无人机的仿真方法、仿真装置和计算机可读存储介质

技术领域

本公开涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机的仿真方法、仿真装置和计算机可读存储介质。

背景技术

由于无人机的操纵是一个比较复杂的过程，对用户有比较高的要求，尤其对于初级用户来说，如果不经训练就直接操控真机，很容易造成坠机。

为了更安全和有效地利用无人机，协助用户快捷地掌握无人机飞行操控和飞行技巧，无人机仿真训练的需求也日益增加。

同时，现阶段的无人机仿真系统大多都只能对用户进行简单的飞行训练，深度不足，无法对用户在飞行任务中的技能进行训练。

如此，如何提高初级用户操作无人机的安全性，同时提升用户对飞行任务的操作水平，就成为本领域急切有待解决的技术问题。

发明内容

本公开提供了一种无人机的仿真方法，包括：

显示模拟无人机的飞行任务，所述模拟无人机由模拟器生成；

获取控制终端发送的无人机操作指令，所述无人机操作指令用于控制所述模拟无人机；

根据所述无人机操作指令，确定所述模拟无人机的状态信息；

根据所述模拟无人机的状态信息，确定所述飞行任务的完成情况。

本公开还提供了一种无人机的仿真装置，包括：

存储器，用于存储可执行指令；

处理器，用于执行所述存储器中存储的所述可执行指令，以执行如下操作：

显示模拟无人机的飞行任务，所述模拟无人机由模拟器生成；

获取控制终端发送的无人机操作指令，所述无人机操作指令用于控制所述模拟无人机；

根据所述无人机操作指令，确定所述模拟无人机的状态信息；

根据所述模拟无人机的状态信息，确定所述飞行任务的完成情况。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有可执行指令，所述可执行指令在由一个或多个处理器执行时，可以使所述一个或多个处理器执行上述的无人机的仿真方法进行仿真。

本公开可对用户进行仿真训练，可防止初级用户操作无人机真机时由于不熟悉操作导致无人机坠毁等问题，保证了无人机飞行的安全性，可提升用户对飞行任务的操作水平，有利于用户熟练掌握无人机的操控，显著地提升了仿真训练的效果。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本公开一实施例的无人机的仿真方法的流程图。

图2为训练场景的示意图。

图3为飞行任务菜单的示意图。

图4显示了本公开一实施例的无人机的仿真方法的预定飞行轨迹。

图5显示了本公开一实施例的无人机的仿真方法的预定飞行轨迹和模拟无人机的飞行轨迹。

图6显示了本公开一实施例的无人机的仿真方法的预定悬停区域。

图7为本公开另一实施例的无人机的仿真装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开一实施例提供了一种无人机的仿真方法，如图1所示，仿真方法包括：

步骤S101：显示模拟无人机的飞行任务，所述模拟无人机由模拟器生成。

步骤S102：获取控制终端发送的无人机操作指令，所述无人机操作指令用于控制所述模拟无人机。

步骤S103：根据所述无人机操作指令，确定所述模拟无人机的状态信息。

步骤S104：根据所述模拟无人机的状态信息，确定所述飞行任务的完成情况。

本实施例的仿真方法，是利用一仿真平台对用户进行仿真训练。仿真平台一般包括：模拟器，以及与模拟器连接、可向模拟器发送操作指令的控制终端。

模拟器构建有训练场景，训练场景可以是三维地理环境(例如，三维地图)。如图2所示，在训练场景中，包括有地形(山丘)、建筑物、植被、天空等各种地理因素。在训练场景中，模拟器还构建有模拟无人机。当用户进行仿真训练时，可控制模拟无人机在训练场景中执行各种飞行任务。可选的，模拟器还构建有用于表示用户的模拟操作员。在仿真训练时，模拟操作员代表用户控制模拟无人机。

在步骤S101中，所述飞行任务可以是无人机在拍摄、搜救、勘探、巡检等各种场景中经常执行的飞行任务。模拟器可预设有多种飞行任务，这些飞行任务存储在模拟器的存储器中。当操作员打开模拟器后，模拟器可通过显示器显示飞行任务菜单，或飞行任务列表。飞行任务菜单或飞行任务列表显示模拟器提供的所有飞行任务。用户通过控制终端，从飞行任务菜单或飞行任务列表中选择需要训练的飞行任务。在本实施例中，如图3所示，所述飞行任务可以是控制模拟无人机沿一预定飞行轨迹飞行，和/或控制模拟无人机在预定悬停区域悬停。

本实施例对控制终端的类型不作限定，其可以是与模拟器有线或无线连接的遥控器、移动设备、台式设备。

除此之外，用户可以自行设定飞行任务。模拟器提供自行设定飞行任务的选项，并通过显示器显示。用户选择自行设定飞行任务的选项后，可利用控制终端发出设定飞行任务的相关指令，模拟器接收到控制终端发送的指令后，根据指令生成飞行任务。例如，用户可通过控制终端在训练场景中设置多个位置点，而后模拟器根据这些位置点自动生成一“预设飞行轨迹”。

关于本实施例的仿真方法，下面参照附图，按照不同的飞行任务进行具体详细说明。

首先，具体说明控制模拟无人机沿预定飞行轨迹飞行的飞行任务。

当用户选定控制模拟无人机沿一预定飞行轨迹飞行的飞行任务后，模拟器显示训练画面，并在训练画面中显示该预定飞行轨迹。其中，训练画面是在显示器中显示的训练场景在飞行视角范围内的部分。模拟器通常包括三维(3D)引擎，3D引擎可将模拟器构建的训练场景转换为3D画面，并通过显示器显示。

需要说明的是，本实施例不对预定飞行轨迹的具体形式做限定。预定飞行轨迹可以是数字形状(例如“8”字形)、字母形状、多边形(例如图4所示的矩形)圆形等各种形状的轨迹。

根据飞行视角的不同，当模拟无人机位于同一位置时，训练画面的内容可能会有所差异。飞行视角可以是第一人称视角、第三人称视角等。当采用第一人称视角时，训练画面显示的是无人机上安装的虚拟拍摄装置的视角观察到的训练场景。

当显示器显示出训练画面和预定飞行轨迹后，用户可开始执行飞行任务。在步骤S102中，用户操控控制终端，控制终端生成相应的操作指令，并发送给模拟器。模拟器接收到操作指令后，根据操作指令控制模拟无人机的飞行。

真实的无人机遥控器一般包括：用于调节油门、姿态、升降的按钮、推杆或旋钮。控制终端是给用户模拟真实无人机的飞行过程的，所以控制终端也设置有用于调节油门、姿态、升降的操作部件。当用户控制模拟无人机沿预定飞行轨迹飞行时，可通过控制终端的上述操作部件不断地调节模拟无人机的位置和姿态。控制终端将对应的油门指令、姿态调节指令、升降指令发送给模拟器。

步骤S103根据无人机操作指令确定模拟无人机的状态信息。该状态信息包括模拟无人机的运动状态信息和模拟无人机上的虚拟拍摄装置的状态信息。当飞行任务为控制模拟无人机沿预定飞行轨迹飞行时，该状态信息是指模拟无人机的飞行轨迹，即模拟无人机在训练场景中的实际飞行轨迹。

首先介绍模拟无人机的飞行控制过程。模拟无人机在训练场景中的运动规律由动力学模型来描述。以六自由度动力学模型为例，其体现了模拟无人机所受的合力和合力矩与模拟无人机的位置和姿态之间的关系，其中模拟无人机的位置可用空间直角坐标系的坐标表示，姿态可用偏航角、俯仰角、横滚角表示。当模拟无人机的合力和/或合力矩发生变化时，其位置和/或姿态将会随之变化。将合力和/或合力矩输入六自由度动力学模型，即可根据模拟无人机当前的位置和/或姿态，得到变化后的位置和/或姿态。

本实施例的模拟器按照上述飞行控制原理，根据无人机操作指令确定模拟无人机的飞行轨迹。

首先获取模拟无人机的动力学模型。

动力学模型通常已经预设在模拟器中，此时从模拟器的存储器中读取即可。需要说明的是，上述仅是以六自由度动力学模型为例对动力学模型进行了说明，但本实施例不限于此，还可以是任何类型的动力学模型。可选的，在模拟器中，动力学模型中的参数可以修改，模拟器可提供给用户修改接口。由于不同类型的无人机的动力学模型可能不同，所以针对不同的仿真对象，用户可在开始飞行任务前对动力学模型的参数进行修改，以更加真实地模拟仿真对象的飞行过程，从而提高仿真训练的效果。

然后根据无人机操作指令和模拟无人机的动力学模型，确定模拟无人机的飞行轨迹。

获取到模拟无人机的动力学模型后，还需要获取模拟无人机历史时刻的飞行轨迹；根据无人机操作指令、历史时刻的飞行轨迹以及动力学模型，确定模拟无人机的飞行轨迹。

当用户控制模拟无人机沿预定飞行轨迹飞行时，需要不断地改变模拟无人机的位置和姿态，以最大限度地保持与预定飞行轨迹的一致性。控制终端从而不断地将与用户操作对应的油门指令、姿态调节指令、升降指令的至少之一发送给模拟器。模拟器将这些无人机操作指令转换为作用在模拟无人机上的合力和/合力矩，并将合力和/或合力矩输入动力学模型。模拟无人机历史时刻的飞行轨迹包括了历史时刻的位置和姿态。动力学模型根据历史时刻的位置和姿态、以及输入的合力和/或合力矩，即可解算出当前时刻的位置和姿态，得到当前的模拟无人机的飞行轨迹，不断循环执行上述飞行控制过程，即可得到飞行任务的实际飞行轨迹。

在步骤S103中，可选地，如图5所示，模拟器可实时地在训练画面中显示模拟无人机各个时刻的位置，从而将模拟无人机的飞行轨迹显示给用户。这样做的好处是，用户在执行飞行任务时，可以看到之前时刻的任务完成情况。例如，用户控制模拟无人机沿预定飞行轨迹飞行的过程中，可以看到已经完成的飞行轨迹与预定飞行轨迹的重合度如何，用户可据此在后续的飞行过程中多加注意，调整操控方式，从而有利于用户提升自己的对无人机的操控水平，提高仿真训练的效果。

得到模拟无人机的飞行轨迹后，步骤S104根据模拟无人机的飞行轨迹确定飞行任务的完成情况。

对于沿预定飞行轨迹飞行的飞行任务，飞行任务的完成情况取决于模拟无人机的飞行轨迹和预定飞行轨迹的相似度。也就是说，模拟无人机的飞行轨迹和预定飞行轨迹的相似度越高，则任务完成地越出色。

在本实施例中，当相似度大于第一阈值时，认为飞行任务完成成功；如果小于等于第一阈值，则认为飞行任务完成失败。本实施例对第一阈值的具体数值不做限定，可根据飞行任务的难易不同和/或用户水平的不同，动态调节第一阈值的具体数值。例如，对于复杂程度高的预定飞行轨迹，则第一阈值的具体数值可以调低一些；反之，第一阈值的具体数值可以调高一些。对于初级水平的用户，第一阈值的具体数值可以调低一些；对于高级水平的用户，第一阈值的具体数值可以调高一些。

当确定了任务完成情况后，可选的，模拟器显示飞行任务的完成情况，以提示用户飞行任务完成的成功还是失败。

本实施例中，可根据模拟无人机的飞行轨迹对应的离散位置序列、以及预定飞行轨迹对应的离散位置序列确定相似度。所述离散位置序列是由飞行轨迹或预定飞行轨迹的在各个时刻的位置组成的序列。具体来说，可利用动态时间规划算法对飞行轨迹对应的离散位置序列、以及预定飞行轨迹对应的离散位置序列进行处理，得到所述相似度。

此外，当确定模拟无人机的状态信息时，除了根据所述无人机操作指令、所述历史时刻的状态信息以及所述动力学模型外，还要同时根据模拟无人机的环境参数。

环境参数是指训练场景中关于环境的参数，至少可以包括地效参数和风场参数。这些环境参数可以在一定程度上影响模拟无人机的位置和姿态，从而影响模拟无人机的飞行轨迹。

模拟器可预设有多种的地效参数和/风场参数，这些环境参数存储在模拟器的存储器中。其中模拟器可通过simulink的风切边模块、紊流模块、离散突风模块构造各种风场参数。

模拟器根据无人机操作指令、历史时刻的飞行轨迹、所述环境参数以及动力学模型确定模拟无人机的飞行轨迹。具体来说，当用户不断地改变模拟无人机的位置和姿态时，控制终端不断地将与用户操作对应的油门指令、姿态调节指令、升降指令的至少之一发送给模拟器。模拟器将这些无人机操作指令转换为作用在模拟无人机上的合力和/合力矩。动力学模型根据历史时刻的位置和姿态、环境参数以及输入的合力和/或合力矩，解算出当前时刻的位置和姿态，得到当前的模拟无人机的飞行轨迹，不断循环执行上述飞行控制过程，即可得到飞行任务的实际飞行轨迹。

因为在无人机的飞行过程中，通常会受到环境参数的影响，其飞行轨迹与环境参数有关。因此，在确定模拟无人机的状态信息时考虑环境参数，可以更加真实地模拟无人机的飞行过程，从而提高仿真训练的效果。

下面，具体说明控制所述模拟无人机在预定悬停区域悬停的飞行任务。

当用户选定控制模拟无人机在预定悬停区域悬停的飞行任务后，模拟器显示训练画面，并在训练画面中显示该悬停区域，如图6所示。

当显示器显示出训练画面和悬停区域后，用户可开始执行飞行任务。在步骤S102中，用户操控控制终端，控制终端生成相应的操作指令，并发送给模拟器。模拟器接收到操作指令后，根据操作指令控制模拟无人机飞向悬停区域。

步骤S103根据无人机操作指令确定模拟无人机的状态信息。对于控制模拟无人机在预定悬停区域悬停的飞行任务，该状态信息是指模拟无人机的朝向信息、位置信息以及高度信息。

首先获取模拟无人机的动力学模型。

然后根据无人机操作指令和模拟无人机的动力学模型，确定模拟无人机的朝向信息、位置信息以及高度信息。

获取到模拟无人机的动力学模型后，还需要获取模拟无人机历史时刻的状态信息；根据无人机操作指令、历史时刻的状态信息以及动力学模型，确定模拟无人机的朝向信息、位置信息以及高度信息。

当用户控制模拟无人机在预定悬停区域悬停时，需要不断地改变模拟无人机的位置和姿态，以最大限度地保持悬停状态。控制终端从而不断地将与用户操作对应的油门指令、姿态调节指令、升降指令的至少之一发送给模拟器。模拟器将这些无人机操作指令转换为作用在模拟无人机上的合力和/合力矩，并将合力和/或合力矩输入动力学模型。动力学模型根据历史时刻的状态信息、以及输入的合力和/或合力矩，即可解算出当前时刻的状态信息，得到当前的模拟无人机的朝向信息、位置信息以及高度信息。

在步骤S103中，可选地，模拟器可实时地在训练画面中显示模拟无人机各个时刻的状态信息，从而将模拟无人机的悬停状态显示给用户。这样做的好处是，用户在执行飞行任务时，可以看到之前时刻的任务完成情况。例如，用户控制模拟无人机在预定悬停区域悬停的过程中，可以看到朝向、位置以及高度的变化过程，用户可据此在后续的飞行过程中多加注意，调整操控方式，从而有利于用户提升自己的对无人机的操控水平，提高仿真训练的效果。

得到模拟无人机的状态信息后，步骤S104根据模拟无人机的状态信息确定飞行任务的完成情况。

对于在预定悬停区域悬停的飞行任务，飞行任务的完成情况取决于模拟无人机在预定时间范围内的朝向、位移以及高度情况。

在本实施例中，当模拟无人机的朝向与预定方向的夹角小于第二阈值，模拟无人机位于预定悬停区域且在时间范围内的位移小于第三阈值，以及模拟无人机的高度处于设定高度区间时，认为飞行任务完成成功。否则，如果朝向、位移、高度中有一项不符合上述条件，则认为飞行任务完成失败。

本实施例对第二阈值、第三阈值的具体数值不做限定，可根据用户水平的不同，动态调节上述阈值的具体数值。例如，对于初级水平的用户，上述阈值的具体数值可以调低一些；对于高级水平的用户，上述阈值的具体数值可以调高一些。对时间范围也是类似，根据悬停的具体应用场景以及用户水平可有所不同。对于需要较长悬停时间的应用场景或高级水平的用户，时间范围的具体数值可以调高一些；反之，时间范围的具体数值可以调低一些。无人机具有悬停升限，设定高度区间的最大值应小于悬停升限。预定方向可由模拟器预先设定，或由用户设定，该预定方向可以是模拟操作员的朝向，或者与模拟操作员的朝向相反的方向。

当确定了任务完成情况后，可选的，模拟器显示飞行任务的完成情况，以提示用户飞行任务完成的成功还是失败。

此外，当确定模拟无人机的状态信息时，除了根据所述无人机操作指令、所述历史时刻的状态信息以及所述动力学模型外，还要同时根据模拟无人机的环境参数。

模拟器根据无人机操作指令、历史时刻的状态信息、所述环境参数以及动力学模型确定模拟无人机的状态信息。具体来说，当用户不断地改变模拟无人机的位置和姿态时，控制终端不断地将与用户操作对应的油门指令、姿态调节指令、升降指令的至少之一发送给模拟器。模拟器将这些无人机操作指令转换为作用在模拟无人机上的合力和/合力矩。动力学模型根据历史时刻的状态信息、环境参数以及输入的合力和/或合力矩，解算出当前时刻的状态信息，得到当前的模拟无人机的朝向信息、位置信息以及高度信息。

因为在无人机的飞行过程中，通常会受到环境参数的影响，其飞行轨迹与环境参数有关。因此，在确定模拟无人机的状态信息时考虑环境参数，可以更加真实地模拟无人机的飞行过程，从而提高仿真训练的效果。

由此可见，本实施例的仿真方法可对用户进行仿真训练，可防止初级用户操作无人机真机时由于不熟悉操作导致无人机坠毁等问题，保证了无人机飞行的安全性。同时可对复杂飞行任务(沿预定飞行轨迹飞行、在预定区域悬停)进行仿真训练，可提升用户对复杂飞行任务的操作水平，有利于用户熟练掌握复杂飞行任务的操控，显著地提升了仿真训练的效果。

本公开另一实施例提供了一种无人机的仿真装置。本实施例提供的仿真装置具体可以是手机、Ipad、笔记本电脑、台式电脑等。

如图7所示，无人机仿真装置可以包括：处理器(例如，CPU等)、存储器(例如，硬盘HDD、只读存储器ROM等)、显示器。处理器既可以是一个也可以是多个处理器。

本公开实施例的所述无人机的仿真方法可以被实现为计算机软件程序。在此，该计算机软件程序也可以为一个或多个。

于是，例如，所述计算机软件程序存储于所述无人机的仿真装置的作为存储装置的存储器中，通过执行该计算机软件程序，从而使所述无人机的仿真装置的一个或多个处理器执行本公开实施例的所述无人机的仿真方法及其变形。

由此可见，可对用户进行仿真训练，可防止初级用户操作无人机真机时由于不熟悉操作导致无人机坠毁等问题，保证了无人机飞行的安全性。同时可对复杂飞行任务(沿预定飞行轨迹飞行、在预定区域悬停)进行仿真训练，可提升用户对复杂飞行任务的操作水平，有利于用户熟练掌握复杂飞行任务的操控，显著地提升了仿真训练的效果。

此外，计算机可读存储介质，例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，可读存储介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。可读存储介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。

另外，计算机程序可被配置为具有例如包括计算机程序模块的计算机程序代码。应当注意，模块的划分方式和个数并不是固定的，本领域技术人员可以根据实际情况使用合适的程序模块或程序模块组合，当这些程序模块组合被计算机(或处理器)执行时，使得计算机可以执行本公开所述所述的无人机的仿真方法的流程及其变形。

本公开再一实施例提供了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有可执行指令，所述可执行指令在由一个或多个处理器执行时，可以使所述一个或多个处理器执行如本公开实施例所述的无人机的仿真方法进行仿真。

本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；在不冲突的情况下，本公开实施例中的特征可以任意组合；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。