一種組件化的無人機機動模型設(shè)計與實現(xiàn)

郭子卉，王學文，岳忠奇，謝斌斌，付 浩

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

信息化時代背景下，作戰(zhàn)仿真訓練系統(tǒng)是當前研究軍事作戰(zhàn)活動的有效手段。軍用無人機作為現(xiàn)代空中軍事力量中的一員，具有無人員傷亡、使用限制少、隱蔽性好、效費比高等特點，在聯(lián)合作戰(zhàn)中配合各兵種參與火力支援、戰(zhàn)場偵察、電子對抗等作戰(zhàn)任務，逐漸成為了不可或缺的作戰(zhàn)主體［1］。因此，在仿真作戰(zhàn)系統(tǒng)中，構(gòu)建無人機仿真模型成為作戰(zhàn)仿真模型研究的重要方向，而機動模型作為任務行動中最基本的行為模型，是作戰(zhàn)仿真訓練的基礎(chǔ)。

組件化建模作為近年來發(fā)展的建模方法，不但能夠解決模型開發(fā)工作量大的問題，同時也是增強模型互操作性和重用性的有效手段。本文的仿真環(huán)境使用Xsim5.0 可擴展仿真平臺，該平臺為國產(chǎn)化仿真平臺，支持組件化建模技術(shù)。蘇玉婷等運用Xsim3.2 平臺進行了戰(zhàn)術(shù)機動的基本構(gòu)建［2］，劉波韜等也基于Xsim4.5 平臺對榴彈炮模型進行了開發(fā)設(shè)計工作［3］，并且都得到了良好的實驗結(jié)果。本研究以無人機為模板，首先采用EATI 建模方法對無人機實體模型進行概念設(shè)計，通過編寫概念模型模板對描述對象及其動作過程和軍事規(guī)則給出一個集中和規(guī)范化的描述；其次對空中機動行為進行描述設(shè)計，并基于組件建模技術(shù)，以固定翼為例，開發(fā)無人機空中機動組件，實現(xiàn)空中機動行為；通過模型組裝工具將無人機實體進行組裝，并在想定編輯工具中部署實體，最后通過仿真推演來驗證了模型的可用性與合理性。

1 組件化建模

組件化建模方法區(qū)別于傳統(tǒng)的建模方式，不再以實體對象為中心，而是以組建為核心，采用“組件化”的思想，將實體對象的功能和屬性單獨封裝成原子組件。組件通過共享數(shù)據(jù)和控制指令的形式傳遞信息［4］，模型通過開放的接口接收數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應的任務。仿真建模時，只需要根據(jù)實體對象的實際需求，將不同功能和屬性的組件與實體進行組裝完成建模。組件化建模技術(shù)在每次新建模型時無需從頭開發(fā)，而是以模型組裝的方式直接形成仿真應用模型，同類型的組件還可以根據(jù)實際修改參數(shù)形成新的組件復用到模型中，增加了模型的可重用性，在很大程度上提高了建模效率，節(jié)省了模型開發(fā)的工作時間。

組件是對武器裝備或作戰(zhàn)系統(tǒng)中最小可分辨單位進行建模。按照建模對象的功能類別，組件可以分為平臺組件、通信組件、機動組件、武器組件、認知組件、行動組件、傳感器組件和輔助組件等幾大類，每類組件則對應一類特定功能的組件，它不能脫離實體模型運行。

實體模型是組件模型的組合，每類實體對應一種軍事總體設(shè)計中模型體系的一類葉子模型，同類實體模型具有統(tǒng)一的模型框架，基于該框架，開發(fā)各類實體模型。

2 模型設(shè)計

2.1 實體描述

2.1.1 實體元描述

利用EATI 方法對無人機進行建模［5］，以單個無人機為最小的作戰(zhàn)單元模塊，對無人機實體展開具體描述，實體元模型可通過四元組進行表示：

式中，N 為實體標識，描述實體的名稱；TE 為實體執(zhí)行任務；AT 為實體屬性的集合；AC 為實體動作的集合，無人機實體元模型的具體描述如表1 所示。

表1 無人機實體元模型Table 1 Entity meta-model of UAV

2.1.2 動作元模型描述

動作是由實體模型執(zhí)行的，主要對模型主體所涉及的所有動作行為及其功能進行描述。動作元模型可以通過五元組進行表示

其中，ACN 為動作名稱，表示每一個原子行為模型的名稱；ACFS 為功能段，表示每一個動作所完成的具體功能；ACIS 為輸入信息，表示每一個動作的出發(fā)條件；ACOS 為輸出信息，表示動作執(zhí)行完成后的輸出信息；ACCS 為控制段，描述相關(guān)行為動作的規(guī)則。具體描述如表2～表3 所示。

表2 無人機動作元模型Table 2 Action meta-model of UAV

表3 機動系數(shù)修正表Table 3 Maneuver coefficient correction table

表4 無人機屬性元模型Table 4 Attribute meta-model of UAV

2.1.3 屬性元模型描述

屬性元模型（AT）表述實體模型的各種屬性［6］，通過四元組表示：

其中，ATIS 表示標識屬性段，主要描述模型所屬方、級別和唯一標識符；ATOS 表示實體的實力屬性包括組成人數(shù)、裝備數(shù)等；ATDS 為實體的動態(tài)屬性，描述模型的承載狀態(tài)、行動方式、空間位置、毀傷程度等；ATTS 表示實體的任務屬性，表示該實體模型執(zhí)行任務的內(nèi)容，狀態(tài)標志等。

2.2 實體模型設(shè)計

根據(jù)無人機的結(jié)構(gòu)組成和作戰(zhàn)需求，無人機模型需要具備空中機動、偵察和通信等功能來滿足作戰(zhàn)任務的基本需求，因此，無人機實體搭載的組件模板主要包括空中機動組件，傳感器組件和通信設(shè)備組件?？罩袡C動組件的作用是通過模擬無人機運動狀態(tài)，實現(xiàn)無人機實體運動過程仿真。以機動組件模板為基類，通過重寫關(guān)鍵方法類開發(fā)出適用于無人機的空中機動組件；傳感器組件主要實現(xiàn)無人機對目標的探測功能，是探測設(shè)備的基類，用于探測設(shè)備的仿真。不同的探測設(shè)備都是在通用類傳感器組件模板的基礎(chǔ)上，根據(jù)各類設(shè)備功能屬性的不同，例如探測距離，探測范圍大小等，擴展而成的多種類別的探測設(shè)備組件；通信組件是通信設(shè)備組件的基類，提供了通信設(shè)備開關(guān)機標志、加入的網(wǎng)絡(luò)列表等基本屬性和方法。通信設(shè)備組件是仿真作戰(zhàn)實體間信息交互所需的物理設(shè)備，實現(xiàn)實體對通信信號的收發(fā)及處理能力，如無線電臺、路由設(shè)備等。無人機實體模型設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 平臺級無人機實體模型設(shè)計Fig.1 Entity model design for platform-level UAV

3 固定翼機動組件開發(fā)

3.1 固定翼機動模型描述

空中機動模型由指揮員下達機動命令后開始執(zhí)行，模型開始需要判斷接收單位的實體是否為生存狀態(tài)，若單位實體為死亡狀態(tài)則停止任務，發(fā)送任務調(diào)度失敗報告；實體存活狀態(tài)判斷結(jié)束后進入任務參數(shù)判斷檢查，檢查是否正確輸入路徑點、任務開始和結(jié)束時間，若輸入的任務參數(shù)有誤或者缺少輸入信息，則任務終止并發(fā)送任務調(diào)度失敗報告；在任務調(diào)度成功后，獲取機動組件的最大機動速度和機動周期，獲取高程、天氣等環(huán)境數(shù)據(jù)進行速度修正；在執(zhí)行任務過程除考慮到環(huán)境因素外，增加了是否遇敵和油耗的判斷，并根據(jù)判斷來進行機動速度的調(diào)整和機動目的地的調(diào)整［7-9］，模型的實現(xiàn)流程如圖2 所示。

圖2 機動組件實現(xiàn)流程圖Fig.2 Flow chart of mobile component implementation

3.2 固定翼機動組件開發(fā)

基于Xsim5.0 的建模機制，在模型開發(fā)階段，主題作為數(shù)據(jù)的載體進行存儲與傳輸。所謂主題，概括來講為功能名稱和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，主題通過發(fā)布和訂閱模式進行數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和消費。模型的靜態(tài)數(shù)據(jù)即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和初始化主題數(shù)據(jù)以主題的方式存儲，并保存在模板以及想定之中。模型的動態(tài)數(shù)據(jù)由各功能性組件在運行時產(chǎn)生并公布在域中，用于數(shù)據(jù)交互。因此，在機動組件開發(fā)階段，首先需要創(chuàng)建機動組件的初始化信息主題和定義基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主題，梳理空中機動組件所需要的相關(guān)屬性并確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容，再根據(jù)功能需求完成模型關(guān)鍵方法的實現(xiàn)，最后在模型開發(fā)完畢并正確編譯后打包發(fā)布模型。

3.2.1 無人機基礎(chǔ)信息結(jié)構(gòu)

無人機固定翼機動組件主要描述無人機在戰(zhàn)場環(huán)境下的運動過程，針對平臺的運動進行建模，如機身的運動。固定翼機動組件繼承機動組件基類，通過提供的接口，設(shè)定的機動參數(shù)及屬性完成對機動的處理。

無人機固定翼機動組件定義了機動的初始化數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)以及初始化數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主題，其定義格式如圖3 所示。

圖3 定義機動組件主題Fig.3 Define mobile component topic

固定翼機動組件通過繼承的方式，在原本的機動基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如機動的最大速度、積分步長的基礎(chǔ)上又新增了巡航速度、飛行高限、飛行低限、能源配置等相關(guān)數(shù)據(jù)屬性，如表5 所示。

表5 機動組件屬性表Table 5 Maneuver component attribute table

3.2.2 位置解算

在固定翼機動組件模型的構(gòu)件中，無人機實體起飛時模擬了機動勻加速直線運動的過程，采用沿機動點的機動方式進行位置解算。在無人機速度達到設(shè)定的巡航速度時，實體按照給定的速度，在相同的時間段內(nèi)向指定的方向運動相同的距離，按勻速直線運動機動，實體位置更新機制公式如下：

式中，P1表示下一時刻的實體位置坐標；P0表示實體的當前位置坐標；P0Pt表示P0與P1的直線距離；v為實體速度；ΔT 表示仿真步長。

3.2.3 路徑規(guī)劃

固定翼機動模型在該位置更新機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合戰(zhàn)場地形環(huán)境因素，在模型中考慮了路徑規(guī)劃的問題，將基于蛇優(yōu)化智能算法的三維路徑規(guī)劃算法引入到機動模型組件當中。

蛇優(yōu)化算法（SO）是2022 年HASHIM F A 和HUSSIEN A G 兩位教授提出的一種基于蛇行為的元啟發(fā)式算法［10］，該算法的基本思路可以概括為當蛇在沒有食物的條件下，就會去尋找食物；當蛇處于有食物且溫度較高的條件下，就向食物位置靠近即向全局最佳適應度靠近；當蛇處于溫度較低且食物充足的情況下，蛇以一定的概率發(fā)生交配行為或者是戰(zhàn)斗行為。蛇優(yōu)化算法通過模擬蛇在自然界中的覓食、戰(zhàn)斗、交配等行為，能夠快速高效求解出目標函數(shù)的最優(yōu)解。在無人機固定翼機動模型中，考慮到飛行高度、飛行距離和安全性的約束條件［11］，其代價公式如下。

無人機飛行所經(jīng)過的路徑點坐標用Pij=（xij，yij，zij）表示，用Xi用來存儲無人機飛行的第i 個路徑列表，兩個路徑點之間的距離用||PijPi，j+1||表示，路徑長度成本函數(shù)F1（Xi）為：

佛羅里達的迪士尼樂園里主要的云霄飛車，最高點“只有”兩百尺（約十五層樓高）。云霄飛車從十五層樓高的地方俯沖下來，很恐怖吧，怎么會說“只有”呢？

建立無人機實體模型，涉及無人機自身體型參數(shù)的影響，因此，在路徑規(guī)劃時要考慮無人機通過障礙所造成的威脅，以此來設(shè)計安全性成本函數(shù)。在實驗設(shè)計時，用圓柱體表示每一個威脅，K 為所有威脅的集合，設(shè)實驗環(huán)境中總共有m 個威脅障礙。取無人機直徑為D，分別設(shè)置一個以Ck 為圓心，Rk+D 為半徑的碰撞區(qū)域和以Ck 為圓心，S 為半徑的危險區(qū)域，如下頁圖4 所示。

圖4 威脅成本Fig.4 Threat cost

當無人機與Ck的直線距離dk小于Rk+D 時，無人機進入碰撞區(qū)域，有100%的概率發(fā)生碰撞；當無人機與Ck的直線距離dk大于Rk+D，小于S 時，無人機進入危險區(qū)域，考慮到如雷達探測信號減弱等因素的影響，有一定的概率發(fā)生碰撞；當無人機與Ck的直線距離dk大于S 時，無人機不會發(fā)生碰撞。結(jié)合無人機飛行路徑段，安全性成本函數(shù)F2（Xi）為：

根據(jù)無人機最大飛行高度hmax和最小飛行高度hmin兩個參數(shù)，結(jié)合路徑點Pij得出高度代價公式F3（Xi）

結(jié)合無人機飛行路徑約束，飛行高度約束以及安全性約束，根據(jù)上述公式可得到總成本函數(shù)為：

其中，bk為權(quán)重系數(shù)，F(xiàn)1（Xi）到F3（Xi）分別是路徑長度，安全性以及飛行高度，Xi作為決策變量，包括n個航路點的列表Pij=（xij，yij，zij）。

為了驗證蛇優(yōu)化算法性能，實驗運用matlab 工具并加入了粒子群算法（PSO）與基于蛇優(yōu)化的三維路徑規(guī)劃算法進行對比驗證［12］。在本次實驗中，設(shè)置了9 個不同大小的圓柱體構(gòu)成無人機飛行的威脅環(huán)境，設(shè)置兩架無人機作為實驗對象，第1 架無人機設(shè)置的起點坐標為（150，200，150），終點坐標為（800，800，150），途徑路徑點n 為12；第2 架無人機設(shè)置的起點坐標為（400，100，150），終點坐標為（900，550，150），實驗結(jié)果如圖5～圖6 所示。

圖5 SO 與PSO 算法運行結(jié)果Fig.5 Operation results of SO and PSO algorithms

圖6 最優(yōu)代價變化曲線圖Fig.6 Optimal cost change curve

從實驗結(jié)果可以看出，PSO 算法尋找的最優(yōu)路徑與障礙物發(fā)生碰撞，無法找到兩條成本約束下的最優(yōu)路徑，而SO 算法尋優(yōu)能力較強，成功避開障礙，尋找到兩條最優(yōu)路徑，因此，選取蛇優(yōu)化算法應用在三維路徑規(guī)劃當中。

固定翼機動組件基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)平臺，使用qt 編程工具，C++語言進行開發(fā)。實體采用沿機動路線機動的方式進行機動，實體模型以機動路徑點參數(shù)為機動輸入數(shù)據(jù)，記錄實體所處的路段，令路段數(shù)為i，則當前實體的目標點即為給定路線的第i+1 個路徑點，當路段變量達路線的路近點總數(shù)時，判定機動任務完成。

在模型開發(fā)階段，采用GetMotionParam（）的方法設(shè)置機動參數(shù)，通過CreateMotionParam（）創(chuàng)建沿路徑點列表機動參數(shù)，GetCurrentWaypoint（）獲取路徑點機動參數(shù)的當前路徑點，GetNextWaypoint（）獲取當前路徑點之后的一個路徑點，再調(diào)用GetWaypointByNumber（UINT32 Number）來根據(jù)路徑點編號從路徑點列表中獲取路徑點，任務所需機動參數(shù)獲取完成，通過PrepareData（）方法為仿真運行作最后數(shù)據(jù)檢查；SO（）方法將SO 算法進行封裝，在機動組件核心方法Motion（）中，用GetMotionParam（）來獲取實體的機動參數(shù)，進而實現(xiàn)SO 算法的調(diào)用；最后ProcessTopicProc（TSITopicContextPtrCtx）負責處理主題回調(diào)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

組件編寫完相關(guān)功能函數(shù)編譯生成SO 動態(tài)鏈接庫，并加載模型完成模型注冊工作，打包后發(fā)布模型。

4 模型測試

4.1 組裝測試對象

模型發(fā)布成功后，在模型裝配工具中找到對應的空中組件模型進行實例化，命名該組件為_固定翼空中機動組件，并在右側(cè)屬性欄設(shè)定組件的基本屬性，如圖7 所示。

圖7 空中機動組件Fig.7 Air maneuver components

根據(jù)實體模型設(shè)計將無人機實體模型，機動組件，傳感器組件，通信組件組裝成一架完整的無人機，裝配完成的無人機模型，如圖8 所示。

圖8 無人機實體裝配Fig.8 Entity assembly of UAV

4.2 建立測試想定

打開想定編輯工具，紅方兵力由上述裝配好的無人機實體和無人機站實體構(gòu)成，設(shè)立無人機與無人機的承載關(guān)系；藍方部署了多種兵力實體。想定部署完成，隨后啟動仿真引擎，控制想定開始，進行仿真推演。

在想定運行過程中，給無人機實體下達空中機動任務，指令下達界面如圖9 所示。

圖9 指令下達界面Fig.9 Command issuing interface

無人機接收到指令開始執(zhí)行行動任務，推演態(tài)勢圖如圖10～圖11 所示。

圖10 態(tài)勢顯示界面Fig.10 Situation display interface

圖11 日志輸出Fig.11 Log output

從態(tài)勢顯示圖和機動模型日志結(jié)果中可以看到，無人機在接收到機動命令后，機動組件被成功調(diào)度，無人機從無人機站飛出，態(tài)勢圖中紅色顯示曲線為無人機軌跡線，可以看到無人機按照規(guī)劃的機動路徑勻速機動，并最終達到終點位置，完成機動任務。

5 結(jié)論

基于Xsim5.0 仿真平臺的建模機制，采用組件化建模的思想，詳細介紹構(gòu)建固定翼機動組件模型的過程方法，并將開發(fā)好的固定翼機動組件組裝在無人機實體上完成了功能測試，結(jié)果表明，該固定翼機動模型能夠逼真模擬空中的機動行為。后續(xù)將進一步開發(fā)無人機各類功能的通用性組件，減少建模工作量以滿足各類無人機的功能需求。