[发明专利]无人机集群编队交互式仿真验证系统及实现方法

说明书

本发明涉及数值仿真、虚拟现实、脑机接口、人机交互、网络通信、软件开发等领域，为构建逼真的虚拟现实仿真场景，以无人机集群编队实时仿真数据驱动演示，通过多种人机交互设备实现人对仿真演示的干预，达到人在环(man‑in‑loop)的仿真效果，本发明，无人机集群编队交互式仿真验证系统及实现方法，包括分布式实时仿真器、宿主机、视景计算机即客户端、显示设备、人机交互设备，其中，由目标计算机组成仿真器负责运行实时仿真程序模拟无人机集群编队；宿主机运行服务器软件；视景计算机运行基于Unity开发的视景软件；人机交互设备通过视景软件集成实现人机交互。本发明主要应用于无人机仿真场合。

技术领域

本发明涉及数值仿真、虚拟现实、脑机接口、人机交互、网络通信、软件开发等领域，尤其涉及一种基于虚拟仿真的无人机集群编队控制方法验证领域，具体来说，是一种基于虚拟现实(VR)和人机交互技术的无人机集群编队控制算法的仿真验证平台。

背景技术

在无人机集群编队的研究领域，仿真技术具有重要地位。无人机集群编队的研发往往具有实验成本高、研究周期长等特点，利用仿真可以对前期研究的结论进行验证和评估，根据仿真的结果逐步完善系统方案的设计，缩短开发周期、节约开发成本。根据仿真层次的不同，传统的仿真技术可以分为全数字仿真和半实物仿真。全数字仿真将研究对象的数学模型和控制算法，编写成计算机可执行的程序，在仿真机上进行计算，输出反映仿真结果的数据、曲线等；半实物仿真在全数字仿真的基础上，将实际系统中的有关部件加入到仿真回路中，得到的结果更加接近实际情况。然而，两种传统仿真技术各有其局限性：全数字仿真仅依靠数据可视化，缺乏结果的直观性；半实物仿真系统搭建及其复杂，研发周期长、成本高。在现今航空航天研究领域，多机编队、人机协同、智能化成为趋势，对传统仿真技术带来了新的发展需求。

上世纪末，伴随着计算机图形学理论的突破性进展，虚拟仿真技术得到了越来越广泛的应用。虚拟仿真技术在传统的全数字仿真基础上，采用3D图形技术模拟真实环境与仿真对象，以图形化的方式来展现仿真结果，将使用者从繁琐的数据中解脱出来。相比于全数字仿真，虚拟仿真以三维可视化的形式展现仿真过程，结果更加直观；与半实物仿真相比，虚拟仿真充分利用当前过剩的计算机性能，采用虚拟方式模拟仿真过程，极大地节约了成本和开发周期。此外，基于人机交互技术实现人在回路(Man-In-Loop)仿真，以进行人—机协同系统的模拟，通过提高沉浸感来增强仿真或训练的效果，是虚拟仿真的另一大特点。美国国防高级研究计划署(DARPA)一直将虚拟仿真作为重点项目，从上世纪90年代开始陆续研发了SIMNET、JMASS等军用分布式虚拟仿真平台。各研究机构也有相当丰富的研究成果，比如德莱顿飞行研究中心的飞行器模拟驾驶系统实现了人机协同仿真，NASA喷气推进实验室虚拟火星探测系统等。目前，网络技术日趋成熟，图形渲染、感知、交互、VR/AR等技术应用逐渐成为市场和科研的热门领域，学科的交叉为虚拟仿真技术带来了新的突破。

虚拟现实(VR)技术在近年来被广泛应用于虚拟仿真中。虚拟现实基于显示(Display)、跟踪(Tracking)、三维注册(Registration)、交互(Interaction)等关键技术，使用户进入一个“沉浸式”的虚拟环境中。VR的实现通常需要特殊的显示设备，最常见的就是头戴式的显示设备(HMD-Head Mounted Device)。2016年4月，三大HMD厂商HTC、索尼和Oculus 几乎同时将自己的PC端HMD设备开放销售，这标志着VR技术正式走进了人们的生活，2016 年也被称为“VR元年”。VR技术的兴起也带动了新型交互技术的发展。基于丰富的感知技术和设备，新型交互技术允许人们使用语音、手势、肢体动作等自然的交互语言与计算机进行交互。在VR沉浸式环境中，传统按键与鼠标的交互方式对于用户变得不友好，使用手势和语音与虚拟场景交互成为了人们期待的方式，目前Leap Motion、Fingo等产品已经很好地实现了对手部多自由度的姿态追踪，而以百度语音、科大讯飞为代表的产品能够较为准确地实现语音识别。VR与交互设备既为用户提供了沉浸式的虚拟仿真环境，还实现了人在环仿真，如今硬件设备技术的成熟与成本的降低使其在虚拟仿真平台中的应用变得更加容易。