一种半实物仿真方法及系统与流程

本发明涉及半实物仿真，具体是一种半实物仿真方法及系统。

背景技术：

1、当代工业产品的发展方向为：高度智能化、集成化、耦合化，同时产品开发与算法涉及的标准也日渐严格。因此，传统的纯数字仿真系统的开发环境已经远远不能满足要求。为了增加仿真的可靠性，增加仿真系统的真实性为算法开发、产品设计提供了一个很高的提升可信度的平台。鉴于仿真技术可以显著降低研制成本、缩短研制周期，通过提升仿真手段提升算法可信度已经成为现代工业领域的一个普遍共识。

2、半实物仿真技术结合了数字仿真与真实硬件设备二者的优势，可以在系统仿真领域开展关键技术硬件在回路校验技术研究，突破高保真度关键技术半实物仿真校验技术。

3、半实物仿真是一种特别重要的技术，半实物仿真是将一部分真实硬件设备和一部分数字仿真设备连接起来，形成一个完整的通信网络。通过这种方式，可以充分利用真实硬件设备和数字仿真设备的优点。真实硬件设备可以提供更真实的硬件性能和物理特性，而数字仿真设备可以提供灵活的配置和大规模的模拟能力。

4、由于无人机携带的能源有限，无人机的服务范围受到无法长途飞行或长时间飞行的现实限制。同时，无线传感器网络中传感器节点的电池寿命通常是有限的，在许多情况下很难定期更换电池。因此。与无人机频繁通信会导致传感器节点迅速耗尽能量。如果无人机的节点能量被耗尽，则该节点无法支持数据包的传输，其携带的数据包也将丢失。因此，研究无人机无线传感器网络的节能问题具有重要意义。

5、在过去一段时间内，众多学者针对节能路由设计提出了一系列的方法，常见的方法为在纯数字仿真系统中对节能通信算法的算法性能和算法有效性进行有效检测，但是通信环境是一个庞大而复杂的系统，在纯数字仿真系统中，难以对通信延迟、节点失效、链路拥堵等复杂环境下进行仿真。随着电子信息技术的发展，在过去一段时间内仿真手段也得到了有效发展，通过提升仿真手段提升通信算法可信度也成为了一种新的研究道路。

6、传统节能式自组网路由算法仿真难度较低，但实验中的通信环境和网络延迟都是庞大和复杂的系统，很难通过纯数字仿真对节能通信算法的算法性能和算法有效性进行有效检测，这一缺点使得算法存在一定的不可靠性。因此，为了提升算法设计过程中的研制质量与设计算法的真实性，亟需发展硬件在回路系统验证的节能通信算法。

7、当前，通信节能算法验证通常在数字仿真系统或真实环境中搭建实验平台，但前者无法对关键环境进行充分模拟，后者需要大量的设备和人力。

8、综上，现有技术存在以下缺点：

9、基于纯数字仿真设计的节能通信算法，存在算法可信度低的问题；基于真实环境设计的节能通信算法，存在耗时耗财的问题。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种半实物仿真方法及系统，解决现有技术存在的算法可信度低、耗时耗财等问题。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、一种半实物仿真方法，采用多种因素度量，并通过半实物仿真系统验证，所采用的因素包括轨迹度量值，轨迹度量值的计算公式如下：

4、

5、式中，为轨迹度量值，为距离因子，为节点密度因子，为邻近节点与目的节点之间的欧几里得距离，为源节点与目的节点之间的欧几里得距离，为当前节点拥有的邻近节点数，为网络中节点的数量。

6、作为一种优选的技术方案，所采用的因素包括能量消耗，假设节点的初始能量均为,节点转发和接收数据均遵循一阶无线电模型，当节点向距离为的节点发送位比特信息时，节点能量消耗计算公式如下：

7、

8、式中，为节点的能量消耗，为节点向节点发送的比特信息位数,为节点至节点的距离，为电子系统运行能耗系数，为自由空间传播损耗系数，为多径衰落传播损耗系数，为信息传输距离阈值。

9、作为一种优选的技术方案，，当时，节点间的通信采用自由空间模型；当时，节点间的通信采用多径衰落模型。

10、作为一种优选的技术方案，当节点接受位比特信息时，节点能量消耗如下：

11、

12、式中，为节点的能量消耗。

13、作为一种优选的技术方案，所采用的因素包括剩余能量，计算公式如下：

14、

15、式中，为剩余能量，为发送的指示变量，为接受的指示变量，若无人机发送数据则，若无人机接受数据则，若无人机发送和接受数据其，若无人机不发送数据则，若无人机不接受数据则。

16、作为一种优选的技术方案，所采用的因素包括效用函数，计算公式如下：

17、

18、式中，为效用函数，为轨迹度量值的权重因子，为剩余能量的权重因子。

19、作为一种优选的技术方案，假设节点携带要转发的控制信息，节点先判断目的节点是否为邻近节点，若为邻近节点，则直接进行数据转发；反之，则按照效用函数的计算公式选择中继节点，直到把控制信息传送到目的节点，完成数据的传输。

20、一种半实物仿真系统，用于实现所述的一种半实物仿真方法，包括依次通信连接的通信模块、外挂任务计算机、飞控计算机、实时仿真机、反射内存板卡、半实物集成软件、半实物仿真管理系统。

21、作为一种优选的技术方案，实时仿真机运行rtx实时操作系统，飞控计算机运行vxworks操作系统，外挂任务计算机运行ubuntu操作系统，通信模块通过mesh自组网，半实物仿真管理系统通过数字仿真系统的目标信息对实时仿真机集群进行管理的调度。

22、本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

23、（1）本发明在开发初期构建混合异构的半实物仿真系统，对具备通信延迟、节点失效、链路拥堵等复杂环境下的节能式自组网路由算法进行了校验优化，提高了算法设计的可靠性与研制质量，增加仿真结果的真实度与可信性；

24、（2）本发明在展开研究阶段，通过开展关键通信部分硬件在回路校验技术研究，节省算法研制时间的同时提升算法研制质量；

25、（3）本发明通过综合考虑传输效率、传输质量与传输成功率等因素，设计了一种考虑节点位置与剩余能量因素的多目标度量准则，以达到实现节约能量的目的。通过半实物仿真系统验证，保证了所设计算法的保真度；

26、（4）本发明将半实物仿真验证技术与节能式自组网路由算法结合起来，创新地针对关键通信部分引入硬件在回路技术，使得开发的通信算法更加接近真实情况，可以进行真实性地分析；

27、（5）本发明通过在关键部分采用半实物仿真技术，可以提高所研制通信算法的保真度，有效提升相关通信算法的研制质量，进而支撑算法关键部分的可信性与真实度；同时，节省了算法研制时间，不在降低算法研制准确性的情况下提高了算法研制效率。

技术特征：

1.一种半实物仿真方法，其特征在于，采用多种因素度量，并通过半实物仿真系统验证，所采用的因素包括轨迹度量值，轨迹度量值的计算公式如下：

2.根据权利要求1所述的一种半实物仿真方法，其特征在于，所采用的因素包括能量消耗，假设节点的初始能量均为,节点转发和接收数据均遵循一阶无线电模型，当节点向距离为的节点发送位比特信息时，节点能量消耗计算公式如下：

3.根据权利要求2所述的一种半实物仿真方法，其特征在于，，当时，节点间的通信采用自由空间模型；当时，节点间的通信采用多径衰落模型。

4.根据权利要求3所述的一种半实物仿真方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的一种半实物仿真方法，其特征在于，所采用的因素包括剩余能量，计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的一种半实物仿真方法，其特征在于，所采用的因素包括效用函数，计算公式如下：

7.根据权利要求6所述的一种半实物仿真方法，其特征在于，假设节点携带要转发的控制信息，节点先判断目的节点是否为邻近节点，若为邻近节点，则直接进行数据转发；反之，则按照效用函数的计算公式选择中继节点，直到把控制信息传送到目的节点，完成数据的传输。

8.一种半实物仿真系统，其特征在于，用于实现权利要求1至7任一项所述的一种半实物仿真方法，包括依次通信连接的通信模块、外挂任务计算机、飞控计算机、实时仿真机、反射内存板卡、半实物集成软件、半实物仿真管理系统。

9.根据权利要求8所述的一种半实物仿真系统，其特征在于，实时仿真机运行rtx实时操作系统，飞控计算机运行vxworks操作系统，外挂任务计算机运行ubuntu操作系统，通信模块通过mesh自组网，半实物仿真管理系统通过数字仿真系统的目标信息对实时仿真机集群进行管理的调度。

技术总结本发明涉及半实物仿真技术领域，公开了一种半实物仿真方法及系统，该方法，采用多种因素度量，并通过半实物仿真系统验证。本发明解决了现有技术存在的算法可信度低、耗时耗财等问题。技术研发人员：李姗姗,陈功,敖厚军,唐浩楠,包富瑜,杜文涛,张俊傲受保护的技术使用者：成都流体动力创新中心技术研发日：技术公布日：2024/6/18