一种虚拟环境无人机群通信检测系统和方法与流程

1.本发明涉及无人机网络通信、软件开发、数值模拟等领域，具体涉及一种虚拟环境无人机群通信检测系统和方法。


背景技术：

2.无人机集群越来越成为热点研究技术，其灵活、自动化、远程化操作日益受到人类用户的关注。物理空间、动力能耗等诸多因素限制，室内复杂电磁环境、室外通信阻塞等等限制因素，无人机集群的机间通信、机与地面站间通信始终是制约无人机工作效率的制约因素。
3.现有无人机验证多采用理想环境验证方式，在程序设计上往往倾向于采用理想环境下通信情况，与实际工程实践中复杂多变的通信环境并不相符。


技术实现要素：

4.针对无人机实际使用环境下可能遇到的通信问题，本发明提出一种虚拟无人机集群通信检测系统，在高性能计算平台虚拟软件环境下，从理想无干扰、直达通信条件到多干扰、多路径、多时延、多终端通信环境下性能模拟测试，阐释多环境模式下无人机通信情况设计。所述系统在计算平台上运行，所述系统包括：物理计算引擎、多个通信模块、多个单无人机机体以及与所述单无人机机体一一对应的多个单无人机模拟模块；
5.所述物理计算引擎，用于在所述计算平台上构建模拟现实理想条件下无人机飞行的虚拟环境，并在所述虚拟环境中加载所述单无人机机体；多个单无人机模拟模块之间通过所述通信模块两两互相连接；所述每个单无人机模拟模块基于预设的数据结构和通信机制与对应的单无人机机体建立控制反馈链接；
6.所述通信模块，用于基于计算平台发出的通信检测指令控制自身的通断；处于接通状态的通信模块与连接的单无人机模拟模块构成通信链路，所述处于接通状态的通信模块还用于检测所述通信链路的通信情况并进行通信质量评估；
7.所述单无人机模拟模块基于所述通信模块的通断情况和\或处于接通状态的通讯模块检测到的通信链路的通信情况控制对应的单无人机机体的动作并在所述物理计算引擎中反应；
8.其中，所述通信检测指令用于模拟多种通信模式。
9.进一步的，所述通信模块包括：通信功能子模块和通信辅助子模块；
10.所述通信功能子模块，用于根据所述计算平台发出的通信检测指令进行通信模式的确定和通信链路的建立；
11.所述通信辅助子模块，用于读取所述通信功能子模块建立的通信链路情况和通信数据，监控或回放处于连通状态的通信模块构建的通信链路的通信情况；
12.所述通信模式包括：理想全通通讯、部分无人机分簇通信、单链式通信、随机干扰、多径效应叠加、错误帧干扰和部分无人机失联。
13.进一步的，所述通信功能子模块包括：相互连接的通信系统接口单元、通信模式单元和通信配置文件单元；
14.所述通信配置文件单元，用于根据所述通信检测指令确定通信配置要求；
15.所述通信模式单元，用于根据所述通信配置单元传送的通信配置要求确定通信模式；
16.所述通信系统接口单元，用于基于所述通信模式确定链接对象，控制与所述链接对象之间通信接口的通断。
17.进一步的，所述通信辅助子模块包括：相互连接的通信日志单元、通信网络图谱单元和可视化通信网络状态监视单元；
18.所述通信日志单元，用于记录最少一个任务周期的通信链接情况和通信数据；
19.所述可视化通信网络状态监视单元，用于根据所述通信日志单元传递的数据实时监控或回放通信链接情况，获取通信链路的稳定性和通信数据的流通性数据；
20.所述通信网络图谱单元，用于根据所述可视化通信网络状态监视单元传递的数据绘制包括通信链路链接方式和链接质量的通信网络图谱。
21.进一步的，所述通信辅助子模块还包括：通信情况评估单元，用于根据所述可视化通信网络状态监视单元传递的通信链路的稳定性和通信数据的流通性数据，基于预先建立的评估指标分析评估通信质量和通信模块在无人机群任务执行过程中的表现。
22.优选的，所述单无人机模拟模块采用容器技术，整合无人机决策、路径和控制到一个可多重复制的模块中。
23.一种应用虚拟环境无人机群通信检测系统的通信检测方法，包括：
24.在计算平台上建立包括物理计算引擎、单无人机机体、单无人机模拟模块和通信模块的通信检测模拟环境；
25.在所述通信检测模拟环境中，所述通信模块基于无干扰且直达通信、维持全部无人机任意两两互相通信情况，进行理想状态虚拟无人机通信检测，并记录检测执行过程及结果；
26.依据通信检测需求，所述计算平台发出模拟多种通信模式的通信检测指令；
27.所述通信模块根据所述通信检测指令构建对应单无人机模拟模块之间的通信链路，并对所述通信链路的通信质量进行评估。
28.优选的，所述在计算平台上建立包括物理计算引擎、单无人机机体、单无人机模拟模块和通信模块的通信检测模拟环境，包括：
29.所述物理计算引擎生成模拟现实理想条件下无人机飞行的虚拟环境，并在所述虚拟环境中加载与单无人机模拟模块一一对应的单无人机机体；
30.多个所述单无人机模拟模块之间通过所述通信模块两两互相连接；
31.所述每个单无人机模拟模块基于预设的数据结构和通信机制与对应的单无人机机体建立控制反馈链接。
32.优选的，所述通信模块根据所述通信检测指令构建对应单无人机模拟模块之间的通信链路，并对所述通信链路的通信质量进行评估，包括：
33.所述通信模块根据所述通信检测指令设置包含不同通信故障条件及条件组合的通信模式，建立物理计算引擎与单无人机模拟模块之间、多个单无人机模拟模块之间以及
无人机集群与所述物理计算引擎之间的不同通信情况的通信链路；
34.所述通信模块基于所述不同通信情况的通信链路进行各种异常情况的虚拟无人机通信检测，并记录检测执行过程及结果；
35.所述通信模块以所述理想状态虚拟无人机通信检测执行结果为判别基准，对所述各种异常情况的虚拟无人机通信检测执行情况和通信质量进行评估。
36.进一步的，所述包含不同通信故障条件及条件组合的通信模式，包括：多路径、多干扰、多错误、通信随机中断随机时间后恢复、通信中断后不恢复以及随机组成不同组且组与组之间不通信。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
38.本发明提供一种运行于计算平台的虚拟环境无人机群通信检测系统，所述系统包括：物理计算引擎、多个通信模块、多个单无人机机体以及与所述单无人机机体一一对应的多个单无人机模拟模块；所述物理计算引擎，用于在所述计算平台上构建模拟现实理想条件下无人机飞行的虚拟环境，并在所述虚拟环境中加载所述单无人机机体；多个单无人机模拟模块之间通过所述通信模块两两互相连接；所述每个单无人机模拟模块基于预设的数据结构和通信机制与对应的单无人机机体建立控制反馈链接；所述通信模块，用于基于计算平台发出的通信检测指令控制自身的通断；处于接通状态的通信模块与连接的单无人机模拟模块构成通信链路，所述处于接通状态的通信模块还用于检测所述通信链路的通信情况并进行通信质量评估；所述单无人机模拟模块基于所述通信模块的通断情况和\或处于接通状态的通讯模块检测到的通信链路的通信情况控制对应无人机机体的动作并在所述物理计算引擎中反应。本发明提供的技术方案在通信模块的支持下对无人机端、物理引擎端建立通信链路，实现无人机间、单无人机与物理引擎间、无人机集群与物理引擎间通信模拟检测。
39.本发明提供的技术方案从理想无干扰、直达通信条件过渡到多干扰、多路径、多时延、多终端通信的通信实现方式很好的解决了虚拟世界中通信过于理想化的问题，从而更好地推进无人机集群实物的演进。
附图说明
40.图1为本发明的一种虚拟环境无人机群通信检测系统架构图；
41.图2为本发明的一种虚拟环境无人机群通信检测方法流程图；
42.图3为本发明实施例中虚拟环境无人机群通信检测系统执行流程图。
具体实施方式
43.为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
44.实施例1：
45.本发明实施例提供的虚拟环境无人机群通信检测系统，其中的“系统”是指软件系统以及其对应的仿真环境系统，其具体架构如图1所示，包含多个单无人机模拟模块、通信链路模块以及物理引擎计算平台模块。在较高性能运算平台上，有线网络或计算机内部网络架构内，通过对通信的链接数量、数据稳定程度、数据有效程度、时延性等多种方式的组
合，例如维持全部无人机任意两两互相通信情况下，通信由理想变为受干扰、多路径效果，再变为断断续续，再变为大量错误帧，最后变为通信网络中断。同时也可在整个无人机群内部非两两链接方式，以树状分布链接，间接实现无人机群通信，在间接通信情况下进行通信情况由好到差再到中断的变化，实现无人机模拟端和物理引擎计算端的通信链接模拟检测，单机和单机之间，单机和物理引擎间，集群和物理引擎间通信。
46.系统主要由多个(至少一个)单无人机模拟模块、通信模块、物理计算引擎组成，其中物理计算引擎将现实世界中较为理想条件下无人机飞行所需环境参数数字化在虚拟空间中展示；单无人机模拟模块采用容器技术手段，将无人机决策、路径、控制整合到一个可以多复制模块中，实现虚拟世界对现实环境中无人机集群的再现；通信模块为整个系统的最关键点，其首先保障单个无人机模拟模块与物理引擎之间的通信，单无人机之间的通信，同时具备通信环境的多种情况的模拟，例如但不限于，理想全通通讯实现、部分无人机分簇通信实现、单链式通信实现、随机干扰、多径效应叠加、错误帧干扰、部分无人机失联等通信情况模拟。无人机模拟模块与通信模块一一对应，物理引擎计算平台对应一个通信模块。
47.通信模块分为功能子模块：通信配置文件单元、通信模式单元、通信系统接口单元以及辅助子模块：通信日志单元、可视化通信网络状态监视单元、通信网络图谱单元、通信情况评估单元。辅助性部分不保证即时性，优先确保功能性，在测试时候，日志可以全过程开启，辅助性部分可以根据日志进行回放，尤其在恶劣通信环境下，通信不稳定，辅助性行为会加重通信链接负荷。即日志记录全过程，包括自身和数据，只要用到通信就要进行记录，空间不足或者最小设置，保留最近一次。
48.其中通信系统接口单元和通信模式单元、通信配置文件单元决定了通信模块在系统中的使用方式，通信日志单元、通信情况评估单元用于分析评估通信质量以及通信模块在无人机群任务执行过程中表现，通信网络图谱单元和可视化通信网络状态监视单元用于监控或回放通信模块在各个阶段的状况。通信模块优先确保通信链路，即通信模式单元读取配置文件单元确定的信息，开启通信接口的通信链接，确保在可建立稳定通信情况下，用于通信的数据处于可流通状态。
49.辅助子模块中日志单元生命周期最长，记录最少一个任务周期的链接情况和通信数据，理想情况下日志记录通信模块启动后整个模块范围内全部信息，包括通信模块自身运行过程，以及对应传输数据，回放日志时，则可以回放通信涉及的全部信息；监视类辅助单元不确保即时性，优先确保通信链路的稳定性，理想情况下，可视化通信网络状态监视单元可以实时监控通信模块所有状态；通信评估单元，根据通信链路的稳定性、数据的流通性，给出较为主观评估，可以根据实际需求对于通信质量建立一定指标，一般和理想情况下对比，也可以人为设定参数，进行评判对比，快速给出相关估计。
50.通信链路的建立如附图3所示，启动系统后，无人机群环境建立，无人机模型加载通信模块，通信模块根据通信配置模块所需配置文件，由通信模式模块确定通信的具体细节，再由通信接口确定链接对象，从而建立通信链路，物理引擎与无人机群建立通信链接，系统通信链路完成建立。通信链路建立完成，则可以根据配置文件的描述进行从理想无干扰、直达通信条件过渡到多干扰、多路径、多时延、多终端通信的测试，以从理想条件到恶劣环境为例，即，以理想情况下通信为基础，记录完成执行任务流程，依次设置通信模块多路径、多干扰、多错误、通信随机中断随机时间后恢复、通信中断后不恢复、随机组成不同组，
组与组之间不通信等多种模式，记录任务执行过程，与理想情况基准对比，进行评估。
51.理想条件下通信情况与无人机群任务执行情况作为判别基准，对不同通信情况下无人机群任务执行度进行评估，用于检测无人机群在不同通信情况下完成给定任务的算法鲁棒性。
52.附图3系统验证流程如下：建立无人机端通信节点，通信链路，物理引擎端通信节点。系统建立之后，利用通信链路模块的多变性、多种组合方式，对整体无人机集群进行多通信情景下的测试。
53.实施例2：
54.基于同一发明构思，本发明还提供一种应用虚拟环境无人机群通信检测系统的通信检测方法，其流程图如图2所示，包括：
55.s101：在计算平台上建立包括物理计算引擎、单无人机机体、单无人机模拟模块和通信模块的通信检测模拟环境；
56.s102：在所述通信检测模拟环境中，所述通信模块基于无干扰且直达通信、维持全部无人机任意两两互相通信情况，进行理想状态虚拟无人机通信检测，并记录检测执行过程及结果；
57.s103：依据通信检测需求，所述计算平台发出模拟多种通信模式的通信检测指令；
58.s104：所述通信模块根据所述通信检测指令构建对应单无人机模拟模块之间的通信链路，并对所述通信链路的通信质量进行评估。
59.具体的，步骤s101，在计算平台上建立包括物理计算引擎、单无人机机体、单无人机模拟模块和通信模块的通信检测模拟环境，具体包括：
60.物理计算引擎生成模拟现实理想条件下无人机飞行的虚拟环境，并在虚拟环境中加载与单无人机模拟模块一一对应的单无人机机体；
61.多个所述单无人机模拟模块之间通过通信模块两两互相连接；
62.每个单无人机模拟模块基于预设的数据结构和通信机制与对应的单无人机机体建立控制反馈链接。
63.具体的，步骤s104，所述通信模块根据所述通信检测指令构建对应单无人机模拟模块之间的通信链路，并对所述通信链路的通信质量进行评估，具体包括：
64.通信模块根据通信检测指令设置包含不同通信故障条件及条件组合的通信模式，建立物理计算引擎与单无人机模拟模块之间、多个单无人机模拟模块之间以及无人机集群与所述物理计算引擎之间的不同通信情况的通信链路；
65.通信模块基于不同通信情况的通信链路进行各种异常情况的虚拟无人机通信检测，并记录检测执行过程及结果；
66.通信模块以理想状态虚拟无人机通信检测执行结果为判别基准，对各种异常情况的虚拟无人机通信检测执行情况和通信质量进行评估。
67.其中，包含不同通信故障条件及条件组合的通信模式，包括：多路径、多干扰、多错误、通信随机中断随机时间后恢复、通信中断后不恢复以及随机组成不同组且组与组之间不通信。
68.实施例3：
69.本发明实施例针对无人机集群软件模拟系统通信流程，通过在通信模块的支持下
对无人机端、物理引擎端建立维持通信状态的通信节点和节点间的通信链路，实现无人机间、单无人机与物理引擎间、无人机集群与物理引擎间通信模拟检测。
70.所述无人机端通信节点采用数据分发服务分布式传输，对于无人机集群组网每一个节点通信可靠性、稳定性、鲁棒性进行评估，采用逐步增加通信网络复杂度方式进行检测，例如针对性对简单二端网络、多点网络进行检测；继而增加阻塞、延时；再增高斯信号、瑞利信号等等干扰，最后再增加随机选择通信链路数据，进行复制增长、删减等容错性检测。
71.在建立起基本的虚拟无人机集群环境后，通信节点进行一系列通信情况的组合变更，对整个无人机集群在不同通信能力情况下，进行检测。综合将整个通信尽可能多的遇到情景进行检测，为无人机鲁棒性、可用性通信模组提供全面检测。
72.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
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rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
73.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
74.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
75.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
76.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。