[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

说明书

一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统及方法，通过控制指令给定模块输入相关控制指令信号；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，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，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；数据发送模块将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；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，本发明更加方便、直观地验证无人自行车行驶模型与控制算法的准确性。

技术领域

本发明涉及无人自行车技术领域，特别涉及一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统及方法。

背景技术

无人自行车作为一个多体结构，对它的研究不仅在理论上具有重大的意义，还具有很高的实用价值。无人自行车控制是一个典型的控制平衡问题，在控制过程中能够反应控制理论中的很多关键问题，比如说镇定问题、非线性问题、鲁棒性问题以及跟踪问题等，其结构和动力学特性比较复杂，控制难度大，是研究变结构控制、非线性控制、智能控制等控制方法理想的实验平台。

人们对无人自行车控制问题的研究过程可以分为对象建模、控制器设计与仿真、硬件设计、软件编程和集成调试。对象建模和控制器设计与仿真是人们通过无人自行车的机械结构、执行机构等参数，建立无人自行车的运动学和动力学模型，再针对上述模型设计控制算法，然后通过仿真软件进行仿真验证。目前，大多数仿真过程是在计算机平台中完成的，然而实际过程中对无人自行车的控制是通过嵌入式平台实现的。考虑到仿真的时效性取决于模型建立方式、计算方法以及控制器的运算能力，并且在无人自行车集成调试的时候，若出现故障，就可能需要重新对模型进行分析，将模型数据移植到无人自行车嵌入式平台中进行再次调试，耗时耗力，大大降低了调试效率，增加了研制成本。所以，急需在无人自行车控制问题的研究过程中增加一种更加方便、直观的仿真调试方式，弥补传统研究过程的不足。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统及方法，更加方便、直观地验证无人自行车行驶模型与控制算法的准确性、硬件平台与软件程序对控制信号的响应效率以及软件与硬件的兼容性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于Unity3D的实时可视化无人自行车仿真系统，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(无人自行车)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(空间位置与姿态)，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；

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。

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。

所述行驶模型采用二阶动力学模型；