王冬寧

摘要：針對無人車作戰(zhàn)運(yùn)用仿真需要，分析了面向混合仿真的無人車作戰(zhàn)運(yùn)用仿真平臺系統(tǒng)架構(gòu)，梳理了數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)和半實(shí)物仿真分系統(tǒng)的組成與基本功能;針對混合仿真平臺對通信要求，提出了設(shè)計(jì)思路，具體針對自動駕駛儀和無人車半實(shí)物控制組件進(jìn)行通信設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用實(shí)踐表明：該通信機(jī)制實(shí)時性高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，可以很好地滿足仿真需要。

Abstract： Aiming at the need of unmanned vehicle operation simulation， the architecture of unmanned vehicle operation simulation platform for hybrid simulation is analyzed， the composition and basic functions of digital simulation subsystem and hardware-in-the-loop simulation subsystem are sorted out. Aiming at the communication requirement of hybrid simulation platform， the design idea is put forward and the communication between autopilot and semi-physical control module of unmanned vehicle is designed and realized. The application shows that the communication mechanism has high real-time performance and data accuracy which can meet the simulation requirements well.

關(guān)鍵詞：混合仿真;無人作戰(zhàn);半實(shí)物仿真;數(shù)字仿真;通信

Key words： hybrid simulation;unmanned combat;hardware in the loop simulation;digital simulation;communication

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0179-04

0? 引言

近年來，隨著無人技術(shù)的高速發(fā)展，無人作戰(zhàn)領(lǐng)域逐漸成為了各軍事強(qiáng)國角逐的新戰(zhàn)場。伴隨著無人車的發(fā)展，如何在實(shí)戰(zhàn)條件下進(jìn)行無人車的作戰(zhàn)使用，如何在使用過程中將無人車的作戰(zhàn)效能發(fā)揮到極致等問題已經(jīng)成為亟待解決的新問題。

混合仿真是當(dāng)前仿真領(lǐng)域的研究應(yīng)用熱點(diǎn)。通過將半實(shí)物仿真與數(shù)字仿真結(jié)合使用，以半實(shí)物仿真的輸出數(shù)據(jù)作為數(shù)字仿真的數(shù)據(jù)來源，可以有效提升底層數(shù)據(jù)的真實(shí)性，保證仿真結(jié)果的高置信度。本文以無人車作戰(zhàn)仿真為研究背景，基于混合仿真的無人作戰(zhàn)仿真平臺，對半實(shí)物仿真與數(shù)字仿真通信接口進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

1? 基于混合仿真的無人車作戰(zhàn)運(yùn)用仿真平臺

1.1 無人車作戰(zhàn)運(yùn)用仿真平臺系統(tǒng)架構(gòu)

充分發(fā)揮混合仿真優(yōu)勢，構(gòu)建無人車作戰(zhàn)運(yùn)用仿真平臺。仿真平臺主要由數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)和半實(shí)物仿真分系統(tǒng)組成。數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)和半實(shí)物仿真分系統(tǒng)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信。仿真平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1組成。

1.1.1 數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)

數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)主要包括紅方仿真引擎、藍(lán)方仿真引擎、想定編輯與仿真控制和態(tài)勢顯示四部分。

紅方仿真引擎：主要用于進(jìn)行紅方裝備的仿真推演，并在仿真過程中，對紅方裝備進(jìn)行仿真過程信息記錄。

藍(lán)方仿真引擎：主要用于進(jìn)行藍(lán)方裝備的仿真推演，并在仿真過程中，對藍(lán)方裝備進(jìn)行仿真過程信息記錄。

想定編輯與仿真控制子系統(tǒng)：作戰(zhàn)想定編輯輸入，用于仿真過程中紅、藍(lán)方行為的控制管理。

態(tài)勢顯示子系統(tǒng)：接收仿真過程中各數(shù)據(jù)信息，對戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時顯示。

1.1.2 半實(shí)物仿真分系統(tǒng)

無人車為多車集群作戰(zhàn)模式，半實(shí)物仿真分系統(tǒng)由n個無人車自動駕駛儀和n個無人車仿真節(jié)點(diǎn)共同組成。

無人車自動駕駛儀：為無人車核心控制器件，用于接收無人車感知的外部信息，進(jìn)行邏輯判斷并輸出控制命令，為半實(shí)物仿真分系統(tǒng)的核心組成部分。

無人車仿真節(jié)點(diǎn)：基于VR-Forces系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，用于模擬無人車作戰(zhàn)仿真環(huán)境，為無人車自動駕駛儀提供仿真過程中需要的內(nèi)部、外部的信息數(shù)據(jù)。具體包括：戰(zhàn)場環(huán)境信息，無人車態(tài)勢感知、路徑軌跡、路徑計(jì)算、智能行為、協(xié)同攻擊等算法。

1.2 數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)

數(shù)字推演仿真分系統(tǒng)基于VR-Forces系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。VR-Forces是VT MAK公司的CGF（計(jì)算機(jī)生成兵力）軟件，其底層通信基于VR-Link，支持DIS、HLA13、HLA1516、HLA1516e等分布式仿真協(xié)議。VR-Forces從頂層上分為前端（Front-End）和后端（Back-End），前端用于想定編輯與仿真控制，后端用于仿真推演計(jì)算。前后端可部署于不同的計(jì)算機(jī)上，通過網(wǎng)絡(luò)相連，支持單前端多后端、多前端單后端和多前端多后端等多種部署運(yùn)行模式，如圖 2所示。

VR-Forces中的核心是仿真對象，仿真對象具有狀態(tài)和行為。其行為結(jié)構(gòu)采用類似機(jī)器人的傳感器-控制器-執(zhí)行器組件結(jié)構(gòu)。傳感器創(chuàng)建外部模擬環(huán)境的模型，控制器是為執(zhí)行器提供控制輸入的行為模型，控制器實(shí)現(xiàn)物理模型。如圖3所示。

VR-Forces是一個開放的仿真平臺，通過VR-Forces API，創(chuàng)建集成定義的傳感器、控制器和執(zhí)行器組件，用戶可以修改現(xiàn)有實(shí)體的行為、模型和創(chuàng)建新的實(shí)體行為、模型。

1.3 半實(shí)物仿真分系統(tǒng)

1.3.1 無人車仿真節(jié)點(diǎn)

無人車仿真節(jié)點(diǎn)主要包括地面站模塊、模擬器模塊和無人車半實(shí)物控制組件三部分，基于VR-Forces設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

地面站模塊：模擬無人車群的指揮角色，主要用于進(jìn)行初始任務(wù)規(guī)劃、指揮命令信息下達(dá)等功能。

模擬器模塊：針對Pixhawk自動駕駛儀的主要功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建無人車的其他核心算法，包括路徑規(guī)劃、行進(jìn)路徑計(jì)算、協(xié)同攻擊算法等。模擬器模塊與自動駕駛儀匹配，形成一個完整系統(tǒng)的無人車模型，實(shí)現(xiàn)仿真平臺中無人車作戰(zhàn)運(yùn)用全過程仿真。

1.3.2 Pixhawk自動駕駛儀

Pixhawk是一款基于ARM芯片的開源自動駕駛儀，采用模塊化設(shè)計(jì)，兼容多種類型的硬件設(shè)備，支持支持運(yùn)行PX4固件和APM固件。PX4是Pixhawk的原生固件，專門為Pixhawk開發(fā)的一款開源自動駕駛儀軟件。PX4可以控制許多不同的車輛框架/類型，包括：飛機(jī)（多翼飛機(jī)，固定翼飛機(jī)和VTOLs），地面車輛和水下車輛。

PX4自動駕駛儀支持HIL（Hardware-in-the-Loop，硬件在回路）運(yùn)行模式，在這種模式下，正常的PX4固件在真實(shí)的控制器硬件上運(yùn)行。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在真實(shí)的硬件上執(zhí)行大多數(shù)實(shí)際的控制代碼。PX4自動駕駛儀和模擬器（位于無人車仿真節(jié)點(diǎn)）通過地面站（位于無人車仿真節(jié)點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)控制命令和車輛狀態(tài)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，PX4自動駕駛儀通過MavLink協(xié)議向外發(fā)送駕駛控制量（油門、方向、制動），接收車輛狀態(tài)數(shù)據(jù);模擬器通過TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)端口接收駕駛控制量，向外發(fā)送車輛模擬狀態(tài);地面站通過MavLink協(xié)議向PX4自動駕駛儀上傳飛行航路，控制PX4自動駕駛儀的飛行模式。

2? 混合仿真平臺通信機(jī)制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)思路

VR-Forces和PX4自動駕駛儀都采用了類似于機(jī)器人的傳感器-控制器-執(zhí)行器組件結(jié)構(gòu)，VR-Forces側(cè)重于戰(zhàn)場環(huán)境下的兵力對抗，PX4自動駕駛儀側(cè)重于單個實(shí)體的運(yùn)動控制。通過MavLink協(xié)議將PX4自動駕駛儀接入到VR-Forces的組件結(jié)構(gòu)中，創(chuàng)建PX4自動駕駛儀的代理控制器，PX4自動駕駛儀為VR-Forces提供無人車運(yùn)動駕駛控制指量，VR-Forces實(shí)現(xiàn)PX4自動駕駛儀所需的地面站功能和模擬器功能，為PX4自動駕駛儀運(yùn)動提供控制指令和運(yùn)動模擬狀態(tài)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)無人車的混合仿真系統(tǒng)。如圖4所示。

2.2 自動駕駛儀通信設(shè)計(jì)

PX4自動駕駛儀與計(jì)算機(jī)通過USB串口連接，采用MAVLink通信協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)自動駕駛儀的HIL模式仿真，具體通信數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2.1 自動駕駛儀工作狀態(tài)監(jiān)控

自動駕駛儀工作狀態(tài)監(jiān)控功能通過心跳（HEARTBEAT）消息，在MAVLink網(wǎng)絡(luò)上發(fā)現(xiàn)自動駕駛儀的存在，以及系統(tǒng)和組件id、車輛類型、組件類型和控制模式，判斷無人車能否開展仿真，以及在仿真過程中PX4系統(tǒng)的意外通信中斷等情況。

2.2.2 無人車路徑

自動駕駛儀支持多種控制模式，如手動模式、任務(wù)模式及返回模式等。在執(zhí)行任務(wù)模式前，必須向無人車上傳行動路徑，行動路徑由關(guān)鍵點(diǎn)組成，關(guān)鍵點(diǎn)包括位置、執(zhí)行命令信息。圖5為無人車仿真過程中上傳消息流程。

2.2.3 無人車模式設(shè)置

控制模式定義了自動駕駛儀如何響應(yīng)用戶輸入和控制車輛運(yùn)動。在作戰(zhàn)推演仿真中，實(shí)體的行為由任務(wù)驅(qū)動，如沿路徑運(yùn)動任務(wù)、開火任務(wù)等，所以VR-Forces和PX4的混合仿真中主要采用任務(wù)控制模式。任務(wù)控制模式執(zhí)行已上傳到自動駕駛儀的無人車路徑。

2.2.4 執(zhí)行器控制

執(zhí)行器控制是自動駕駛儀向外輸出的控制信號，在真實(shí)的無人車上，控制信號通過油門、方向和制動直接作用于車輛的動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)。在仿真中，通過HIL_ACTUATOR_

CONTROLS消息將控制信號輸出，運(yùn)動模型（在VR-Forces中是執(zhí)行器組件）根據(jù)輸入?yún)?shù)，執(zhí)行動力學(xué)解算。

2.2.5 無人車仿真狀態(tài)

在真實(shí)的無人車上，自動駕駛儀通過定位器、陀螺儀、磁力計(jì)等傳感器設(shè)備感知當(dāng)前車輛的狀態(tài)，并實(shí)時調(diào)整執(zhí)行器控制輸出。在仿真中，模擬器（運(yùn)動模型）通過動力學(xué)解算無人車的位置、姿態(tài)、速度和加速度參數(shù)，由HIL_STATE_QUATERNION消息發(fā)送給自動駕駛儀。

2.3 無人車半實(shí)物控制組件設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)新的VR-Forces控制器組件，可以將自動駕駛儀和通信接口與VR-Forces集成?？刂破鹘M件包含初始化、更新計(jì)算和退出三部分，無人車半實(shí)物控制組件的功能如下所示：

2.3.1 初始化

組件的初始化函數(shù)init（）在實(shí)體創(chuàng)建時刻調(diào)用，用于初始化組件運(yùn)行所必須的內(nèi)容，注冊任務(wù)回調(diào)，綁定輸出端口。在無人車半實(shí)物控制組件中，執(zhí)行以下初始化內(nèi)容：①查找自動駕駛儀連接串口，設(shè)置串口參數(shù)，打開串口;②創(chuàng)建MAVLink連接，啟動MAVLink消息處理線程，等待第一個MAVLink心跳消息;③設(shè)置自動駕駛儀為HIL仿真模式;④查詢自動駕駛儀當(dāng)前狀態(tài)，如當(dāng)前是解鎖狀態(tài)，則對自動駕駛儀加鎖;⑤注冊沿路線運(yùn)動任務(wù)（Move Along Task）;⑥注冊控制執(zhí)行器的油門、方向、制動輸出端口。