基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台及控制方法，将现有的两种控制方式在无人机编队真机实测验证中结合起来，使编队系统既可控又灵活，既局部稳定又全局一致。同时本发明专利技术采用数字孪生技术，克服了现有无人机编队控制算法验证真机参与度低、算法验证可靠性低的不足，提高了无人机编队协同控制在实际环境中使用的有效性。控制在实际环境中使用的有效性。控制在实际环境中使用的有效性。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台及控制方法


[0001]本专利技术属于数字孪生和无人机编队控制
，涉及一种基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台及控制方法。主要完成在巡航任务中领航机失效时，物理无人机编队的编队控制方式由物理领航机集中式控制的方式切换为基于无人机编队数字孪生平台分布式控制，可用于在复杂环境下无人机编队领航机失效时无人机编队集中式领航跟随实验验证中进行实时监控和编队保护，并提高巡航任务的成功率。

技术介绍

[0002]由于集中式控制下的领航跟随无人机编队在巡航任务中容易出现领航机失效情况，无人机编队的多维监控对无人机编队在巡航任务中具有广泛的应用价值。例如，在一次具有动态障碍物威胁的巡航任务中，当采用集中式控制下的领航跟随算法进行真实无人机编队控制时，会存在领航机由于自身规避障碍物而产生与跟随机发生失联的情况，如果对编队的控制不及时，容易造成编队中跟随机的失踪及巡航任务未完成的后果。由于无人机编队在巡航任务中的环境及机载电脑、传感器等的差异，给无人机编队的任务执行带来困难。随着无人机编队在民用、军用方向的广泛使用，无人机编队精确、稳定的完成巡航任务具有重要的意义。
[0003]现有的无人机编队控制架构主要有集中式和分布式。其中集中式策略是把编队中各个无人机采集到的位姿信息统一传给某一专门的处理单元，然后由处理单元向各个无人机发送控制指令；分布式分策略是编队中各个无人机通过收集邻近无人机的相关位姿信息来独立做出反应。
[0004]刘楚豪在文献“刘楚豪.基于集中式控制的多个无人飞行器编队[J].华中科技大学学报(自然科学版),2015,43(S1):481
‑
485.DOI:10.13245/j.hust.15s1114.”中采用集中式的方法进行多智能体的编队控制，实现了无人机群编队飞行以及基于激光传感器避障功能的仿真验证；刘祖均等人在文献“刘祖均,何明,马子玉,顾凌枫.基于分布式一致性的无人机编队控制方法[J].计算机工程与应用,2020,56(23):146
‑
152.”中提出在主机
‑
从机组成的多无人机系统的基础上，引入分布式结构，设计无人机控制系统模型并建立无人机编队协同机制。
[0005]以上方法在无人机编队协同控制中，无论集中式还是分布式，各自都存在着优势与不足，对于编队控制若无交互则鲁棒容错性差，若无中心则全局可控性差，且在无人机编队协同控制中大多基于仿真环境进行验证，算法有效性验证中缺少真实环境参与。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台及控制方法，将现有的两种控制方式在无人机编队真机实测验证中结合起来，使编队系统既可控又灵活，既局部稳定又全局一致。同时本专利技术采用数字孪生技术，克
服了现有无人机编队控制算法验证真机参与度低、算法验证可靠性低的不足，提高了无人机编队协同控制在实际环境中使用的有效性。
[0008]技术方案
[0009]一种基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台，其特征在于包括真实域和孪生域；所述孪生域包括孪生无人机及仿真无人机编队、虚实域数据交互接口和虚实监控模块；所述真实域包括无人机上搭载的PX4飞控、GPS
‑
RTK定位、单目相机、深度相机、激光雷达、Nx机载电脑、RC遥控器、虚实域数据交互接口；所述孪生域包括孪生无人机及仿真无人机编队、虚实域数据交互接口和虚实监控模块；数字域中，孪生无人机为真实无人机的真实数字模型的仿真无人机，孪生场景根据真实场景等比建模；虚实数据交互接口为连接真实域和虚拟域的数据通道；当真实无人机在真实域中飞行，孪生无人机与仿真无人机组成的编队在孪生域中通过映射真实域中无人机的位置、姿态飞行。
[0010]所述真实域和孪生域中虚实数据交互接口，完成真实数据和孪生数据的“一一映射”：真实域中的无人机上的GPS
‑
RTK定位传感器与px4飞控进行直连，深度相机与机载电脑通过串口进行通信，激光雷达与机载电脑端通过ROS协议进行通讯，单目相机通过minihomer与虚实监控模块进行通信，机载电脑在同一WIFI网段下使用固定UDP端口与孪生域中的孪生无人机进行数据交互；期间无人机的位置和状态使用的消息协议均为mavlink协议。
[0011]一种采用所述基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台实现无人机编队虚实协同控制方法，其特征在于：将无人机编队执行巡航任务定义为两种模式，一种模式为正常巡航模式，一种模式为障碍物模式；步骤如下：
[0012]一、当真实无人机处于正常巡航模式时，孪生无人机与仿真无人机组成的无人机编队以集中式控制方式正常巡航，采用领航者跟随者方式进行编队协同控制，孪生域中的孪生系统对真实域中的无人机进行实时状态监测，并将其状态映射至孪生域的无人机编队中的孪生无人机上，
[0013]二、当无人机编队处于障碍物模式下时，将无人机编队当前状态、障碍物信息等通过虚实数据交互接口传输至孪生域中，通过分布式控制算法和避障算法的融合计算，得出下一时刻无人机编队的最优位姿，并将其转换为控制命令通过虚实数据交互接口上传至真实域中的无人机；步骤如下：
[0014]步骤1、初始巡航状态：
[0015]在实验的0时刻，数字孪生平台将飞行任务M个航点构成的巡航航迹S(T0,T1,...,T
M
)上传至物理领航无人机上，其中T
i
(x
i
,y
i
,z
i
)代表数字孪生系统对巡航路径的一个规划航迹点；
[0016]物理无人机开始启动时，物理无人机将其状态信息传输至数字孪生体中，由数字孪生体将状态信息转换为驱动与其对应的无人机孪生体的飞行，并在虚拟域中，映射无人机编队物理实体的状态，即：
[0017]U
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[0019]U
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)表示真实无人机飞行过程中t时刻真机的位置P
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x
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)、加速度l
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,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台，其特征在于包括真实域和孪生域；所述孪生域包括孪生无人机及仿真无人机编队、虚实域数据交互接口和虚实监控模块；所述真实域包括无人机上搭载的PX4飞控、GPS
‑
RTK定位、单目相机、深度相机、激光雷达、Nx机载电脑、RC遥控器、虚实域数据交互接口；所述孪生域包括孪生无人机及仿真无人机编队、虚实域数据交互接口和虚实监控模块；数字域中，孪生无人机为真实无人机的真实数字模型的仿真无人机，孪生场景根据真实场景等比建模；虚实数据交互接口为连接真实域和虚拟域的数据通道；当真实无人机在真实域中飞行，孪生无人机与仿真无人机组成的编队在孪生域中通过映射真实域中无人机的位置、姿态飞行。2.根据权利要求1所述基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台，其特征在于：所述真实域和孪生域中虚实数据交互接口，完成真实数据和孪生数据的“一一映射”：真实域中的无人机上的GPS
‑
RTK定位传感器与px4飞控进行直连，深度相机与机载电脑通过串口进行通信，激光雷达与机载电脑端通过ROS协议进行通讯，单目相机通过minihomer与虚实监控模块进行通信，机载电脑在同一WIFI网段下使用固定UDP端口与孪生域中的孪生无人机进行数据交互；期间无人机的位置和状态使用的消息协议均为mavlink协议。3.一种采用权利要求1所述基于数字孪生的无人机编队虚实协同实验平台实现无人机编队虚实协同控制方法，其特征在于：将无人机编队执行巡航任务定义为两种模式，一种模式为正常巡航模式，一种模式为障碍物模式；步骤如下：一、当真实无人机处于正常巡航模式时，孪生无人机与仿真无人机组成的无人机编队以集中式控制方式正常巡航，采用领航者跟随者方式进行编队协同控制，孪生域中的孪生系统对真实域中的无人机进行实时状态监测，并将其状态映射至孪生域的无人机编队中的孪生无人机上，二、当无人机编队处于障碍物模式下时，将无人机编队当前状态、障碍物信息等通过虚实数据交互接口传输至孪生域中，通过分布式控制算法和避障算法的融合计算，得出下一时刻无人机编队的最优位姿，并将其转换为控制命令通过虚实数据交互接口上传至真实域中的无人机；步骤如下：步骤1、初始巡航状态：在实验的0时刻，数字孪生平台将飞行任务M个航点构成的巡航航迹S(T0,T1,...,T
M
)上传至物理领航无人机上，其中T
i
(x
i
,y
i
,z
i
)代表数字孪生系统对巡航路径的一个规划航迹点；物理无人机开始启动时，物理无人机将其状态信息传输至数字孪生体中，由数字孪生体将状态信息转换为驱动与其对应的无人机孪生体的飞行，并在虚拟域中，映射无人机编队物理实体的状态，即：U
v
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ra
)＝U
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)其中：r、p、y分别代表横滚角、俯仰角、偏航角；U
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(t)(P,l
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)表示真实无人机飞行过程中t时刻真机的位置P
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)、加速度l
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)、姿态O
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【专利技术属性】
技术研发人员：曲少春，卜笑圆，傅妍芳，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：