[发明专利]一种基于UE4游戏引擎的三光吊舱仿真方法

说明书

本发明提出一种基于UE4游戏引擎的三光吊舱仿真方法，包括吊舱控制仿真、光学相机仿真、激光测距仿真和红外相机仿真，通过控制吊舱实现三自由度旋转，逼近真实情况，能够降低实验成本。本发明能够获得可见光图片、红外图片与目标距离信息，通过多信息融合，可以用于训练无人机系统的信息感知能力。

技术领域

本发明属于无人机系统仿真技术领域，具体涉及一种基于UE4游戏引擎的三光吊舱仿真方法。

背景技术

三光吊舱仿真是指通过计算机对三光吊舱进行模拟的技术，“三光”是指光学相机、激光测距仪和红外相机，且三光同轴，受三自由度的转动平台控制。三光吊舱是无人系统侦查和探测的重要装置，被广泛用于海陆空侦查、探测中，载体可以是无人车、无人艇和无人机。通过对三光吊舱的仿真计算，能够为无人系统提供大量的训练数据。

三光吊舱仿真模型属于无人机系统仿真中的传感器模型，对无人机前方的光学场景、目标距离和红外场景进行仿真计算。由于现代游戏引擎UE4和Unity具备优秀的渲染效果、高效的光线追踪算法等优势，因此它们广泛用于无人机系统的场景仿真。

三光吊舱仿真能够提供逼近真实的传感器数据，这些数据可直接用于训练无人机系统，在保持数据可靠性的同时，大大降低研究成本、缩短了研发周期。当前，无人机系统中多采用半实物、实物仿真获取传感器数据，通常无人机的三光吊舱采用三光同轴结构，可实现偏航、俯仰和滚转三个方向的转动，能测量出吊舱在运动载体上的姿态信息，反馈给控制系统，结合无人机上传感器数据，实现对目标的捕捉和跟踪。这种方法获取数据容易受到实验条件的限制，人力、时间和经费成本较高。利用现代游戏引擎的光线渲染和碰撞检测等技术，不但可以较真实地模拟三光吊舱的探测和感知功能，还具备任意构建场景、敏捷开发等优势。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种基于游戏引擎的三光吊舱仿真方法，以解决如何利用UE4游戏引擎实现吊舱控制、光学相机拍照和变焦、激光测距以及红外相机拍照和变焦功能的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于UE4游戏引擎的三光吊舱仿真方法，该仿真方法包括如下内容：

(1)吊舱控制仿真

吊舱采用三光同轴结构，即吊舱同时控制光学相机、激光测距仪和红外相机的姿态；首先在游戏引擎中采用左手坐标系建立以无人机中心为原点的相对坐标系O-FRD；其中，机头方向为F，右翼方向为R，垂直尾翼朝下的方向为D；初始状态下，吊舱和无人机保持同一姿态，吊舱自身坐标系o-xyz与O-FRD对齐，吊舱绕z轴顺时针，即沿着z轴方向看为顺时针，旋转角度为偏航角α，吊舱绕y轴旋转角度为俯仰角β，吊舱绕x轴顺时针旋转角度为滚转角γ；

初始状态下，吊舱坐标为P₀，偏航角为α₀，俯仰角为β₀，滚转角为γ₀；模拟吊舱以角速度w°/s旋转到角度为(α₁,β₁,γ₁)，且满足条件-180°α₁180°、-90°β₁90°、-180°γ₁180°；

吊舱控制仿真步骤如下：

S1、将真实世界中的角速度转换为仿真世界的角速度，若墙钟时间1s为仿真时间的60帧，则仿真世界吊舱角速度ω为：

S2、以“偏航角-俯仰角-滚转角”的顺序进行吊舱姿态旋转，即先绕x轴旋转α₁-α₀，再绕y轴旋转β₁-β₀，最后绕z轴旋转γ₁-γ₀；