一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统技术方案

本发明专利技术公开一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，包括地图编辑模块、任务加载模块、虚拟视景仿真模块、水下传感器模块、自主避障及运动控制模块和状态监控及数据存储模块；能够实时模拟深海环境中三维障碍物的分布，生成海底各种干扰因素，采用实时通信网络对各个功能模块之间的数据进行实时传输和交互，使得爬游机器人在该系统中能够对自主避障方法进行充分验证和分析。

An Autonomous Obstacle Avoidance Simulation System for Deep-sea Climbing Robot

The invention discloses an autonomous obstacle avoidance simulation experimental system for deep-sea crawling robot, which includes map editing module, task loading module, virtual scene simulation module, underwater sensor module, autonomous obstacle avoidance and motion control module, state monitoring and data storage module; it can simulate the distribution of three-dimensional obstacles in deep-sea environment in real time, generate various interference factors on the seabed, and adopt real-time method. The real-time transmission and interaction of data between each functional module in time communication network enable the crawling robot to fully verify and analyze the method of autonomous obstacle avoidance in this system.

【技术实现步骤摘要】
一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统
本专利技术属于智能机器人自主避障
，具体涉及一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统。
技术介绍
目前随着能源和安全不断转向深海空间，使得对深海空间进行勘探和开发的相关技术的需求越来越迫切，然而深海环境恶劣的自然条件，限制了有人系统的使用，无人系统成为深海空间开发和利用的重要手段。深海爬游机器人是一种用于深海搜索、勘探、作业的无人智能机器人系统，能在超过5000米的深海海域作业，但是深海环境中的超高压力、低能见度、复杂未知的海底环境等因素对深海爬游机器人的安全构成了巨大威胁。目前针对无人系统自主避障技术的研究主要集中在无人机、地面无人车、水面无人艇、水下智能机器人系统，然而对于深海智能系统的自主避障技术研究成果还非常少，需要在这个领域展开相关研究，为深海智能机器人系统提供安全可靠的技术支撑。深海爬游机器人工作环境比传统无人系统工作的环境都要复杂，由于其下潜深度大，通常到达深海海底，工作环境为一个三维分布的障碍物环境。三维环境中的自主避障问题的复杂程度要远远大于二维环境，同时还需要考虑深海环境中其他干扰因素的影响，使得深海爬游机器人自主避障方法的设计具有很大的难度。在自主避障算法设计过程中，需要构建各种障碍物环境约束，对自主避障算法的性能进行充分验证分析。由于受使用成本、安全性、以及深海障碍物环境约束等因素限制，使得在实体机器人平台上进行实验分析是不可行的，需要利用一种安全、高效、快捷的方法对深海爬游机器人的自主避障算法的性能进行验证分析。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，能够实时模拟深海环境中三维障碍物的分布，生成海底各种干扰因素，采用实时通信网络对各个功能模块之间的数据进行实时传输和交互，使得爬游机器人在该系统中能够对自主避障方法进行充分验证和分析。实现本专利技术的技术方案如下：一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，包括地图编辑模块、任务加载模块、虚拟视景仿真模块、水下传感器模块、自主避障及运动控制模块和状态监控及数据存储模块；地图编辑模块构建爬游机器人的深海障碍物环境；任务加载模块设置爬游机器人的初始运动状态和作业任务；虚拟视景仿真模块根据深海障碍物环境构建三维地理环境，并根据爬游机器人的初始运动状态和三维地理环境得到初始障碍物分布信息；并根据自主避障及运动控制模块输出的爬游机器人运动控制指令对机器人的运动状态进行解算，将爬游机器人运动状态实时数据传输到自主避障及运动控制模块、任务加载模块和状态监控及数据存储模块中；水下传感器模块读取初始障碍物分布信息和爬游机器人位姿信息，根据自主避障实验的需求，构建爬游机器人周围环境中障碍物分布数据；自主避障及运动控制模块根据当前作业任务、障碍物分布数据、爬游机器人的初始运动状态计算爬游机器人安全自主航行的运动控制指令；状态监控及数据存储模块存储爬游机器人的姿态信息、障碍物分布数据和实时运动状态数据。进一步地，虚拟视景仿真模还用于对爬游机器人的各种运动状态、海底地形、海流、以及海洋动植物进行实时显示。进一步地，虚拟视景仿真模块还用于模拟盐度、温度和海水密度。进一步地，水下传感器探测模块模拟爬游机器人的避障声纳传感器，在爬游机器人进行自主避障的过程中提供实时的障碍物分布数据。进一步地，自主避障及运动控制模块包括自主避障模块和爬游机器人平台运动控制模块，自主避障模块根据作业任务目标、障碍物分布数据以及爬游机器人的实时运动状态，计算出能够引导爬游机器人在障碍物环境中进行安全航行的航速、航向，并将生成的航速和航向输入到运动控制模块；运动控制模块根据输入的航速、航向以及机器人实时运动状态信息计算出机器人运动控制指令，爬游机器人的运动控制指令包括两种类型：巡游状态控制指令参数和爬游状态控制指令参数。进一步地，爬游机器人的运动状态包括下潜、上浮、巡游、坐底抗流、稳定爬行、作业控制、起底和回收。进一步地，虚拟视景仿真模块包含爬游机器人运动状态解算模块，根据自主避障及运动控制模块输入的运动控制指令和爬游机器人当前的运动状态信息，解算出爬游机器人下一个时钟节拍的坐标、航速、航向、横倾角和纵倾角的运动状态参数。有益效果：一、本专利技术提出了一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，为深海爬游机器人在深海环境中的自主避障方法的设计和验证分析提供了充分的实验条件。二、本专利技术在自主避障算法的设计分析过程中，充分利用视景驱动引擎提供的运动学模块对爬游机器人的运动姿态进行解算，避免了实体机器人平台的使用，确保了机器人实体平台的安全。三、本专利技术实验仿真系统能根据需求构建各种障碍物分布环境和干扰因素，充分模拟深海爬游机器人的深海工作环境，对机器人自主避障算法的性能进行充分有效地验证，确保了自主避障算法在实际深海环境中的可靠性。四、本专利技术自主避障仿真实验系统能对自主避障算法中存在的问题进行快速验证、分析和反馈，有效提升了机器人自主避障算法的研制效率，缩短了机器人系统的研制周期。五、本专利技术自主避障仿真实验系统采用三维视景可视化技术，能够提升操作人员与实验系统之间的交互效率。附图说明图1为爬游机器人自主避障技术仿真系统结构图。图2为自主避障及运动控制模块结构图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，如图1所示，包括地图编辑模块、任务加载模块、虚拟视景仿真模块、水下传感器模块、自主避障及运动控制模块和状态监控及数据存储模块；1)地图编辑模块根据爬游机器人在深海环境中自主避障实验的需求，利用地图编辑模块为其构建障碍物环境，为爬游机器人的自主避障构建障碍物环境约束，根据需求尽可能模拟深海障碍物环境。地图编辑模块采用图形化的地图编辑交互界面，便于用户根据实际需求通过对地图基本模型库进行添加、删除、旋转、放大、缩小等基本操作构建地图。图形化基本地形模型包括：海岛模型库、海底地形库、海底礁石障碍物库等，基本模型库采用3DMAX进行开发，每一个图形化模型背后都对应该模型的相关属性数据。地图编辑模块采用Unity3D驱动引擎进行开发，能进行3DMAX格式的图形化基本地图模型的加载，快速生成爬游机器人的作业深海海洋环境。用户在为爬游机器人设置深海工作环境时，可以根据实验需求添加海岛、海底地形、海底礁石等，也可以通过对地形模块进行组合处理，生成复杂多样化的海洋环境。地图编辑模块可以在设定的海域范围内通过移动、缩放、旋转等编辑功能，形成自定义的深海障碍物环境地图。编辑好的深海障碍物环境数据通过实时通信网络传输到虚拟视景仿真模块，虚拟视景仿真模块根据地形的相关参数构建三维虚拟海洋环境。2)任务加载模块机器人任务加载模块包括初始任务设置和实时任务设置两种，爬游机器人任务设置包括：运动起点、任务目标点、航迹关键目标点、作业任务的类型等。初始任务设置是在爬游机器人在开始作业之前进行的，设置爬游机器人的初始做作业任务目标，并设置爬游机器人的初始运动状态，通过实时数据通信网络将任务目标传输到自主避障及运动控制模块引导爬游机器人进行作业。而实时任务设置是在爬游机器人作业的过程中进行的，用户可以根据实际需求重新设置任务目标，通过实时数据通信网络下发的自主避障及运动控制模块对作业任务进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，其特征在于，包括地图编辑模块、任务加载模块、虚拟视景仿真模块、水下传感器模块、自主避障及运动控制模块和状态监控及数据存储模块；地图编辑模块构建爬游机器人的深海障碍物环境；任务加载模块设置爬游机器人的初始运动状态和作业任务；虚拟视景仿真模块根据深海障碍物环境构建三维地理环境，并根据爬游机器人的初始运动状态和三维地理环境得到初始障碍物分布信息；并根据自主避障及运动控制模块输出的爬游机器人运动控制指令对机器人的运动状态进行解算，将爬游机器人运动状态实时数据传输到自主避障及运动控制模块、任务加载模块和状态监控及数据存储模块中；水下传感器模块读取初始障碍物分布信息和爬游机器人位姿信息，根据自主避障实验的需求，构建爬游机器人周围环境中障碍物分布数据；自主避障及运动控制模块根据当前作业任务、障碍物分布数据、爬游机器人的初始运动状态计算爬游机器人安全自主航行的运动控制指令；状态监控及数据存储模块存储爬游机器人的姿态信息、障碍物分布数据和实时运动状态数据。

【技术特征摘要】
1.一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，其特征在于，包括地图编辑模块、任务加载模块、虚拟视景仿真模块、水下传感器模块、自主避障及运动控制模块和状态监控及数据存储模块；地图编辑模块构建爬游机器人的深海障碍物环境；任务加载模块设置爬游机器人的初始运动状态和作业任务；虚拟视景仿真模块根据深海障碍物环境构建三维地理环境，并根据爬游机器人的初始运动状态和三维地理环境得到初始障碍物分布信息；并根据自主避障及运动控制模块输出的爬游机器人运动控制指令对机器人的运动状态进行解算，将爬游机器人运动状态实时数据传输到自主避障及运动控制模块、任务加载模块和状态监控及数据存储模块中；水下传感器模块读取初始障碍物分布信息和爬游机器人位姿信息，根据自主避障实验的需求，构建爬游机器人周围环境中障碍物分布数据；自主避障及运动控制模块根据当前作业任务、障碍物分布数据、爬游机器人的初始运动状态计算爬游机器人安全自主航行的运动控制指令；状态监控及数据存储模块存储爬游机器人的姿态信息、障碍物分布数据和实时运动状态数据。2.如权利要求1所述的一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，其特征在于，虚拟视景仿真模还用于对爬游机器人的各种运动状态、海底地形、海流、以及海洋动植物进行实时显示。3.如权利要求1所述的一种深海爬游机器人自主避障仿真实验系统，其特征在于，虚拟视景...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐平鹏，魏伟，郑超，马哲松，王心亮，刘智，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42