赖频繁的飞行试验来开展测试和验证，研制风险较高且周期长。因此需要研究相应的避障仿真系统，在虚拟空间复现三维图像，并结合叠加的二维曲线信息，随时观察三维场景中的无人机飞行状态，最大程度地减少实际试飞架次，尽早发现设备隐患和软件缺陷。
[0003]目前的无人机避障仿真大多是通过数字仿真开展，缺少一套完整的避障仿真系统，可以结合高逼真度的三维飞行场景、飞行动力学模型、避障传感器和避障算法，实现无人机在模拟实际环境下的飞行。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无人直升机感知与避障仿真系统，用于验证无人机在模拟实际环境下的飞行效果。
[0005]本专利技术系统包括飞行控制计算机、航电设备仿真机、模型计算机、避障感知和路径规划计算机、载荷仿真计算机、舵系统、直升机操纵设备、视景仿真计算机、视景显示系统、显控系统；
[0006]其中，所述飞行控制计算机通过串口接收直升机操纵指令，通过串口接收航电设备仿真机发送过来的飞行状态反馈信息，控制无人直升机飞行，并通过串口将舵机控制量发送给航电设备仿真机；
[0007]所述航电设备仿真机具备实时仿真功能，航电设备仿真机通过网络与模型计算机通信，将采集到的无人直升机状态信息反馈至飞行控制计算机，将控制信号发送至模型计算机作为模型的输入；航电设备仿真机通过串口与舵系统通信，将控制量发送给舵机；
[0008]所述模型计算机中实时运行无人机仿真模型，与航电设备仿真机通过网络通信，接收航电设备仿真机发送过来的控制信号，经模型解算后将无人直升机状态信息反馈给航电设备仿真机，同时将模型状态信息通过网络发送给视景显示系统实时显示；
[0009]所述载荷仿真计算机用于在三维虚拟空间中，模拟机载任务载荷设备仿真的各种物理特性，实现避障传感器仿真模拟，并用于计算视景碰撞数据；
[0010]所述避障感知和路径规划计算机通过网络接收避障传感器实时探测信息，进行障碍物目标计算，并进行路径规划，将避障航点通过串口发送给飞行控制计算机，以实现无人机避障飞行；所述避障传感器设置在载荷仿真计算机中，包括激光雷达仿真、毫米波雷达仿真等；
[0011]所述舵系统包括舵机控制器和舵机，所述舵机控制器通过串口接收航电设备仿真
机发送的控制信号，驱动舵机动作，并将舵机实际位置信息反馈给航电设备仿真机；
[0012]所述直升机操纵设备通过串口将内控指令和外控手柄操纵量发送给飞行控制计算机；
[0013]所述视景仿真计算机构建三维任务场景，并通过网络接收模型计算机数据，用于驱动场景无人直升机三维运动；
[0014]所述视景显示系统用于投影显示三维任务场景及无人机运动状态；
[0015]所述显控系统通过网络与航电设备仿真机、模型计算机、避障感知和路径规划计算机、载荷仿真计算机、舵系统进行通信，实现对仿真系统中各设备状态的控制、数据显示与分析、存储。
[0016]所述避障感知和路径规划计算机执行避障算法，具体包括：通过网络接收避障传感器实时探测信息，进行障碍物目标计算，并进行路径规划，在仿真飞行过程中，所述避障感知和路径规划计算机首先进行点云数据处理，包括点云滤波、降噪操作，然后进行点云分割，根据点云强度、空间位置以及几何信息，对无人机飞行环境的障碍物区域进行划分，建立障碍物和周围环境的点云地图，结合当前与障碍物的相对位置、机体运动状态，以栅格地图描述的障碍信息计算绕过障碍物的安全路径；最后对路径进行平滑，简化出避障路径上的航点，并发送给飞行控制计算机进行避障航线跟踪控制，飞完整个避障航点直到不再检测到障碍物后转入正常的仿真飞行。
[0017]所述避障航线跟踪控制，具体包括：所述飞行控制计算机根据直升机飞行姿态、速度、高度信息和避障航点信息进行避障航线跟踪控制，使得直升机能够跟踪避障航点飞行，实现避障过程，表达式为：
[0018][0019]其中，K
x
是距目标点前向位置偏差比例控制参数，K
y
是距目标点侧向位置偏差比例控制参数，x
c
是前向位置偏差设定值，x是前向位置偏差反馈值，y
c
是侧向位置偏差设定值，y是侧向位置偏差反馈值，V
x
是前向速度设定值、V
y
是侧向速度设定值；
[0020]前向速度和侧向速度经过比例积分微分控制解算分别得到直升机纵向变距控制量和横向变距控制量，当直升机飞近目标避障点X1米范围内，则自动切换至下一个目标避障点，直至飞完整个避障航点。
[0021]所述系统的仿真过程包括如下步骤：
[0022]步骤1，系统上电；
[0023]步骤2，配置无人直升机飞行任务，包括机型设置、任务场景设置、飞行环境设置、障碍物设置、任务载荷配置、避障算法配置，并运行仿真系统；
[0024]步骤3，通过直升机操纵设备，发送无人直升机飞行控制指令，包括自动起飞、悬停、航线飞行；
[0025]步骤4，通过显控系统，监控仿真过程数据，包括无人直升机机体飞行状态、机载传感器运行状态、舵系统运行状态、障碍物感知状态；
[0026]步骤5，通过视景显示系统，监控三维场景下无人直升机姿态、速度和位置，包括无人直升机与任务场景的交互状态，所述任务场景包括地形、机场、房屋、高山、森林及人为注入的障碍物；
[0027]步骤6，在进行感知和避障仿真任务时，如果无人直升机顺利完成飞行任务，则仿真结束，对存储的数据进行分析和效果评估；如果无人机与目标发生碰撞并坠毁，则对存储的数据进行分析，并重复步骤2～步骤5，修改任务载荷配置、避障算法配置，重新开始仿真。
[0028]步骤5中，无人直升机在进行感知和避障仿真任务时，包括如下飞行效果：
[0029]感知传感器性能不足，无法探测到目标，导致无人直升机与目标发生碰撞并坠毁；
[0030]感知传感器性能足够，但是避障算法不合适，输出的避障路径不能引导无人直升机及时避开目标，导致无人直升机与目标发生碰撞并坠毁；
[0031]感知传感器性能足够，且避障算法合适，输出的避障路径能引导无人直升机及时避开目标，无人直升机顺利完成飞行任务。
[0032]步骤6中，所述对存储的数据进行分析和效果评估后天包括：
[0033]通过无人机飞行姿态、速度和位置，判断是否正常飞行，如果正常飞行，进一步看避障飞行效果，包括姿态、速度和位置是否平滑，距障碍物最小距离，以对避障算法进行修正；如果坠毁，进一步分析坠毁原因，判断是避障传感器不合适还是避障算法不合适。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人直升机感知与避障仿真系统，其特征在于，包括飞行控制计算机、航电设备仿真机、模型计算机、避障感知和路径规划计算机、载荷仿真计算机、舵系统、直升机操纵设备、视景仿真计算机、视景显示系统、显控系统；其中，所述飞行控制计算机通过串口接收直升机操纵指令，通过串口接收航电设备仿真机发送过来的飞行状态反馈信息，控制无人直升机飞行，并通过串口将舵机控制量发送给航电设备仿真机；所述航电设备仿真机具备实时仿真功能，航电设备仿真机通过网络与模型计算机通信，将采集到的无人直升机状态信息反馈至飞行控制计算机，将控制信号发送至模型计算机作为模型的输入；航电设备仿真机通过串口与舵系统通信，将控制量发送给舵机；所述模型计算机中实时运行无人机仿真模型，与航电设备仿真机通过网络通信，接收航电设备仿真机发送过来的控制信号，经模型解算后将无人直升机状态信息反馈给航电设备仿真机，同时将模型状态信息通过网络发送给视景显示系统实时显示；所述载荷仿真计算机用于在三维虚拟空间中，模拟机载任务载荷设备仿真的各种物理特性，实现避障传感器仿真模拟，并用于计算视景碰撞数据；所述避障感知和路径规划计算机通过网络接收避障传感器实时探测信息，进行障碍物目标计算，并进行路径规划，将避障航点通过串口发送给飞行控制计算机，以实现无人机避障飞行；所述避障传感器设置在载荷仿真计算机中；所述舵系统包括舵机控制器和舵机，所述舵机控制器通过串口接收航电设备仿真机发送的控制信号，驱动舵机动作，并将舵机实际位置信息反馈给航电设备仿真机；所述直升机操纵设备通过串口将内控指令和外控手柄操纵量发送给飞行控制计算机；所述视景仿真计算机构建三维任务场景，并通过网络接收模型计算机数据，用于驱动场景无人直升机三维运动；所述视景显示系统用于投影显示三维任务场景及无人机运动状态；所述显控系统通过网络与航电设备仿真机、模型计算机、避障感知和路径规划计算机、载荷仿真计算机、舵系统进行通信，实现对仿真系统中各设备状态的控制、数据显示与分析、存储。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述避障感知和路径规划计算机执行避障算法，具体包括：通过网络接收避障传感器实时探测信息，进行障碍物目标计算，并进行路径规划，在仿真飞行过程中，所述避障感知和路径规划计算机首先进行点云数据处理，包括点云滤波、降噪操作，然后进行点云分割，根据点云强度、空间位置以及几何信息，对无人机飞行环境的障碍物区域进行划分，建立障碍物和周围环境的点云地图，结合当前与障碍物的相对位置、机体运动状态，以栅格地图描述的障碍信息计算绕过障碍物的安全路径；最后对路径进行平滑，简化出避障路径上的航点，并发送给飞行控制计算机进行避障航线跟踪控制，飞完整个避障航点直到不再检测到障碍物后转入正常的仿真飞行。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述避障航线跟踪控制，具体包括：所述飞行控制计算机根据直升机飞行姿态、速度、高度信息和避障航点信息进行避障航线跟踪控制，使得直升机能够跟踪避障航点飞行，实现避障过程，表达式为：
其中，K
x
是距目标点前向位置偏差比例控制参数，K
y
是距目标点侧向位置偏差比例控制参数，x
c
是前向位置偏差设定值，x是前向位置偏差反馈值，y
c
是侧向位置偏差设定值，y是侧向位置偏差反馈值，V
x
是前向速度设定值、V
y
是侧向速度设定值；前向速度和侧向速度经过比例积分微分控制解算分别得到直升机纵向变距控制量和横向变距控制量，当直升机飞近目标避障点X1米范围内，则自动切换至下...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴平，包健，计宏伟，刘宝，
申请(专利权)人：中国人民解放军总参谋部第六十研究所，
类型：发明
国别省市：