[发明专利]一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统及方法

权利要求书

1.一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，包括控制指令给定模块、下位机和上位机；

控制指令给定模块，用于向下位机发出无人自行车相关控制指令信号，控制指令给定模块定义为下位机的外扩模块，根据不同的控制方式外接为不同的控制模块；

所述下位机包括行驶仿真模块和数据发送模块；

行驶仿真模块用于采集无人自行车行驶过程的控制指令信号和进行行驶状态的实时仿真运算，以得到无人自行车连续的空间位置与姿态信息，所述的行驶仿真模块使用嵌入式微控制器平台建立行驶模型，其预置了合适的数值计算方法，通过给定控制信号和控制算法，最终输出无人自行车的行驶状态信息，其中，系统使用的行驶模型和控制算法都是开源的，用户可以根据自己的需要植入自己设计的行驶模型和控制算法，同时嵌入式微控制器平台中也内置有行驶模型和控制算法。

2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述嵌入式微控制器可选择TM32F103系列控制器，优选为STM32F103R8T6芯片作为下位机的嵌入式硬件平台。

3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述数值计算方法优选为插值计算方法，通过已知数据，从相应插值表中提取数据，计算当前的电机转速、舵机转角和车体倾角。

4.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述行驶模型采用二阶动力学模型；

包括设dL_P为刚体相对于动点P的动量矩，M_P为加在刚体上的外力系对该点的主矩，M(Q_P)为加在刚体质心上的牵引惯性力的合力对该点之矩，根据定理(质点系相对于动点的动量矩对时间导数等于外力系对该点的主矩与加在质心上的牵引惯性力的合力对该点之矩之矢量和)对组成自行车系统的每一个刚体部分，可以得到下面的方程：

设施加在车体上的力对x轴的力矩为T_θ,前叉上施加的外力矩为T_δ，设M、C₁、κ_o、κ₂均为系数矩阵，v为自行车车速，g为重力加速度，将系统4个刚体的角动量平衡方程联立，在小角度的假设下,经过局部线性化,就得到整个系统的动力学平衡方程：

所述的控制算法优选为模糊控制算法。

5.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述数据发送模块用于上传无人自行车的行驶状态信息至上位机。

6.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述上位机包括数据接收模块和Unity3D平台，数据接收模块用于接收下位机上传的行驶状态信息，并导入Unity3D平台中；Unity3D平台用于实时显示无人自行车的行驶状态信息(空间位置与姿态)。

7.根据权利要求6所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述的数据接收模块与Unity3D平台之间的通信方式优选为基于多线程和Windows自定义消息的串口通信方式。

8.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，其特征在于，所述上位机和下位机之间采用串行通信方式。

9.基于权利要求1所述的一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：研究人员通过所述控制指令给定模块输入相关控制指令信号；

步骤2：行驶仿真模块接收到控制指令给定模块发送的相关控制指令信号后，通过无人自行车行驶模型，通过用户给定的行驶模型和控制算法，采用预置的数值计算方法，对无人自行车的行驶过程进行实时仿真运算，得到无人自行车连续的行驶状态信息，并输出给数据发送模块；

步骤3：数据发送模块将步骤2得到的无人自行车行驶状态信息通过串行通信方式上传给上位机的数据接收模块；

步骤4：数据接收模块接收到下位机的数据发送模块上传的行驶状态信息后，将其信息导入Unity3D平台中；

步骤5：Unity3D平台接收到无人自行车的行驶状态信息后，通过自己平台中的虚拟场景，以第三人称视角实时显示出来。