飞思无人系统仿真开发平台


一、产品概述


飞思无人系统仿真开发平台是在北航可靠飞行控制组提出的RflySim仿真框架的基础上开发的一体化无人机系统仿真开发平台。飞思无人系统仿真开发平台专为无人机飞控开发、大规模集群协同、人工智能视觉等前沿研究领域,研发的一套高可信度的无人控制系统开发、测试与评估平台。
它支持多旋翼、固定翼、无人车、垂直起降飞行器(VTOL)等多种机型。采用分布式构架,非常适合大规模集群与视觉仿真测试开发。利用高逼真的3D环境,实现真实的视觉体验,提供高度逼真的视觉开发环境。
 
图 1 Rflysim无人机仿真平台功能图解
 
飞思无人系统仿真开发平台利用MATLAB/Simulink支持MBD的整个设计阶段,形成控制/视觉/集群算法开发的核心编程平台。基于MATLAB/Simulink 和 Python,专门设计RflySim还的软件接口和工具。提供丰富的Python视觉处理库,支持顶层视觉与集群算法开发。

 

二、产品功能


2.1飞控仿真开发


飞思无人系统仿真开发平台是一个基于 MATLAB/Simulink 和Pixhawk 的多旋翼飞行器控制算法快速开发平台。采用基于模型设计思想对无人机飞控进行快速开发与测试。
 
图 2. 仿真开发流程
 

2.2集群仿真开发


飞思无人系统仿真开发平台支持多机集群仿真功能。具有一键启动脚 本,可以部署多机集群仿真。利用多台电脑分布式仿真方式可轻松实现50-100架超大规模无人机集群仿真。具有matlab集群控制接品控制实例。通过集群软件在环仿真与集群硬件在环仿真结合仿真方式紧密联系实际环境进行算法验证。
 
图 3. 集群仿真开发示意
 

2.3视觉仿真开发


飞思无人系统仿真开发平台支持视觉开发仿真功能,基于rflysim3D的三维视景平台支持视角切换功能,可以方便地获取到多个视角的图像数据,Rflysim3d 是主体平台的一部分,是用于显示的模块。支持通过共享内存或窗口图像抓取的方式在 Simulink、Python、C/C++ 等代码平台中实时获取到图像数据并进行处理,形成带视觉反馈的硬件在环仿真。
 
图 4. 视觉仿真场景示例
 

三、产品特点


3.1 统一性


整个研究框架扩展到所有的无人控制系统,形成一个标准的自动开发、测试与评估框架体系。
 
图 5. 研究框架
 

3.2易用性


在Windows平台下进行一键安装、一键代码生成、一键固件部署、一键软硬件在环仿真和快速实飞, 非常方便易用。用户不需要了解飞控源码、Linux编程、C/C++编程、网络通信、飞机组装等底层知识,只需具备基础的Simulink(或Python)知识,即可快速将自己的算法经过层层验证并应用于真机上,有助于更专注于算法的开发与测试。
 

图 6. 软件一键安装使用


3.3 分布式构架


RflySim的构架完全是分布式的。RflySim中的所有应用软件都可以在同一台或多台电脑上多开,并且各个应用之间可以通过UDP网络相互收发消息。这种分布式的构架非常适合于大规模带视觉的无人机集群仿真测试。
 
图 7. 分布式架构示意图
 

3.4 多种机型仿真


RflySim支持小车、固定翼、垂直起降飞行器(VTOL)等多种机型。用户可以在Simulink中根据规范的接口搭建机架模型,然后自动生成DLL文件用于HIL仿真。进一步实验平台能被拓展到任意无人系统中。
 

图 8. 多机型仿真示例


3.5 高逼真的3D环境


我们提供了源码和教程帮助用户在虚幻4 (Unreal Engine 4 ,UE4)中搭建高度逼真的3D场景,用于室内外环境仿真或者基于视觉算法的开发。
 

图 9. 场景模拟示例
 

四、平台组成


本平台依赖众多软件工具来实现控制器设计、代码自动生成、自驾仪代码编译、硬件在环仿真等功能。本书附带的仿真软件包内有一键安装脚本,只需运行安装命令,即可完成所有软件的安装与配置。本书提供的仿真软件包与MATLAB/Simulink共同组成了实验软件平台,它整体包含以下几个部分:

1. MATLAB/Simulink:提供的仿真软件包与例程代码支持MATLAB R2017b及以上版本(目前最新版为MATLAB 2020a)。(本平台不提供MATLAB的安装包与安装流程,请读者自行购买并安装上述工具箱。)
2. Pixhawk Support Package(PSP)工具箱
3. CopterSim实时运动仿真软件
4. 3DDisplay/RflySim3D三维可视化视景软件
5. HITLRun和SITLRun等快速启动脚本
6. FlightGear飞行模拟器
7. PX4飞控自驾仪
8. PX4 Toolchain固件编译环境
9. Eclipse或VS Code编辑器
10. Python38环境
11. QGroundControl(QGC)地面站软件


电脑推荐配置:

系统 Windows 10 X64系统(版本大于等于1809)
CPU Intel I7 6700或AMD Ryzen 7 3700X及以上
显卡 NVIDIA GTX1060或AMD R9 390X及以上
内存 容量16G及以上,频率DDR3 1600MHz及以上
硬盘 剩余容量40G及以上(推荐固态硬盘)
显示器 分辨率1080P(1920*1080)及以上(推荐双显示器)
接口 至少有一个USB Type A接口(可用扩展线)
MATLAB 2017B及以上版本

五、配置选型


5.1版本定义


飞思无人系统仿真开发平台
 
序号 产品名称 功能说明
1 飞思无人系统仿真开发平台 飞控版-多旋翼 具有多旋翼无人机飞控仿真开发功能
2 飞思无人系统仿真开发平台 飞控版-固定翼 具有固定翼、多旋翼无人机飞控仿真开发功能
3 飞思无人系统仿真开发平台 视觉版 具有单目、双目等单无人机视觉仿真开发平台
4 飞思无人系统仿真开发平台 集群版 具有8架无人机小规模编队能力的基础无人机集群仿真开发平台
5 飞思无人系统仿真开发平台 定制版 根据行业客户需求定制大规模集群、多机视觉等功能
 

 

 飞思无人系统仿真开发平台


一、产品概述


飞思无人系统仿真开发平台是在北航可靠飞行控制组提出的RflySim仿真框架的基础上开发的一体化无人机系统仿真开发平台。飞思无人系统仿真开发平台专为无人机飞控开发、大规模集群协同、人工智能视觉等前沿研究领域,研发的一套高可信度的无人控制系统开发、测试与评估平台。
它支持多旋翼、固定翼、无人车、垂直起降飞行器(VTOL)等多种机型。采用分布式构架,非常适合大规模集群与视觉仿真测试开发。利用高逼真的3D环境,实现真实的视觉体验,提供高度逼真的视觉开发环境。
 
图 1 Rflysim无人机仿真平台功能图解
 
飞思无人系统仿真开发平台利用MATLAB/Simulink支持MBD的整个设计阶段,形成控制/视觉/集群算法开发的核心编程平台。基于MATLAB/Simulink 和 Python,专门设计RflySim还的软件接口和工具。提供丰富的Python视觉处理库,支持顶层视觉与集群算法开发。

 

二、产品功能


2.1飞控仿真开发


飞思无人系统仿真开发平台是一个基于 MATLAB/Simulink 和Pixhawk 的多旋翼飞行器控制算法快速开发平台。采用基于模型设计思想对无人机飞控进行快速开发与测试。
 
图 2. 仿真开发流程
 

2.2集群仿真开发


飞思无人系统仿真开发平台支持多机集群仿真功能。具有一键启动脚 本,可以部署多机集群仿真。利用多台电脑分布式仿真方式可轻松实现50-100架超大规模无人机集群仿真。具有matlab集群控制接品控制实例。通过集群软件在环仿真与集群硬件在环仿真结合仿真方式紧密联系实际环境进行算法验证。
 
图 3. 集群仿真开发示意
 

2.3视觉仿真开发


飞思无人系统仿真开发平台支持视觉开发仿真功能,基于rflysim3D的三维视景平台支持视角切换功能,可以方便地获取到多个视角的图像数据,Rflysim3d 是主体平台的一部分,是用于显示的模块。支持通过共享内存或窗口图像抓取的方式在 Simulink、Python、C/C++ 等代码平台中实时获取到图像数据并进行处理,形成带视觉反馈的硬件在环仿真。
 
图 4. 视觉仿真场景示例
 

三、产品特点


3.1 统一性


整个研究框架扩展到所有的无人控制系统,形成一个标准的自动开发、测试与评估框架体系。
 
图 5. 研究框架
 

3.2易用性


在Windows平台下进行一键安装、一键代码生成、一键固件部署、一键软硬件在环仿真和快速实飞, 非常方便易用。用户不需要了解飞控源码、Linux编程、C/C++编程、网络通信、飞机组装等底层知识,只需具备基础的Simulink(或Python)知识,即可快速将自己的算法经过层层验证并应用于真机上,有助于更专注于算法的开发与测试。
 

图 6. 软件一键安装使用


3.3 分布式构架


RflySim的构架完全是分布式的。RflySim中的所有应用软件都可以在同一台或多台电脑上多开,并且各个应用之间可以通过UDP网络相互收发消息。这种分布式的构架非常适合于大规模带视觉的无人机集群仿真测试。
 
图 7. 分布式架构示意图
 

3.4 多种机型仿真


RflySim支持小车、固定翼、垂直起降飞行器(VTOL)等多种机型。用户可以在Simulink中根据规范的接口搭建机架模型,然后自动生成DLL文件用于HIL仿真。进一步实验平台能被拓展到任意无人系统中。
 

图 8. 多机型仿真示例


3.5 高逼真的3D环境


我们提供了源码和教程帮助用户在虚幻4 (Unreal Engine 4 ,UE4)中搭建高度逼真的3D场景,用于室内外环境仿真或者基于视觉算法的开发。
 

图 9. 场景模拟示例
 

四、平台组成


本平台依赖众多软件工具来实现控制器设计、代码自动生成、自驾仪代码编译、硬件在环仿真等功能。本书附带的仿真软件包内有一键安装脚本,只需运行安装命令,即可完成所有软件的安装与配置。本书提供的仿真软件包与MATLAB/Simulink共同组成了实验软件平台,它整体包含以下几个部分:

1. MATLAB/Simulink:提供的仿真软件包与例程代码支持MATLAB R2017b及以上版本(目前最新版为MATLAB 2020a)。(本平台不提供MATLAB的安装包与安装流程,请读者自行购买并安装上述工具箱。)
2. Pixhawk Support Package(PSP)工具箱
3. CopterSim实时运动仿真软件
4. 3DDisplay/RflySim3D三维可视化视景软件
5. HITLRun和SITLRun等快速启动脚本
6. FlightGear飞行模拟器
7. PX4飞控自驾仪
8. PX4 Toolchain固件编译环境
9. Eclipse或VS Code编辑器
10. Python38环境
11. QGroundControl(QGC)地面站软件


电脑推荐配置:

系统 Windows 10 X64系统(版本大于等于1809)
CPU Intel I7 6700或AMD Ryzen 7 3700X及以上
显卡 NVIDIA GTX1060或AMD R9 390X及以上
内存 容量16G及以上,频率DDR3 1600MHz及以上
硬盘 剩余容量40G及以上(推荐固态硬盘)
显示器 分辨率1080P(1920*1080)及以上(推荐双显示器)
接口 至少有一个USB Type A接口(可用扩展线)
MATLAB 2017B及以上版本

五、配置选型


5.1版本定义


飞思无人系统仿真开发平台
 
序号 产品名称 功能说明
1 飞思无人系统仿真开发平台 飞控版-多旋翼 具有多旋翼无人机飞控仿真开发功能
2 飞思无人系统仿真开发平台 飞控版-固定翼 具有固定翼、多旋翼无人机飞控仿真开发功能
3 飞思无人系统仿真开发平台 视觉版 具有单目、双目等单无人机视觉仿真开发平台
4 飞思无人系统仿真开发平台 集群版 具有8架无人机小规模编队能力的基础无人机集群仿真开发平台
5 飞思无人系统仿真开发平台 定制版 根据行业客户需求定制大规模集群、多机视觉等功能