戴训华 副教授
中南大学 计算机学院
dai.xh@csu.edu.cn
http://faculty.csu.edu.cn/daixunhua/zh_CN

7.1 平台构架与使用

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本讲的例程源码路径：  
RflySimAPIs\SimulinkSwarmAPI  
RflySimAPIs\PythonSwarmAPI  
本讲PPT公益课视频B站地址：https://www.bilibili.com/video/BV1mu411k7Tw

7.1.1 集群例程文件夹介绍

  • 本讲课程的集群控制例程都存放在“RflySimAPIs\SimulinkSwarmAPI”和“PythonSwarmAPI”路径下，里面的集群控制算法主要通过Simulink实现，同时也提供了Python接口
  • 例程中包含了多机碰撞CollisionDemo、数据分析DataAnalysis、Python集群控制、自动飞控重启、Simulink集群控制、集群编队等例子

7.1.2 集群通信构架介绍

  • RflySim通信构架如右图所示，其中集群控制模块主要使用了CopterSim进行压缩中转机制
  • 真机使用的MAVLink通信的数据量过于庞大，不适合在大规模集群时在通信网络中直接传输，因此需要对MAVLink数据进行压缩中转
  • Python或Simulink集群控制器接收飞控状态数据并发送Offboard指令（速度、位置、加速度等顶层控制）来控制飞机完成指定飞行任务
  • 多个CopterSim+飞控组合会同时向局域网内的三维引擎、集群控制、视觉控制模块发送数据，从而实现集群通信仿真。

7.1.3 RflySim集群系统分布式构架（仅支持高级完整版）

  • 每个APP都是独立进程，可在局域网电脑中多开
  • 插入多个飞控可以进行多机的集群仿真
  • 内部组网模拟实际硬件数传组网


7.1.4 集群控制通信优化

  • 随着飞机数量的增加，网络通信负载越来越大，为了在有限带宽下实现更多数量的无人机集群仿真，需要对通信进行优化
  • 目前平台的数据协议主要有两种：MAVLink数据（包含大量无关数据，且数据包非常大，不适合集群）和UDP压缩结构体（仅包含需要信息，且数据包小，适合集群）
  • 目前平台的通信优化方式也有两种：Full模式，包含尽量多的数据、以尽量高频率发送来保证完整性（适合飞机≤8）；Simple模式，仅包含必需数据、降低发送频率来保证大规模集群下的通信实时性和流畅性（适合飞机数量＞4）
  • 两者组合起来有：UDP_Full、UDP_Simple、MAVLink_Full、MAVLink_Simple四种模式；此外，MAVLink通信针对多电脑视觉硬件在环仿真优化，还增加一种MAVLink_NoSend协议
  • CopterSim中UDP数据模式配置框
  • Simulink集群控制接口中UDP数据模式配置框
  • bat集群控制启动脚本中UDP数据模式配置框（对应CopterSim选项）
  • Python集群控制器中UDP数据模式配置框

7.1.5 集群软件在环仿真测试

  • 双击运行“RflySimAPIs\SITLRun.bat”（或桌面同名快捷方式），在弹出命令提示符中输入“4”，点击回车键，就能快速开启4个飞机的集群仿真系统
  • 自动打开的软件包括4个CopterSim（每个飞机对应一个）、1个RflySim3D（会同时显示所有飞机）、1个QGC地面站（同时显示并控制所有飞机）和1个命令提示符窗口（调用Win10WSL编译器开启4个PX4 SITL控制器，每个控制器的log和参数可以访问Firmware\build\px4_sitl_default\\instance_*）

    注：在此页面按下回车（或任意键）即可关闭所有打开的仿真程序窗口

7.1.6 集群软件在环仿真结果

  • 如下图显示，Windows任务栏上可以看到所有打开的程序
  • 如下图所示，依次切换各个飞机（Vehicle 1~4），并依次点击“起飞”按钮，然后点“滑动来确认”，即可控制4个飞机依次起飞
  • 起飞后再在RflySim3D中按下“S”键可显示各飞机ID（按“T”键显示轨迹），效果如下


    RflySim: 如何快速启动多无人机集群的软件在环仿真
    本视频观看地址：
    优酷：https://v.youku.com/v\_show/id\_XNDcwNjA4MzA0NA==.html
    YouTube：https://youtu.be/88dGpErxPJ8

7.1.7 集群硬件在环仿真

  • 如下图所示，将所有Pixhawk飞控插入电脑（请提前配置还原好Pixhawk固件，并设置进入HITL模式）
  • 双击运行“RflySimAPIs\HITLRun.bat”（或桌面同名快捷方式），在下图所示弹出窗口中根据提示输入飞控串口号（英文逗号隔开），点击回车键，就能快速开启多个飞机的集群仿真系统

  • 以上两个图对应了连接5个飞控进行硬件在环仿真的情形，运行结果和SITL相同

  • RflySim: 如何快速启动多机的硬件在环编队仿真，本视频观看地址：
    优酷：https://v.youku.com/v\_show/id\_XNDcwNjA3OTQ0MA==.html
    YouTube：https://youtu.be/oZ\_-yhEgebA

7.1.8 集群bat一键脚本修改

  • START_INDEX：起始飞机序号，如果这里设为1，同时SITL输入飞机数量4（或HITL输入4个串口号），那么创建飞机序号为1到4；如果START_INDEX设为5，那么就是5到8号飞机
  • TOTOAL_COPTER：非必需参数，多电脑分布式组网仿真才时需要用到，描述局域网内所有飞机数量（限高级完整版）；用于根据给定初始位置和间隔，以矩形方式自动排列飞机
  • UE4_MAP：RflySim3D地图名称，请去目录PX4PSP\CopterSim\external\map选择地图名字
  • ORIGIN_***：飞机在地图上的初始位置和偏航
  • VEHICLE_INTERVAL：多机时排列间隔（米）
  • IS_BROADCAST：是否启用多台电脑联机仿真，或指定联机电脑IP地址列表（限高级完整版）
  • UDPSIMMODE：通信数据收发模式


    注：复制一个bat脚本（例如RflySimAPIs\SITLRun.bat），然后在此基础上修改上述参数，使满足仿真需求。

7.1.9 集群bat脚本修改示例

  • 需求1：SITLRun脚本自动设置飞机数量（例如4），不用手动输入。删除从“:Top”到“:StartSim”代码，并添加行“SET VehicleNum=4”即可。请参考RflySimAPIs\SimulinkSwarmAPI\SimulinkDemo\RflyUdpFullFour.bat
  • 需求2：两台电脑仿真20个飞机（限完整版）。需要两个bat脚本，IS_BROADCAST设为1，启用联机功能；第一个bat脚本START_INDEX=1和TOTOAL_COPTER=20，运行SITL脚本时输入10，第二个bat脚本START_INDEX=11和TOTOAL_COPTER=20，输入10。再选择合适的地图、起始位置和飞机间隔即可。
  • 需求3：改变地图名称。直接修改UE4_MAP为需要地图即可。
  • 需求4：手动指定每个飞机位置。请参考RflySimAPIs目录下的HITLRunPos.bat和SITLRunPos.bat快捷方式，支持手动指定每个飞机的x坐标序列、y坐标序列和偏航角序列，飞机数量根据输入序列自动确定。
  • 需求5：其他机型的集群仿真。请结合第4讲内容，修改DLLModel（飞机DLL模型名称）和PX4SitlFrame（SITL时的飞机机架，如果是HITL仿真没有本变量，需要通过QGC去手动修改机架）
  • 需求6：大规模集群需选择合适的数据通信模式。直接修改UDPSIMMODE即可，对应CopterSim界面的“UDP_Mode”选项，具体协议将在后文介绍。
    注：请自行搜索bat批处理语言编程方法，并自行查看/运行RflySimAPIs文件夹中所有bat文件来熟悉bat脚本的配置规则。

7.1.10 RflySim3D集群快捷方式使用

  • F1：弹出帮助菜单提示；
  • ESC：清除所有飞机
  • S：显示/隐藏飞机ID；
  • B：在不同飞机间切换视角焦点；
  • B+数字*：切换到第*号飞机
  • T：开启或关闭飞机轨迹记录功能
  • T+数字*：开启/更改轨迹粗细为*号
  • P：开启物理碰撞引擎（不同飞机会碰撞坠机，仅限高级完整版）
  • CTRL+鼠标滚轮：缩放所有飞机尺寸(多机时便于观察)；
  • CTRL + C：切换全部飞机三维样式

    注：可以同时打开多个CopterSim和一个RflySim3D，然后尝试下列快捷方式
    注：更多RflySim3D的快捷方式请参考第一讲教程https://doc.rflysim.com/2511825#131_RflySim_4

7.1.11 集群仿真难点与RflySim平台解决方式

  • 问题一：启动N个飞机进行仿真太麻烦？
    解决方案：一键脚本启动所有程序并完成参数配置
  • 问题二：多个飞机同时在同一场景显示？
    解决方案： UDP广播方式，RflySim3D根据接收飞机数据自动新建飞机，理论上可以扩展任意多个飞机，也支持新建障碍物、行人等辅助对象
  • 问题三：飞机太多网络拥堵？
    解决方案：提供多种数据协议，大规模集群时可选用最精简数据模式，确保网络通畅
  • 问题四：多机集群使用硬件在环的话成本高操作复杂？
    解决方案：支持PX4 SITL软件在环仿真，直接在电脑上新建并运行N个完整PX4控制器，且可访问每个控制器的log日志、飞行参数等
  • 问题五：仿真平台性能如何？
    回答：主要是QGC和RflySim3D占用计算资源，模型和控制器占用资源较小。初步测试：配置较好的电脑软件在环仿真能稳定15架次以上，不运行QGC和RflySim3D数量增加，使用Pixhawk硬件在环仿真可再翻倍
  • 问题六： Simulink随着控制飞机的增加速度变慢，无法实时控制？
    解决方案：支持Simulink自动代码生成exe可执行文件，电脑性能占用趋近于0
  • 问题七：单电脑性能有限，只能仿真特定数量的飞机？
    解决方案：支持局域网内集群联机仿真，确保大规模集群顺利进行，支持局域网广播与指定IP方式，减小通信延迟
  • 问题八：集群仿真如何与实际飞行尽量接近？
    解决方案1： Simulink集群接口接收的是Pixhawk通过MAVLink发送的内部估计状态而非仿真理想值，且发送控制指令也是MAVLink控制格式，因此集群控制器可直接用于真机实飞。
    解决方案2： Simulink控制器支持生成C/C++代码嵌入到原有集群系统中，也支持实飞时直接用Simulink接收局域网Pixhawk内发送的MAVLink消息进行集群控制。即：仿真完不需要修改可直接用于实飞

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