一种多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法，包括：视景显示计算机，与虚拟环境计算机进行网络通信连接；虚拟环境计算机存有各水下机器人的运动学、动力学模型，通过模型解算，生成各种虚拟传感器设备信息；电气转接装置将虚拟环境计算机扩展卡的标准电缆接口转接为可与多水下机器人机载自动驾驶仪方便连接的接口；机载自动驾驶仪为真实的水下机器人软硬件控制系统，根据自身的运动规划和闭环控制系统生成执行器控制量经由电气转接装置发送给虚拟环境计算机，根据使命需求通过虚拟环境计算机向其它机器人系统发送协作信息。本发明专利技术可方便扩展传感器和设备节点，系统扩展性好、可移植性高，便于配置各种类型的水下机器人。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多水下机器人控制和仿真
，具体的说是一种基于混合式硬件 体系结构的多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法。
技术介绍
为了满足水下机器人在控制系统软硬件设计和关键技术前期验证的需求，国内外 学者构建了各种应用于水下机器人的仿真平台，主要包括数字仿真平台和半物理仿真平 台。半物理仿真，也称半实物、硬件在回路(HIL，hardware in loop)仿真，在先进水下 机器人系统设计与开发中具有极其重要的意义。尤其对于多机器人系统而言，具有系统复 杂、存在各种不可预见性的特点，因此研究相应的仿真技术并建立其仿真环境，是设计复杂 控制系统、研究其关键技术及验证控制系统鲁棒性不可或缺的手段。与数字仿真不同的是，半物理仿真将真实的机器人控制器软硬件系统置于仿真环 境中，全过程、全状态进行仿真，及时发现机器人控制器在真实海洋环境中可能存在的软硬 件漏洞，提高系统可靠性。而这种半物理仿真只能对单一的机器人进行模拟控制，对于多机 器人，则无法实现模拟控制。目前，在相关报道中尚未发现多水下机器人半物理仿真装置。
技术实现思路
针对现有技术中存在的无法实现对于多机器人模拟控制这一空白，本专利技术要解决 的技术问题是提供一种能够对各机器人系统的软硬件内部关系、外部耦合等复杂过程进行 验证的多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是本专利技术多水下机器人半物理仿真系统包括视景显示计算机，虚拟环境计算机，电 气转接装置以及机载自动驾驶仪，其中视景显示计算机，与虚拟环境计算机进行网络通信连接，实现海底地形、障碍物、 涌流和声纳传感器数据的模拟，以及各水下机器人位姿的三维立体显示；虚拟环境计算机，存有各水下机器人的运动学、动力学模型，通过模型解算，生成 各种虚拟传感器设备信息，以实现水下机器人的自主闭环控制，同时完成模拟各种故障状 况，以及模拟水声信道实现多机器人协作信息的转发；电气转接装置，将虚拟环境计算机扩展卡的标准电缆接口转接为可与多水下机器 人机载自动驾驶仪方便连接的接口；机载自动驾驶仪为多套，为真实的水下机器人软硬件控制系统，通过电气转接装 置获取虚拟环境计算机的传感器数据，根据自身的运动规划和闭环控制系统生成执行器控 制量经由电气转接装置发送给虚拟环境计算机，同时根据使命需求通过虚拟环境计算机向 其它机器人系统发送协作信息。所述机载自动驾驶仪包括CPU单元、串口扩展单元、外围扩展单元、开关控制单元、电源控制/监测单元以及推进系统控制单元，其中CPU单元通过PC104总线连接串口扩 展单元、外围扩展单元连接，通过RS485总线连接开关控制单元、电源控制/监测单元以及 推进系统控制单元。电源控制/监测单元监测能源系统的电压、电流以及故障状态，接收 CPU单元的指令，对能源系统实施控制；推进系统控制单元监测驱动装置的运行状态，对驱 动装置实施使能、转速、转向控制；开关控制单元监测水下机器人的入水、漏水情况，对各机 载传感器、压载设备开关实施控制。所述虚拟环境计算机包括工控机、数字IO单元、模拟量输入单元、模拟量输出单 元以及串口单元，其中，工控机连接上述各单元；数字IO单元的数字量输入端在机载自动 驾驶仪的控制下向工控机输入多水下机器人的电源开关以及机器人压载设备的动作开关 的仿真信号，数字量输出端向机载自动驾驶仪输出入水检测及漏水和漏油报警及其它故障 信号；模拟量输入单元在工控机的控制下向工控机输入多水下机器人推进系统的模拟量输 出设备的仿真信号；模拟量输出单元在工控机的控制下通过串口单元向机载自动驾驶仪输 出各种虚拟传感器的仿真信号。所述电气转接装置一端与虚拟环境计算机扩展卡的标准电缆接口相连，另一端设 有方便与各水下机器人机载自动驾驶仪连接的电缆接口。所述机载自动驾驶仪为多台同构水下机器人控制装置，或者为多台异构水下机器 人控制装置。本专利技术多水下机器人半物理仿真方法包括以下步骤初始使命装载及路径规划；根据上述规划的路径进行仿真控制，具体为虚拟环境计算机向各机载自动驾驶仪发送仿真开始指令；各机载自动驾驶仪在接收到上述仿真开始指令后，按照规划的结果开始运行，通 过内部的自主闭环控制程序控制计算推进系统的控制量，通过模拟输出接口转由电气转接 装置发送给虚拟环境计算机的模拟输入卡；虚拟环境计算机将上述推进系统的控制量作为输入，通过各机载自动驾驶仪的运 动学、动力学模型解算获得各虚拟传感器信息和位姿信息，并将传感器信息通过对应串口 卡、模拟输出卡转由电气转接装置发送给各机载自动驾驶仪；同时虚拟环境计算机将解算 获得的各水下机器人的位姿信息通过网络接口发送给视景显示计算机进行三维显示。本专利技术明方法还包括以下步骤判断各机载自动驾驶仪是否需要发送协作信息；各机载自动驾驶仪如需发送协作信息，则通过对应的RS232接口经由电气转接装 置发送给虚拟环境计算机；由虚拟环境计算机将协作信息转发给指定的其他机载自动驾驶仪。如果机载自动驾驶仪不需发送协作信息，则接续判断各机载自动驾驶仪是否需要 发送协作信息步骤。所述初始使命装载及路径规划包括；虚拟环境计算机向各机载自动驾驶仪和视景显示计算机装载初始使命参数，并接 收返回的使命确认信息；各机载自动驾驶仪正确完成路径规划程序后，向虚拟环境计算机返回路径规划结果；虚拟环境计算机将路径规划结果发送给视景显示计算机进行二维显示。本专利技术具有以下有益效果及优点1.本专利技术采用模块化的设计思想，在最小水下机器人控制系统的配置下，可方便 扩展传感器和设备节点，系统扩展性好、可移植性高。2.本专利技术具有各种虚拟模型，实现了多水下机器人运动控制、协作导航、水声组 网、队形控制等关键技术涉及的虚拟传感器接口，便于配置各种类型的水下机器人。3.本专利技术具有各种故障模拟接口，可模拟各种水下机器人的故障状态，验证控制 器的完备性。附图说明图1为本专利技术电气结构框图；图2为本专利技术系统中机载自动驾驶仪的电气结构框图；图2A为本专利技术中机载自动驾驶仪的电源控制/监测单元框图；图2B为本专利技术系统中机载自动驾驶仪的推进系统控制单元框图；图2C为本专利技术系统中机载自动驾驶仪的开关控制单元电气结构框图；图3为本专利技术系统中虚拟环境计算机的电气结构框图；图4为本专利技术系统中电气转接装置电气结构框图；图5为本专利技术方法流程图。具体实施例方式如图1所示，本专利技术多水下机器人半物理仿真系统包括视景显示计算机1，虚拟 环境计算机2，电气转接装置3以及机载自动驾驶仪4，其中视景显示计算机1，与虚拟环 境计算机2进行网络通信连接，实现海底地形、障碍物、涌流和声纳传感器数据的模拟，以 及各水下机器人位姿的三维立体显示；虚拟环境计算机2，存有各水下机器人的运动学、动 力学模型，通过模型解算，生成各种虚拟传感器设备信息，以实现水下机器人的自主闭环控 制，同时完成模拟各种故障状况，以及模拟水声信道实现多机器人协作信息的转发；电气转 接装置3，将虚拟环境计算机2扩展卡的标准电缆接口转接为可与多台水下机器人机载自 动驾驶仪4方便连接的接口 ；机载自动驾驶仪4，为多套，为真实的水下机器人软硬件控制 系统，通过获取虚拟环境计算机2的传感器数据，根据自身的运动规划和闭环控制系统生 成执行器控制量发送给虚拟环境计算机2，从而实现多水下本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多水下机器人半物理仿真系统，其特征在于包括：视景显示计算机（１），虚拟环境计算机（２），电气转接装置（３）以及机载自动驾驶仪（４），其中：视景显示计算机（１），与虚拟环境计算机（２）进行网络通信连接，实现海底地形、障碍物、涌流和声纳传感器数据的模拟，以及各水下机器人位姿的三维立体显示；虚拟环境计算机（２），存有各水下机器人的运动学、动力学模型，通过模型解算，生成各种虚拟传感器设备信息，以实现水下机器人的自主闭环控制，同时完成模拟各种故障状况，以及模拟水声信道实现多机器人协作信息的转发；电气转接装置（３），将虚拟环境计算机（２）扩展卡的标准电缆接口转接为可与多水下机器人机载自动驾驶仪（４）方便连接的接口；机载自动驾驶仪（４），为多套，为真实的水下机器人软硬件控制系统，通过电气转接装置（３）获取虚拟环境计算机（２）的传感器数据，根据自身的运动规划和闭环控制系统生成执行器控制量经由电气转接装置（３）发送给虚拟环境计算机（２），同时根据使命需求通过虚拟环境计算机（２）向其它机器人系统发送协作信息。

【技术特征摘要】
1.一种多水下机器人半物理仿真系统，其特征在于包括视景显示计算机(1)，虚拟环 境计算机O)，电气转接装置(3)以及机载自动驾驶仪，其中视景显示计算机(1)，与虚拟环境计算机( 进行网络通信连接，实现海底地形、障碍 物、涌流和声纳传感器数据的模拟，以及各水下机器人位姿的三维立体显示；虚拟环境计算机O)，存有各水下机器人的运动学、动力学模型，通过模型解算，生成各 种虚拟传感器设备信息，以实现水下机器人的自主闭环控制，同时完成模拟各种故障状况， 以及模拟水声信道实现多机器人协作信息的转发；电气转接装置(3)，将虚拟环境计算机( 扩展卡的标准电缆接口转接为可与多水下 机器人机载自动驾驶仪(4)方便连接的接口 ；机载自动驾驶仪(4)，为多套，为真实的水下机器人软硬件控制系统，通过电气转接装 置C3)获取虚拟环境计算机O)的传感器数据，根据自身的运动规划和闭环控制系统生成 执行器控制量经由电气转接装置C3)发送给虚拟环境计算机O)，同时根据使命需求通过 虚拟环境计算机O)向其它机器人系统发送协作信息。2.按权利要求1所述的多水下机器人半物理仿真系统，其特征在于所述机载自动驾驶 仪(4)包括CPU单元、串口扩展单元、外围扩展单元、开关控制单元、电源控制/监测单元 以及推进系统控制单元，其中CPU单元通过PC104总线连接串口扩展单元、外围扩展单元连 接，通过RS485总线连接开关控制单元、电源控制/监测单元以及推进系统控制单元。电源 控制/监测单元监测能源系统的电压、电流以及故障状态，接收CPU单元的指令，对能源系 统实施控制；推进系统控制单元监测驱动装置的运行状态，对驱动装置实施使能、转速、转 向控制；开关控制单元监测水下机器人的入水、漏水情况，对各机载传感器、压载设备开关 实施控制。3.按权利要求1所述的多水下机器人半物理仿真系统，其特征在于所述虚拟环境计算 机(2)包括工控机、数字IO单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元以及串口单元，其中，工 控机连接上述各单元；数字IO单元的数字量输入端在机载自动驾驶仪(4)的控制下向工控 机输入多水下机器人的电源开关以及机器人压载设备的动作开关的仿真信号，数字量输出 端向机载自动驾驶仪(4)输出入水检测及漏水和漏油报警及其它故障信号；模拟量输入单 元在工控机的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任申真，李一平，曾俊宝，谭亮，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]