本發(fā)明涉及無人集群仿真，具體地說，涉及一種基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本發(fā)明考慮到大規(guī)模異構(gòu)無人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)情況，為了能夠使得前人的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)得到整合，并且順利完成高難度的異構(gòu)無人系統(tǒng)集群實(shí)驗(yàn)，建立一個基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人系統(tǒng)集群試驗(yàn)平臺，融合旋翼/固定翼等異構(gòu)無人機(jī)智能體，完成大規(guī)模復(fù)雜試驗(yàn)驗(yàn)證，并達(dá)到縮短開發(fā)間隔、提高安全性和降低實(shí)驗(yàn)成本的目的。

2、現(xiàn)階段在國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及試驗(yàn)，受到空間和實(shí)驗(yàn)成本的限制，大規(guī)模的集群實(shí)驗(yàn)難以開展。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)及軍方對基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了開發(fā)和應(yīng)用研究。其中，首先要解決的問題是設(shè)計一套高效運(yùn)行的基于虛實(shí)結(jié)合的虛實(shí)實(shí)驗(yàn)框架。在對不同階段的數(shù)字孿生模型性能需求進(jìn)行分析，從“建—組—融—驗(yàn)—?！堋?個方面建立了一套無人機(jī)數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，并基于所提出的數(shù)字孿生模型構(gòu)建準(zhǔn)則和方法，設(shè)計一套適用于智能無人機(jī)集群虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計框架，和無人機(jī)管理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺框架，從幾何、物理、行為和規(guī)則等方面對模型進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體和虛擬實(shí)體之間的交互映射。在有一套完整系統(tǒng)架構(gòu)后，虛實(shí)結(jié)合平臺建設(shè)得以逐步實(shí)現(xiàn)。仿真缺少可視化實(shí)現(xiàn)，仿真粒度較低。數(shù)據(jù)驅(qū)動的訓(xùn)練環(huán)境建模，與真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)的一致性存在一定差異，并且沒有實(shí)物節(jié)點(diǎn)的參與。智能體硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限，缺少建立大規(guī)模無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。面向虛?shí)結(jié)合的協(xié)同任務(wù)應(yīng)用場景，目前開展的協(xié)同控制研究較少等問題。因此，設(shè)計一種基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的仿真缺少可視化實(shí)現(xiàn)，仿真粒度較低。數(shù)據(jù)驅(qū)動的訓(xùn)練環(huán)境建模，與真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)的一致性存在一定差異，并且沒有實(shí)物節(jié)點(diǎn)的參與。智能體硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限，缺少建立大規(guī)模無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。面向虛?shí)結(jié)合的協(xié)同任務(wù)應(yīng)用場景，目前開展的協(xié)同控制研究較少等問題的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明目的在于提供了一種基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)，包括運(yùn)動預(yù)測單元，所述運(yùn)動預(yù)測單元基于龍格庫塔法計算無人機(jī)在未來某一時刻的位置；

3、通信補(bǔ)償單元，所述通信補(bǔ)償單元基于運(yùn)動預(yù)測單元所得到的無人機(jī)在未來某一時刻的位置，通過預(yù)測調(diào)整無人機(jī)數(shù)據(jù)，使其與當(dāng)前時間點(diǎn)對齊；

4、雙向時鐘同步單元，所述雙向時鐘同步單元選擇網(wǎng)絡(luò)中精度高的節(jié)點(diǎn)的時鐘作為基準(zhǔn)時鐘，其他節(jié)點(diǎn)作為子時鐘，并與基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行時鐘同步；

5、主從式時間同步單元，所述主從式時間同步單元基于雙向時鐘同步單元提供的同步機(jī)制，設(shè)定一個固定的同步周期，在此周期內(nèi)，各子模擬器獨(dú)立運(yùn)行，并在周期結(jié)束時暫停以交換數(shù)據(jù)。

6、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述運(yùn)動預(yù)測單元中，使用龍格庫塔法計算無人機(jī)在未來某一時刻的位置的具體步驟為：

7、s2.1、每個無人機(jī)節(jié)點(diǎn)i提供當(dāng)前位置和速度;

8、s2.2、使用龍格庫塔法來預(yù)測未來位置；

9、s2.3、計算無人機(jī)在未來時間的位置。

10、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s2.2中，使用龍格庫塔法來預(yù)測未來位置的具體表達(dá)式為：

11、；

12、其中，f表示控制輸入和其他因素引起的加速度；表示當(dāng)前速度；表示基于當(dāng)前速度和一半時間步長預(yù)測的位置變化；基于和一半時間步長預(yù)測的位置變化；基于和完整時間步長預(yù)測的位置變化。

13、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s2.3中，計算無人機(jī)在未來時間的位置具體表達(dá)式為：

14、；

15、其中，表示無人機(jī)節(jié)點(diǎn)i在時間的預(yù)測位置；表示預(yù)測的時間增量。

16、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述通信補(bǔ)償單元中，通過預(yù)測調(diào)整無人機(jī)數(shù)據(jù)，使其與當(dāng)前時間點(diǎn)對齊的具體步驟為：

17、s5.1、地面站從各無人機(jī)節(jié)點(diǎn)接收包含位置和速度的狀態(tài)信息;

18、s5.2、找出最接近當(dāng)前時間t的狀態(tài)信息作為基準(zhǔn)；

19、s5.3、使用運(yùn)動預(yù)測來預(yù)測其在當(dāng)前時間t的位置，并調(diào)整數(shù)據(jù)使其與當(dāng)前時間點(diǎn)對齊。

20、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s5.3中，使用運(yùn)動預(yù)測來預(yù)測其在當(dāng)前時間t的位置，并調(diào)整數(shù)據(jù)使其與當(dāng)前時間點(diǎn)對齊的具體表達(dá)式為：

21、；

22、其中，表示無人機(jī)節(jié)點(diǎn)j在時間t的預(yù)測位置；表示無人機(jī)節(jié)點(diǎn)j在時間的位置；無人機(jī)節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)延遲時間；表示無人機(jī)節(jié)點(diǎn)j在時間的速度。

23、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙向時鐘同步單元中，進(jìn)行時鐘同步的具體步驟為：

24、s7.1、在時間同步周期到來的時候，子時鐘給基準(zhǔn)時鐘發(fā)送時隙同步詢問報文，并且記錄下子時鐘發(fā)送時的時間戳；

25、s7.2、當(dāng)基準(zhǔn)時鐘在接收到時隙同步詢問報文時，基準(zhǔn)時鐘記錄下此時本地時鐘的時間戳；

26、s7.3、在空閑的時隙的時候，基準(zhǔn)時鐘給子時鐘回復(fù)同步應(yīng)答報文，該報文中攜帶時間戳和；

27、s7.4、當(dāng)子時鐘在接收到基準(zhǔn)時鐘發(fā)送同步應(yīng)答報文時，子時鐘記錄此時本地時鐘時間戳；

28、s7.5、基于時間戳計算時鐘偏移；

29、s7.6、子時鐘根據(jù)計算出的時鐘偏移調(diào)整自身時鐘，使其與基準(zhǔn)時鐘同步。

30、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s7.5中，計算時鐘偏移具體表達(dá)式為：

31、；

32、其中，表示時鐘偏移。

33、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主從式時間同步單元中，通過設(shè)定一個固定的同步周期，在此周期內(nèi)，各子模擬器獨(dú)立運(yùn)行，并在周期結(jié)束時暫停以交換數(shù)據(jù)的具體步驟為：

34、s9.1、設(shè)定一個固定的同步周期t；

35、s9.2、基于雙向時鐘同步單元提供的同步機(jī)制，用于確保所有節(jié)點(diǎn)的時間基準(zhǔn)一致；

36、s9.3、在每個同步周期內(nèi)，各子模擬器獨(dú)立運(yùn)行；

37、s9.4、在每個周期t結(jié)束時，子模擬器暫停運(yùn)行，并交換數(shù)據(jù)；

38、s9.5、在每次暫停時檢查是否有關(guān)鍵事件發(fā)生，當(dāng)檢測到關(guān)鍵事件，則調(diào)整步長并立即同步。

39、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述s9.5中，當(dāng)檢測到關(guān)鍵事件，則調(diào)整步長并立即同步的具體表達(dá)式為：

40、；

41、其中，表示調(diào)整后的同步周期；表示關(guān)鍵事件發(fā)生的時間點(diǎn)；e表示事件的條件。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

43、1、該一種基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)中，通過使用龍格庫塔法進(jìn)行數(shù)值積分，具有較高的精度，能夠較好地預(yù)測無人機(jī)在未來某一時刻的位置。通過使用運(yùn)動預(yù)測單元提供的未來位置預(yù)測，通信補(bǔ)償單元能夠減少由于通信延遲造成的數(shù)據(jù)不同步問題，提高系統(tǒng)的實(shí)時性。

44、2、該一種基于虛實(shí)結(jié)合的異構(gòu)無人集群系統(tǒng)中，選擇網(wǎng)絡(luò)中精度高的節(jié)點(diǎn)作為基準(zhǔn)時鐘，確保了時間基準(zhǔn)的一致性，提高了整體系統(tǒng)的同步精度。主從式時間同步機(jī)制易于擴(kuò)展，適用于多個子模擬器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠有效管理大規(guī)模系統(tǒng)的同步需求。