張 棟，王洪濤，王孟陽，鄭元世，傅晉博

（1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072；2.陜西省空天飛行器設(shè)計重點實驗室，西安 710072；3.西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，西安 710071）

1 引 言

隨著無人機技術(shù)的逐漸成熟，無人機集群化成為未來無人機作戰(zhàn)的重要模式。無人機集群具有作戰(zhàn)效能強、分布協(xié)同性高、抗毀傷重構(gòu)性強、攻擊成本較低等顯著優(yōu)勢[1-2]，使無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)逐漸成為未來戰(zhàn)爭的主流趨勢，發(fā)揮著重要的作用，被認(rèn)為是未來智能化戰(zhàn)爭最具潛力的作戰(zhàn)樣式之一[3]。

在無人機集群作戰(zhàn)的相關(guān)研究領(lǐng)域，集群協(xié)同仿真技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。針對無人機集群作戰(zhàn)相關(guān)算法的驗證，往往都是基于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真[4]、半實物仿真[5-6]以及集群飛行試驗等方式。數(shù)字仿真通過 MATLAB等仿真技術(shù)軟件，對相關(guān)研究對象的數(shù)學(xué)模型進行構(gòu)建，并完成集群算法程序化實現(xiàn)，以計算機為基礎(chǔ)完成集群算法和模型的高效數(shù)學(xué)求解，得到仿真對象的相關(guān)數(shù)據(jù)、曲線等。半實物仿真在全數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上，將仿真有關(guān)硬件實物加入到仿真回路中。在包含硬件實物的仿真系統(tǒng)中進行無人機集群在線仿真驗證，通過相關(guān)通信方式與硬件實物連接來構(gòu)成閉合仿真回路進行仿真驗證[7-8]。相較于數(shù)字仿真，半實物仿真更加貼近無人機集群實物飛行結(jié)果。然而無人機集群的半實物仿真系統(tǒng)搭建比較復(fù)雜，實現(xiàn)大型固定翼無人機集群仿真驗證困難，無人機集群算法研究周期增加，仿真實驗設(shè)備成本增高。近年來，國內(nèi)外開展了大量的無人機集群飛行驗證[9]，美國海軍完成了 30架無人機集群編隊飛行實驗驗證和 100多架微型無人機集群飛行實驗[10]；美國戰(zhàn)略能力辦公室完成了103架無人機集群自主決策和在線編隊的飛行驗證[11]；印度進行了75架無人機集群作戰(zhàn)飛行實驗演示[12]。我國也積極開展很多固定翼無人機集群的飛行驗證[13]，中國電子科技集團（Electronics Technology Group Corporation）分別完成了67架、119架、200架的固定翼無人機集群飛行實驗[14]；國防科技大學(xué)針對無人機集群自主協(xié)同展開試驗飛行[15]；北京航空航天大學(xué)完成了基于狼群行為機制的無人機協(xié)同任務(wù)分配的飛行驗證[16]。

通過集群飛行驗證是無人機集群關(guān)鍵技術(shù)驗證的最直接、最有效的方法，然而該方式周期長、成本高。針對無人機集群關(guān)鍵技術(shù)的仿真驗證，國內(nèi)外相關(guān)團隊開展了大量的研究工作。文獻[17]采用 JADE仿真環(huán)境，設(shè)計無人機集群的智能化仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下無人機間通信和仿真測試；文獻[18]提出了基于 PixHawk、Px4和外圍設(shè)備的旋翼無人機和 Gazebo仿真結(jié)合的仿真平臺和測試方法；文獻[19]完成了通過虛擬模擬器在集成地理信息系中模擬無人飛行器飛行任務(wù)，該模擬器可實現(xiàn)無人機參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)定并建立無人機集群的可視化飛行；文獻[20]基于MATLAB/Simulink等仿真軟件，設(shè)計出無人機集群編隊交互式仿真平臺，實現(xiàn)無人機集群三維仿真可視化與語音、手勢VR人機交互等功能；文獻[21]基于xPC Target搭建無人機集群交互式虛擬仿真平臺，實現(xiàn)集群在線仿真驗證、三維視景推演和基于腦機接口的人機交互等功能；文獻[22]基于DSP開發(fā)板、XBee通信模塊和PC端，搭建出分布式架構(gòu)的半實物仿真平臺，完成集群分布式拍賣算法的硬件移植和在線仿真驗證功能。文獻[23]以分布式自組網(wǎng)架構(gòu)和實物四旋翼微型無人機為基礎(chǔ)，設(shè)計出全自主微型無人機集群系統(tǒng)，該系統(tǒng)側(cè)重于小型化、實物化旋翼無人機集群飛行驗證。文獻[24]基于 ROS（Robot Operating System）機器人操作系統(tǒng)，應(yīng)用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了一套模塊化的集群無人機協(xié)同編隊軟件系統(tǒng)，以及基于四旋翼的集群無人機驗證平臺。國內(nèi)外對無人機集群仿真平臺的研究設(shè)計中，平臺功能單一，缺乏綜合性與仿真實際性。文獻[20-21]構(gòu)建的無人機集群虛擬仿真系統(tǒng)，僅以人機交互和三維視景為主要功能特點，與集群半實物仿真驗證和飛行驗證相比缺乏真實性。文獻[22]實現(xiàn)大型固定翼無人機集群半實物仿真驗證，有時間周期長、平臺搭建復(fù)雜以及仿真成本高等缺點。文獻[23-24]搭建的無人機集群系統(tǒng)，以四旋翼無人機集群飛行實驗為側(cè)重，集群算法驗證周期長、實驗成本高。因此，搭建一個分布式、實時性和綜合可視化的無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)對固定翼無人機集群在線仿真驗證具有重要意義。

本文設(shè)計并搭建了實驗室環(huán)境的無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)，該虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)是由數(shù)字仿真和半實物仿真聯(lián)合構(gòu)建而成，主要包括無人機集群任務(wù)規(guī)劃、在線自主決策、二維和三維可視化顯示、人在回路控制、集群作戰(zhàn)效能評估一體化和虛實結(jié)合在線仿真等功能。該系統(tǒng)對于無人機集群協(xié)同與自主控制方法的研究和發(fā)展具有十分重要的意義。為無人機集群任務(wù)分配、航跡規(guī)劃和編隊控制等算法提供了一個實時仿真環(huán)境，在線對算法的實時性、有效性、可行性進行測試和驗證。虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)既可以節(jié)約無人機集群半實物仿真硬件設(shè)備成本，又實現(xiàn)了大規(guī)模固定翼無人機集群之間的協(xié)同配合在線仿真，提高無人機在線動態(tài)任務(wù)分配、實時航跡規(guī)劃、在線編隊控制、察打評一體化的集群控制仿真驗證效率。

2 虛實結(jié)合半實物仿真的系統(tǒng)架構(gòu)

本文的虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其包括集群任務(wù)規(guī)劃軟件、實物系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)、虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)、飛行動力學(xué)半實物仿真軟件、集群地面監(jiān)控軟件和動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)等模塊，各模塊之間相互嵌入耦合，構(gòu)成虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)。

圖1 虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Architecture of hardware-in-the-loop simulation system based on virtual-real combination

集群任務(wù)規(guī)劃軟件具有無人機集群戰(zhàn)場場景布置、人–集群指令集的構(gòu)建、作戰(zhàn)場景同步和集群裝載預(yù)規(guī)劃航路點等功能。實物系統(tǒng)仿真模擬無人機實物自主規(guī)劃飛行場景。虛擬仿真系統(tǒng)基于數(shù)字仿真和固定翼無人機六自由度模型，實現(xiàn)無人機集群虛擬仿真功能。虛實結(jié)合自網(wǎng)通信系統(tǒng)構(gòu)成無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，為虛擬和實物聯(lián)合仿真提供有效數(shù)據(jù)交互通道。飛行動力學(xué)半實物仿真軟件為實物系統(tǒng)提供相關(guān)仿真參數(shù)，在實驗室環(huán)境下，有效模擬無人機集群實物飛行過程。集群地面監(jiān)控軟件主要有集群視景航跡展示功能、飛行姿態(tài)界面可視化顯示和集群仿真數(shù)據(jù)回傳等功能。動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)主要有集群作戰(zhàn)任務(wù)分配完成效能的評估、集群仿真場景同步和集群三維航跡飛行展示等功能。

2.1 實物系統(tǒng)組成

實物系統(tǒng)是由飛控裝置、自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈和智能規(guī)劃器3部分組成。實物系統(tǒng)在虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)中負(fù)責(zé)完成無人機集群實物飛行驗證功能。

（1）飛控裝置用于固定翼無人機的飛行控制。該硬件模塊是由傳感器和高性能DSP處理器組成，主要完成姿態(tài)檢測、位置檢測、姿態(tài)控制、位置控制和任務(wù)控制等功能。基于高性能數(shù)字信號處理器設(shè)計，具有控制精度高、抗風(fēng)性高強、運算速度快等特點，通過搭配高性能的IMU和高精度的GPS組合使用，具備良好的控制效果。

（2）自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈具有高性能無線 MIMO（2×2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊提供了多路抗干擾，從而在遠(yuǎn)距離通信時實現(xiàn)高速、大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。通過自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈可以高效地實現(xiàn)各無人機之間的數(shù)據(jù)交互，完成無人機集群內(nèi)實時數(shù)據(jù)通信過程，保證無人機集群虛實結(jié)合半實物系統(tǒng)的有效在線仿真驗證。

（3）智能規(guī)劃器主要包括集群動態(tài)任務(wù)規(guī)劃模塊、任務(wù)分配模塊、航跡規(guī)劃模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等功能模塊?；?DSPc6000系列核心處理器，把集群任務(wù)分配、航跡規(guī)劃和編隊保持及切換等算法加載到內(nèi)部核心處理器中，實現(xiàn)無人機集群自主決策、在線任務(wù)分配和編隊切換等作戰(zhàn)模式。智能規(guī)劃器的數(shù)據(jù)通信模塊，主要負(fù)責(zé)與飛控端機和自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈等硬件設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，有效保證各無人機之間的信息傳遞，為無人機集群在線動態(tài)規(guī)劃和編隊切換提供有效的數(shù)據(jù)通道。實物智能規(guī)劃器如圖2所示。

圖2 實物智能規(guī)劃器Fig.2 Physical intelligent planner

2.2 虛擬系統(tǒng)組成

由圖1可知，虛擬系統(tǒng)是由集群任務(wù)規(guī)劃軟件、虛擬仿真系統(tǒng)、飛行動力學(xué)半實物仿真軟件、集群地面監(jiān)控軟件和動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)等組成。

2.2.1 集群任務(wù)規(guī)劃軟件

集群任務(wù)規(guī)劃軟件模塊是在GUI框架平臺下基于 Qt和 C++編程聯(lián)合開發(fā)，主要包括集群任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、場景構(gòu)建、航跡檢測、人–集群交互和數(shù)據(jù)通信等功能。該模塊可以構(gòu)建集群偵查、突防、打擊和評估等作戰(zhàn)場景，基于集群任務(wù)規(guī)劃算法，完成無人機集群在線航跡規(guī)劃和航路裝訂，并通過人–集群交互指令模塊實現(xiàn)無人機集群在線動態(tài)規(guī)劃調(diào)整，有效完成相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)。集群任務(wù)規(guī)劃軟件界面如圖3所示。

圖3 集群任務(wù)規(guī)劃軟件界面Fig.3 Swarms mission planning software interface

2.2.2 虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬仿真系統(tǒng)由虛擬自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈模擬系統(tǒng)、蜂群在線任務(wù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)和固定翼無人機六自由度模型3部分組成。蜂群在線任務(wù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)通過構(gòu)建并載入集群任務(wù)分配、航跡規(guī)劃和編隊控制及隊形變化等算法模塊，起到與智能規(guī)劃器硬件模塊相同的作用；固定翼無人機六自由度模型具有飛行控制、姿態(tài)控制和軌跡跟蹤等功能，通過該模型可以創(chuàng)建多個虛擬飛控裝置，有效模擬實物飛控裝置功能；虛擬自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈模擬系統(tǒng)是虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)部各仿真無人機之間的數(shù)據(jù)交互通道。虛擬仿真系統(tǒng)采用數(shù)字仿真模式，可以實現(xiàn)與實物系統(tǒng)相同的集群仿真功能，又能自由擴展仿真無人機數(shù)量，在節(jié)約實驗成本的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)大規(guī)模無人機集群虛實結(jié)合在線仿真驗證。虛擬仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 虛擬仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Functional structure diagram of virtual simulation system

2.2.3 飛行動力學(xué)半實物仿真軟件

飛行動力學(xué)半實物仿真軟件主要由無人機氣動力仿真模型、姿態(tài)解算、仿真?zhèn)鞲衅骱头抡鏀?shù)據(jù)通信等模塊組成。其中，無人機氣動力仿真模型主要負(fù)責(zé)為實物飛控裝置提供仿真大氣參數(shù)，保證飛控裝置在仿真過程中可以有效且穩(wěn)定地模擬無人機戶外實際飛行狀態(tài)，使半實物仿真更加接近于實際飛行；姿態(tài)解算模塊和仿真?zhèn)鞲衅髂K主要負(fù)責(zé)模擬無人機姿態(tài)感知和姿態(tài)解算功能，并基于仿真數(shù)據(jù)通信模塊，發(fā)送解算好的仿真數(shù)據(jù)信息，即位置、速度、姿態(tài)角、加速度、角速度、空速等仿真數(shù)據(jù)給飛控裝置。飛控裝置將其內(nèi)部的導(dǎo)航數(shù)據(jù)替換為仿真數(shù)據(jù)，進行無人機集群半實物仿真驗證。飛行動力學(xué)半實物仿真軟件界面如圖5所示。

圖5 飛行動力學(xué)半實物仿真軟件界面Fig.5 Flight dynamics hardware-in-the-loop simulation software interface

2.2.4 集群地面監(jiān)控軟件

集群地面監(jiān)控軟件主要包括集群視景航跡展示、無人機仿真數(shù)據(jù)顯示、飛行姿態(tài)實時顯示、數(shù)據(jù)通信、自定義回傳等功能模塊。集群視景航跡展示模塊主要負(fù)責(zé)無人機集群飛行航跡展示，在二維地圖上實時顯示集群航跡。無人機仿真數(shù)據(jù)顯示和飛行姿態(tài)實時顯示模塊主要負(fù)責(zé)在集群地面監(jiān)控軟件上實時顯示無人機的仿真數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信模塊主要負(fù)責(zé)飛控裝置和集群地面監(jiān)控軟件之間的飛行數(shù)據(jù)傳輸。自定義回傳功能模塊回傳仿真數(shù)據(jù)到集群任務(wù)規(guī)劃軟件和動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)中，進行遙測數(shù)據(jù)的同步、二維和三維集群航跡展示。集群地面監(jiān)控軟件界面如圖6所示。

圖6 集群地面監(jiān)控軟件界面Fig.6 Swarms ground monitoring software interface

2.2.5 動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)

動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)的主要功能有集群作戰(zhàn)任務(wù)分配完成效能的評估、多任務(wù)作戰(zhàn)能力的評估和集群三維航跡飛行展示等。通過集群作戰(zhàn)場景的構(gòu)建，以及集群地面監(jiān)控軟件發(fā)送過來的集群仿真六自由度數(shù)據(jù)，實時在線驅(qū)動無人機集群進行三維航跡推演展示。通過仿真航跡和數(shù)據(jù)在線分析，完成集群作戰(zhàn)在線實時任務(wù)分配效能評估和多任務(wù)作戰(zhàn)能力的在線評估，高效完成對無人機集群在線仿真算法的驗證評估。動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)軟件界面如圖7所示。

圖7 動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)軟件界面Fig.7 Software interface of dynamic inferring visual simulation system

3 虛實結(jié)合半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)

固定翼無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)過程中主要用到集群規(guī)劃、虛實結(jié)合狀態(tài)同步和虛擬自組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)。虛實結(jié)合半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 虛實結(jié)合半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Key technology structure diagram of virtual combination and real hardware-in-the-loop simulation

3.1 集群規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

集群規(guī)劃是無人機集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，其研究重點是無人機集群、目標(biāo)群和任務(wù)群之間的合理優(yōu)化分配，實現(xiàn)集群任務(wù)分解、任務(wù)調(diào)度及航跡設(shè)計，是對集群有限資源的合理配置、分析和利用，進而實現(xiàn)無人機集群高效協(xié)同地完成任務(wù)。在無人機集群化作戰(zhàn)過程中，任務(wù)分配和航跡規(guī)劃等算法的設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[25]。任務(wù)分配和航跡規(guī)劃技術(shù)共同決定了無人機集群執(zhí)行相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)的順序關(guān)系、集群與任務(wù)目標(biāo)之間的映射關(guān)系和無人機集群可執(zhí)行最優(yōu)或相對最優(yōu)航線等，是保障無人機集群擁有完成相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)能力的關(guān)鍵技術(shù)。

任務(wù)規(guī)劃是無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的根基，其研究重點是任務(wù)、目標(biāo)以及無人機之間的優(yōu)化配置，實現(xiàn)對無人機集群具備的有限資源的合理配置、分析及利用達到任務(wù)的執(zhí)行和求解。無人機集群任務(wù)規(guī)劃基于本次作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場環(huán)境信息和任務(wù)的具體需求，對集群系統(tǒng)中的各個無人機分配一個或一組任務(wù)序列，從而保障無人機集群在執(zhí)行相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)時，可以有序地進行無人機個體與集群之間的協(xié)作，以保證完成任務(wù)。

航跡規(guī)劃是無人機集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)，航跡規(guī)劃的目的是在無人機能源、飛行性能以及地理環(huán)境等條件下，考慮到集群飛行的機間安全距離、編隊保持以及協(xié)同任務(wù)等多種約束條件，規(guī)劃出一條最優(yōu)或次優(yōu)的無人機飛行航跡，盡可能地發(fā)揮無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢，完成預(yù)期作戰(zhàn)任務(wù)。

3.2 虛實結(jié)合狀態(tài)同步關(guān)鍵技術(shù)

在無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計過程中，保證實物系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)仿真狀態(tài)同步一致與時鐘一致是進行虛實結(jié)合聯(lián)合同步仿真的關(guān)鍵點。針對以上兩個問題，該仿真系統(tǒng)設(shè)計并采用3個策略，保證實物系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)聯(lián)合，同步完成固定翼無人機集群在線虛實結(jié)合半實物的仿真。

首先，采用固定翼無人機六自由度模型一致策略，即保證虛擬系統(tǒng)中的無人機六自由度模型與硬件實物飛控裝置內(nèi)部的飛行動力學(xué)模型一致，該策略是虛實結(jié)合半實物仿真的基礎(chǔ)。其次，采用數(shù)據(jù)包計算速度步進方式同步的策略，即虛實結(jié)合仿真狀態(tài)一致策略，保證虛擬系統(tǒng)中固定翼無人機六自由度模型計算每一幀數(shù)據(jù)的速度與實物飛控裝置內(nèi)部模型計算每幀數(shù)據(jù)的速度一致；同時使虛擬系統(tǒng)和實物仿系統(tǒng)輸出六自由度仿真數(shù)據(jù)時間頻率一致，本文虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)采用30 ms每包數(shù)據(jù)傳輸速率。最后，應(yīng)用虛實系統(tǒng)時鐘一致策略，即虛擬系統(tǒng)與實物系統(tǒng)采用相同系統(tǒng)時間，即上位機系統(tǒng)時間，且虛擬仿真系統(tǒng)與實物仿真系統(tǒng)的仿真同時開始。

通過以上3個策略對固定翼無人機集群虛實結(jié)合半實物同步仿真起到了有效的保障，確保無人機集群虛實結(jié)合的半實物仿真系統(tǒng)對集群算法進行實時同步在線驗證。

3.3 虛擬自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

虛擬自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)腔赟ocket和UDP組播原理，應(yīng)用C++編程構(gòu)建的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并通過無人機集群通信協(xié)議制定，完成虛擬自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建。虛擬自組網(wǎng)模擬實物自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈通信功能，在實驗室仿真環(huán)境下，有效實現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)無人機集群數(shù)據(jù)的交互功能。

基于自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈模擬系統(tǒng)和硬件自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈聯(lián)合構(gòu)成虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，通過該虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)可以有效模擬虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)內(nèi)各無人機之間和無人機集群之間數(shù)據(jù)交互過程。通過該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)基于集群任務(wù)規(guī)劃軟件的人–集群在線動態(tài)交互控制，完成虛實結(jié)合無人機群實時在線任務(wù)分配、動態(tài)隊形變換和航跡規(guī)劃等任務(wù)。對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的多種集群任務(wù)進行合理分配，進一步保證無人機集群更快速更有效地實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)。

為了保證進行無人機集群算法驗證時，各個無人機航路點數(shù)據(jù)傳輸效率在該虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)內(nèi)可以得到最大化的利用。虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)應(yīng)采用主從式和分布式相結(jié)合的無人機集群分簇策略和分時分批傳輸航路點數(shù)據(jù)包策略，有效地減少了虛實結(jié)合自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包傳輸壓力，提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸效率。

4 系統(tǒng)應(yīng)用示例

4.1 虛實結(jié)合系統(tǒng)介紹

根據(jù)圖1所示的虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計方案，搭建出虛實結(jié)合半實物仿真實驗布置，如圖9所示。

圖9 虛實結(jié)合半實物仿真實驗布置Fig.9 Experimental arrangement of hardware-in-the-loop simulation based on virtual-reality combination

無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)在線仿真驗證過程如下。

（1）首先由集群任務(wù)規(guī)劃軟件進行無人機集群仿真戰(zhàn)場任務(wù)構(gòu)建，并通過網(wǎng)絡(luò)通道同步集群戰(zhàn)場任務(wù)場景到動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)上，完成場景同步功能。集群任務(wù)規(guī)劃軟件基于任務(wù)規(guī)劃算法生成預(yù)規(guī)劃航路點，通過Socket和組播原理把集群任務(wù)規(guī)劃軟件的通信模塊接入到虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)中?；谥贫ǖ臄?shù)據(jù)驅(qū)動協(xié)議，通過虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)把相應(yīng)無人機的預(yù)規(guī)劃航路點裝載給實物系統(tǒng)的智能規(guī)劃器和虛擬仿真系統(tǒng)的蜂群在線任務(wù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)。智能規(guī)劃器和蜂群在線任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)接收全自身對應(yīng)各個實物無人機或虛擬無人機的預(yù)規(guī)劃航路點，完成無人機集群預(yù)裝載航路點過程。

（2）無人機集群裝載好航路點后，控制實物系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)開始虛實結(jié)合聯(lián)合同步在線仿真。通過飛行動力學(xué)半實物仿真軟件在線控制實物系統(tǒng)的起始和結(jié)束，并通過虛擬仿真系統(tǒng)控制虛擬系統(tǒng)開始。虛實結(jié)合半實物仿真開始后，智能規(guī)劃器基于數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議和硬件串口，完成與飛控裝置和自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈等硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)更新；蜂群在線任務(wù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)基于內(nèi)部程序邏輯，實現(xiàn)與虛擬飛控和虛擬自組網(wǎng)數(shù)的在線交互過程；通過虛實結(jié)合自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)實現(xiàn)各無人機之間和無人機群與群之間的信息交互。同時，集群任務(wù)規(guī)劃軟件通過該通信系統(tǒng)完成人–集群交互功能，完成無人機集群在線動態(tài)規(guī)劃和任務(wù)分配等作戰(zhàn)任務(wù)調(diào)度功能。虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)通過硬件通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)通信，把集群六自由度仿真數(shù)據(jù)發(fā)送到集群地面監(jiān)控軟上，進行無人機集群仿真航跡展示。

（3）當(dāng)仿真數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊旱孛姹O(jiān)控軟件上時，集群地面監(jiān)控軟件實時顯示無人機的集群仿真航跡和姿態(tài)飛行數(shù)據(jù)。同時，集群地面監(jiān)控軟件回傳仿真數(shù)據(jù)到集群任務(wù)規(guī)劃軟件和動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)中，完成遙測數(shù)據(jù)的同步、二維和三維集群航跡展示等功能。通過動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)實現(xiàn)集群作戰(zhàn)任務(wù)分配完成效能的評估、多任務(wù)作戰(zhàn)能力的評估。虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)成一個包含無人機集群相關(guān)算法在線仿真驗證、航跡展示和作戰(zhàn)效能評估等功能的閉合回路平臺。通過不同的軟件全方位地顯示集群的仿真飛行航跡，多角度地分析驗證無人機集群任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、編隊控制和隊形變換等算法的效能，完成真實集群復(fù)雜場景中各個無人機的有效任務(wù)調(diào)度，確保集群算法的實時性和有效性。

4.2 應(yīng)用場景

為了驗證本文設(shè)計的固定翼無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)的實時性、有效性和穩(wěn)定性，搭建了 32架固定翼無人機集群虛實集合半實物仿真飛行實驗場景。該實驗場景包括5套實物飛控裝置、自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈以及智能規(guī)劃器的實物系統(tǒng)和27套虛擬飛控裝置的虛擬仿真系統(tǒng)。兩系統(tǒng)之間基于虛實結(jié)合自組網(wǎng)通信系統(tǒng)實現(xiàn)無人機集群之間的數(shù)據(jù)交互。虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)示意如圖10所示。

圖10 集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of UAV hardware-in-the-loop simulation system based on virtual-reality combination

32架固定翼無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真過程如下。

（1）基于集群任務(wù)規(guī)劃軟件完成 32架無人機集群戰(zhàn)場突防、偵查、打擊等場景的構(gòu)建。本實驗把32架無人機劃分為4個無人機群，通過任務(wù)規(guī)劃算法完成 32架無人機預(yù)規(guī)劃航路點的生成，并裝訂航路點到虛擬仿真系統(tǒng)和實物系統(tǒng)中，完成虛實結(jié)合半實物仿真的準(zhǔn)備工作。32架無人機集群作戰(zhàn)場景構(gòu)架圖如圖11所示。

圖11 32架無人機集群作戰(zhàn)場景構(gòu)架圖Fig.11 Swarms operation scenario architecture of 32 UAVs

（2）虛擬仿真系統(tǒng)中的蜂群在線任務(wù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)和實物系統(tǒng)中的實物智能規(guī)劃器裝載好自身對應(yīng)的無人機航路點后，啟動虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)生成的六自由度仿真數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口和 UDP等方式傳輸?shù)郊旱孛姹O(jiān)控，進行32架無人機集群二維航跡顯示。通過集群地面監(jiān)控軟件來分析集群任務(wù)規(guī)劃算法的可靠性。32架無人機集群地面監(jiān)控軟件二維展示圖如圖12所示。

圖12 32架無人機集群地面監(jiān)控軟件二維展示圖Fig.12 2D display of swarms ground monitoring software of 32 UAVs

（3）集群地面監(jiān)控軟件在顯示 32架無人機集群仿真航跡時，可通過無人機數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，實時監(jiān)控虛實結(jié)合系統(tǒng)傳輸過來的實時集群仿真數(shù)據(jù)。該模塊包括無人機姿態(tài)實時顯示功能和無人機仿真數(shù)據(jù)顯示功能，有效提高集群仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可視化性。集群地面監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖13所示。

圖13 集群地面監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面Fig.13 Data monitoring interface of swarms ground monitoring software

（4）集群地面監(jiān)控軟件在進行集群航跡與仿真數(shù)據(jù)可視化顯示的同時，基于集群地面監(jiān)控軟件的自定義任務(wù)回傳界面進行集群仿真數(shù)據(jù)回傳，遙測回傳飛行信息和姿態(tài)信息等仿真數(shù)據(jù)到動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)和集群任務(wù)規(guī)劃軟件，分別進行集群二維三維航跡同步展示。虛實結(jié)合仿真平臺由集群地面監(jiān)控軟件性能限制，目前支持32節(jié)點數(shù)目無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真。32架無人機集群地面監(jiān)控軟件的自定義遙測回傳界面如圖14所示。32架無人機集群動態(tài)推演三維航跡展示圖如圖15所示。

圖14 32架無人機集群地面監(jiān)控軟件的自定義遙測回傳界面Fig.14 Custom telemetry return interface for swarms ground monitoring software of 32 UAVs

圖15 32架無人機集群動態(tài)推演三維航跡展示圖Fig.15 Swarms dynamic inference 3D track display of 32 UAVs

（5）為了保證無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)的真實性，提高系統(tǒng)仿真精度，在系統(tǒng)中接入飛行動力學(xué)半實物仿真軟件。通過該軟件實時解算仿真數(shù)據(jù)，并把仿真大氣參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給實物飛控裝置，保證實物飛控裝置將內(nèi)部的導(dǎo)航數(shù)據(jù)替換為仿真數(shù)據(jù)，有效仿真模擬無人機戶外實際飛行狀態(tài)，使5架半實物仿真無人機更加接近實際飛行。再通過與27架虛擬無人機聯(lián)合集群仿真，保證無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)的仿真精度。飛行動力學(xué)半實物仿真軟件上5架無人機實時仿真參數(shù)界面如圖16所示。

圖16 飛行動力學(xué)半實物仿真軟件上5架無人機實時仿真參數(shù)界面Fig.16 Real-time simulation parameter interface of 5 UAVs in flight dynamics hardware-in-the-loop simulation software

從固定翼無人機32架無人機虛實結(jié)合半實物仿真的結(jié)果得出，該仿真平臺具有很好的實時性、穩(wěn)定性和真實性，可以有效保證相關(guān)無人機集群算法的驗證，降低實驗驗證成本，縮短算法開發(fā)周期。

5 結(jié)束語

針對固定翼無人機集群在復(fù)雜多變的作戰(zhàn)場景下，完成在線任務(wù)分配、任務(wù)決策、動態(tài)航跡規(guī)劃、隊形變換、偵查、打擊和評估于一體的無人機集群仿真問題，提出了無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案。在實驗室的環(huán)境下，基于實物系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)、集群任務(wù)規(guī)劃軟件、飛行動力學(xué)半實物仿真軟件、集群地面監(jiān)控軟件和動態(tài)推演視景仿真系統(tǒng)，搭建出一個結(jié)合數(shù)字仿真和半實物仿真的無人機集群算法在線仿真驗證、航跡展示、人機交互和作戰(zhàn)效能評估一體化的閉合回路虛實結(jié)合半實物仿真平臺。該平臺有效節(jié)約無人機集群半實物仿真硬件設(shè)備成本，實現(xiàn)大型無人機集群之間的協(xié)同配合在線仿真。通過設(shè)計32架4簇?zé)o人機集群作戰(zhàn)的仿真場景，驗證了該虛實結(jié)合半實物仿真平臺的實時性和穩(wěn)定性。

本文設(shè)計的固定翼無人機集群虛實結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)功能仍有提升空間，在后續(xù)研究設(shè)計工作中，實現(xiàn)實物機載傳感器的接入，完成對無人機集群戰(zhàn)場態(tài)勢信息注入和集群決策依據(jù)庫設(shè)計，使無人機集群依據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢信息，靈活實現(xiàn)無人機集群在線自主決策、任務(wù)分配和航跡自主規(guī)劃等功能。