面向无人机集群的半实物仿真系统、方法、介质及装置

技术领域

本发明涉及无人机集群的仿真技术领域，具体而言，涉及一种面向无人机集群的半实物仿真系统、方法、介质及装置。

背景技术

无人机集群作战被公认为是未来智能化战争的典型作战样式，采用建模与仿真技术推动无人机集群作战概念的创新和发展是一种具有探索性和前瞻性的重要科学研究方法。

由于战争模拟的复杂性，基于仿真平台开展无人机集群的协同作战建模研究是一种主流方法。从目前国内外研究情况来看，这些研究的侧重点是利用现有或专门开发的仿真平台，来研究多架无人机之间的协同、规划、战术等问题。

国外尚没有形成用于指导无人机集群作战建模仿真活动的成熟框架。但从总体上看，采用分层思想是有关框架研究的共同特点。美国空军研究实验室的Chandler等提出利用多无人机编队的分层控制框架来解决编队控制的复杂问题。其在最顶层采用市场竞拍机制解决任务分配问题，中间层用于解决不同任务子编队的协调问题，底层为任务执行层和航迹优化层。该框架能够完成的具体任务包括协同搜索、协同分类、协同攻击和协同打击效果评估。

综上可知，现有面向无人机集群的仿真系统存在以下问题：

(1)无人机节点接入效率低，无法进行快速加入及退出。现有仿真系统无人机节点加入时需要逐个进行配置接入，难以满足大规模无人机集群场景下高效接入、快速重构的需求。

(2)无人机集群任务单一，无法快速编排形成复杂任务。现有仿真系统支持模拟无人机集群执行目标搜索、目标跟踪、航迹规划等任务，难以满足复杂环境下多种任务按需编排、动态调整的需求。

发明内容

本发明旨在面向大规模无人机集群复杂任务仿真场景，针对现有仿真系统存在的无人机节点接入效率低及任务单一的问题，提供一种面向无人机集群的半实物仿真系统、方法、介质及装置，通过平台技术、容器技术及kubernetes容器集群管理系统实现无人机集群节点的高效接入、快速重构，保障无人机集群复杂任务的按需编排及动态调整，提升无人机集群仿真系统的效能。

本发明提供的一种面向无人机集群的半实物仿真系统，所述半实物仿真系统中，通过平台技术、容器技术及kubernetes容器集群管理系统实现无人机集群节点的高效接入、快速重构，保障无人机集群复杂任务的按需编排及动态调整。

进一步的，所述平台技术包括ROS。

进一步的，所述ROS用于为无人机集群各节点间的消息传递提供通信服务。

进一步的，所述ROS通过基于异步流媒体数据的话题机制实现各节点不同类型的消息传递。

进一步的，所述容器技术包括Docker。

进一步的，所述Docker用于保障各无人机节点具有一致的运行环境。

进一步的，所述kubernetes用于实现无人机集群典型任务的编排，动态控制无人机节点的加入、退出。

本发明还提供一种面向无人机集群的半实物仿真方法，采用上述的面向无人机集群的半实物仿真系统实现，所述半实物仿真方法包括：

通过ROS、无人机集群节点运行环境及应用的容器化，实现面向无人机集群的基础环境，支撑典型任务场景的仿真；

按照仿真目标，制定无人机集群典型任务，分析任务关键节点，对无人机节点接入、退出、应用过程进行编排，形成支撑Kubernetes自动调度的配置文件；

Kubernetes根据配置文件启动ROS及各节点应用，并根据无人机集群典型任务进程动态进行应用调度。

本发明还提供一种计算机终端存储介质，存储有计算机终端可执行指令，所述计算机终端可执行指令用于执行如上述的面向无人机集群的半实物仿真方法。

本发明还提供一种计算装置，包括：

至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的面向无人机集群的半实物仿真方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过平台技术、容器技术及kubernetes容器集群管理系统实现无人机集群节点的高效接入、快速重构，保障无人机集群复杂任务的按需编排及动态调整，提升了无人机集群仿真系统的效能。其中：

(1)借助容器技术可以对无人机节点程序运行环境进行封装，保证运行环境的一致性，同时依托容器管理平台可以实现容器的快速启动、停止以及横向拓展，实现无人机集群节点的高效接入。

(2)借助kubernetes可以按照复杂作战任务的执行流程，分阶段、分场景对任务进行编排，并在任务过程中监控各节点执行状态，动态调整任务规划，实现无人机集群任务的按需编排。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中面向无人机集群的半实物仿真系统的架构图。

图2为本发明实施例中面向无人机集群的半实物仿真系统的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例

无人机集群作战是指由一定数量的无人机系统(Unmanned Aircraft Systems，UAS)组成集群来遂行特定的作战任务。无人机集群作战依靠去中心化、分布式的组织方式，形成单一作战平台所不具有的独特作战优势，如经济优势、数量优势、协同与情报优势、速度优势等，被认为是未来智能化战争最具潜力的作战样式之一。

面向大规模无人机集群复杂任务仿真场景，针对现有仿真系统存在的无人机节点接入效率低及任务单一的问题，如图1所示，本实施例提出一种面向无人机集群的半实物仿真系统，通过平台技术、容器技术及kubernetes容器集群管理系统实现无人机集群节点的高效接入、快速重构，保障无人机集群复杂任务的按需编排及动态调整，提升无人机集群仿真系统的效能。其中，所述半实物仿真系统包括ROS、Docker和kubernetes。

具体地：

(1)ROS是一个适用于机器人的开源的元操作系统，用于为无人机集群各节点间的消息传递提供通信服务。进一步的，可以通过基于异步流媒体数据的话题(topics)机制实现各节点不同类型的消息传递及管理。

(2)Docker是一个开源的应用容器引擎，开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的镜像中，然后发布到任何流行的Linux或Windows操作系统的机器上，是基于操作系统层面的虚拟化技术。通过Docker容器技术可以保障各无人机节点具有一致的运行环境，在仿真过程中更高效的利用系统资源，能更快速地模拟无人机节点批量加入、退出，实现演示环境的快速部署。

(3)Kubernetes是一个多语言和通用容器管理平台，能够运行云原生和传统容器化应用程序，用于自动化容器化应用程序的部署，扩展和管理。通过Kubernetes平台可以实现无人机集群典型任务的编排，动态控制无人机节点的加入、退出，保障无人机集群复杂任务的按需编排及动态调整。

如图2所示，上述面向无人机集群的半实物仿真系统的实现半实物仿真的方法如下：

通过ROS、无人机集群节点运行环境及应用的容器化，实现面向无人机集群的基础环境，支撑典型任务场景的仿真；

按照仿真目标，制定无人机集群典型任务，分析任务关键节点，对无人机节点接入、退出、应用过程进行编排，形成支撑Kubernetes自动调度的配置文件；

Kubernetes根据配置文件启动ROS及各节点应用，并根据无人机集群典型任务进程动态进行应用调度。

由此，上述面向无人机集群的半实物仿真系统的原理如下：

1、基于容器技术实现节点高效接入

容器技术是近年来在软件开发和部署领域崭露头角的一项重要技术。它可以将应用程序及其依赖项打包成一个独立的、可移植的容器，实现了快速、可靠和一致的部署。

无人机节点程序一般基于进程或线程启动，启动后接入群组，在大规模无人机集群环境下需要重复配置运行环境，手动启动程序，不但效率低下而且极易出问题。

借助容器技术可以对无人机节点程序运行环境进行封装，保证运行环境的一致性，同时依托容器管理平台可以实现容器的快速启停以及横向拓展，实现无人机集群节点的高效接入。

2、基于kubernetes实现任务按需编排

Kubernetes是一个基于容器技术的分布式架构解决方案，是一个容器集群管理系统，用于管理多个主机上的容器化的应用，Kubernetes的目标是让部署容器化的应用简单并且高效。

无人机集群仿真系统通常需要进行复杂任务的仿真，期间各类任务根据作战目标进行编排，现有的仿真系统只能同时进行单项任务的仿真，且一旦启动任务，执行过程中无法动态调整。

借助kubernetes可以按照复杂作战任务的执行流程，分阶段、分场景对任务进行编排，并在任务过程中监控各节点执行状态，动态调整任务规划，实现无人机集群任务的按需编排。

此外，在一些实施例中，提出一种计算机终端存储介质，存储有计算机终端可执行指令，所述计算机终端可执行指令用于执行如前文实施例所述的面向无人机集群的半实物仿真方法。计算机存储介质的示例包括磁性存储介质(例如，软盘、硬盘等)、光学记录介质(例如，CD-ROM、DVD等)或存储器，如存储卡、ROM或RAM等。计算机存储介质也可以分布在网络连接的计算机系统上，例如是应用程序的商店。

此外，在一些实施例中，提出一种计算装置，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如前文实施例所述的面向无人机集群的半实物仿真方法。计算装置的示例包括PC机、平板电脑、智能手机或PDA等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。