CN103592854B - 一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向观探测任务的水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置。一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置，包括水面监控计算机1、多路通信设备2、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4、虚拟显示计算机5、外部测量定位装置6、真实航行器系统7、虚拟航行器系统8.本发明能够准确同步预测航行器在执行任务时的位置和姿态，并实时显示出航行器的航行轨迹，避免因水下通信阻碍造成的不可人为监控状态下的危险性动作，为试验人员和使用者提供一个可视化的估计手段，对提高水下无人航行器的安全性和可靠性水平具有重要意义。

Description

一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置

技术领域

本发明涉及一种面向观探测任务的水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置。

背景技术

水下无人航行器（包括AUV、UUV、ROV等)具有特有的水下无人现场特性，在复杂的海洋环境中无人自主地完成预设任务极具挑战,面临着巨大的丢失风险。水面监控中心在航行器航行及作业过程中对航行器进行监控可有效提高航行器的航海安全性。卫星、无人机、无人车等系统的测控中心可以采用卫星通信、无线电通信、无线网络通信等多种通信手段进行监控，不同于以上系统，水下无人航行器的水面监控中心只能采用水声通信与水下航行器进行双向信息交互，由于水声通信作用距离有限，易受环境噪声影响，且在隐蔽性军事任务上的应用受到限制，传统的信息交互式测控手段已经不能满足航行器的远程航海及作业任务需求，需要寻求一种新方法新手段。

航行器在水下航行及作业过程中，如果水面监控中心能够采用某种技术对航行器的任务过程进行同步虚拟推演，并且在推演过程中借助于外测的海流信息和航行器上传的零星短报文信息等对水面推演信息进行校准和同步，较准确地预测航行器在水下执行任务时的绝对位置和姿态，不仅能够便于监控者掌控航行器的系统状态，而且可以及早发现系统的潜在故障，争取宝贵的故障应急处理时间；另外，同步虚拟推演还可以提供一个有效的任务预演和验证仿真平台，在航行器执行任务前通过对任务进行预演，可避免因设定任务不合理、使命装订人为失误、软件潜在漏洞等原因导致的损坏、丢失等事故。

本发明设计一种以典型水下观探测任务为应用背景的水下无人航行器同步虚拟推演方法，建立航行器同步虚拟系统平台体系结构和航行器空间运动数学模型（含海洋干扰模型），通过在水面上同步运行航行器的实艇控制软件，驱动空间运动数学模型，并将空间运动数学模型的状态进行视景显示，实现航行器任务过程的虚拟推演；另外，水面监控中心根据航行器作业海域海流观测信息，修正航行器同步虚拟推演过程的海洋环境干扰项，以提高虚拟推演准确度；当航行器在水下航行时，可利用同步定位声呐（USBL，超短基线定位系统）测出的真实航行器定位信息（包括经度、纬度、深度）进行推演位置和姿态校正，当航行器因任务需要上浮至水面时，则可利用经卫星通信（中远距离）或无线电通信、无线网络通信（近距离）上报的GPS或北斗卫星（BD）定位信息，以更精确地预报航行器的运行状态。

通过对国内现有技术文件检索，目前，同步虚拟推演技术主要应用在航空航天工程及虚拟战场领域，在水下无人航行器技术领域类似的技术研究仍停留在实验室仿真阶段。例如，西北工业大学许喆在2007年发表的硕士论文“某外场水下试验平台的视景仿真研究”，中科院沈阳自动化研究所张禹等人于2004年发表的“自治水下机器人实时仿真系统开发研究”，另有哈尔滨工程大学王宏健、李娟等于2004年发表的“自主式水下潜器虚拟仿真系统研究”，都提出采用虚拟现实或视景仿真手段，建立无人水下航行器实时仿真系统平台的方案。但上述文献所做工作是单纯的对水下无人航行器进行运动模型的半物理仿真，并没有与真实航行器达到同步运行，于本文所述思想有本质区别。

通过对中国专利数据库检索，专利申请号为201010544937.7的中国专利公开了“水下航行器组合导航与控制半实物仿真试验系统”，采用仿真计算机计算出水下航行器的位置、姿态、速度和航向信息，实现了水下航行器组合导航控制系统的联调与测试。上述专利与本专利的相同之处：对航行器的运行状态进行计算机仿真。不同之处：本专利在航行器动力学模型基础上获取位姿信息并进行与真实航行器同步运行的三维虚拟推演，与其所述半实物仿真试验系统不同。

通过对美国专利数据库及欧洲专利数据库的检索，未查到与本发明类似专利。

经过对国内外现有技术的文献和专利检索，尚未发现类似用于水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在实际试验前利用同步推演系统完成任务预演、试验中任务态势同步演示及试验后的任务回放等功能的水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置，包括水面监控计算机1、多路通信设备2、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4、虚拟显示计算机5、外部测量定位装置6、真实航行器系统7、虚拟航行器系统8，其特征在于：

水面监控计算机1同时向虚拟航行器系统8和真实航行器系统7发送指令使命任务，将生成的指令航迹发送至虚拟显示计算机；

虚拟航行器系统8接收到由水面监控计算机1发送的指令后，经任务管理计算机3解算并下达至运动控制计算机4；

运动控制计算机4建立航行器数字化模型，生成航行器位置参数和执行机构参数传入虚拟显示计算机5中进行V视景仿真显示循环,从而更新场景、动态的显示航行器在已知航迹下的运动过程，完成与真实航行器的同步虚拟推演；

水面监控计算机1通过多通路通信设备2接收真实航行器上报的经外测设备6获取的位置信息，并转发至虚拟显示计算机5，当二者显示的位姿信息误差较大时，选择信任外测设备定位信息为真值，完成对虚拟航行器位姿的校准。

虚拟航行器系统和真实航行器系统同时接收来自水面监控系统的指令，在网络资源分配方面采用指令单一发送和多方发送两种切换模式，避免因两套系统同时运行带来的信号冲突。

多路通信设备2由无线电、无线网络、北斗通信和水声通讯组成，当航行器在水面作业时水面监控计算机可通过无线电、无线网络和北斗通信接收真实航行器系统上报的位姿信息，而在水下作业时只能采用通讯声呐进行通信；水面监控计算机1、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4和虚拟显示计算机5通过网络设备（路由器）连接。

虚拟航行器系统8由虚拟航行器系统任务管理计算机3和虚拟航行器系统运动控制计算机4组成，完成对真实航行器任务管理及控制过程的同步模拟。

外部定位测量装置测出实际航行器位置信息为经度、纬度、深度。

本发明的有益效果在于:本发明能够准确同步预测航行器在执行任务时的位置和姿态，并实时显示出航行器的航行轨迹，避免因水下通信阻碍造成的不可人为监控状态下的危险性动作，为试验人员和使用者提供一个可视化的估计手段，对提高水下无人航行器的安全性和可靠性水平具有重要意义。该技术主要完成在实际试验前利用同步推演系统完成任务预演、试验中任务态势同步演示及试验后的任务回放功能。此外，该技术在研发阶段同样具有绝对的优越性，它可为设计者提供一个很好的演示平台，通过实际试验前的任务预演可避免因逻辑漏洞导致的灾难性后果和不可估价的损失，并可为水下无人航行器故障诊断提供一个良好的验证环境。

附图说明

图1为水下无人航行器同步虚拟推演平台结构框图；

图2为本发明所构建的同步推演体系结构硬件计算机拓扑图；

图3为本发明的功能模块工作流程图；

图4为虚拟航行器控制系统结构图；

图5为虚拟显示计算机内部仿真软件运行流程图；

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的特点和功能。

水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置，该装置主要完成包括在实际试验前利用同步推演系统完成任务预演、试验中任务态势同步演示及试验后的任务回放等功能。

本发明是通过以下技术方案实现的,它包括：水面监控计算机1、多路通信设备2、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4、虚拟显示计算机5、外部测量定位装置6、真实航行器系统7、虚拟航行器系统8。其中，水面监控计算机1负责试验初始化设置、使命规划、指令监控及二维信息显示等；多路通信设备2由无线电、无线网络、北斗通信和水声通讯组成，当航行器在水面作业时水面监控计算机可通过无线电、无线网络和北斗通信接收真实航行器系统上报的位姿信息，而在水下作业时只能采用通讯声呐进行通信；水面监控计算机1、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4和虚拟显示计算机5通过网络设备（路由器）连接。

所述的虚拟航行器系统8由虚拟航行器系统任务管理计算机3和虚拟航行器系统运动控制计算机4组成，完成对真实航行器任务管理及控制过程的同步模拟功能。

所述的虚拟航行器系统任务管理计算机3对航行器的系统状态及作业环境进行监控，它将与水面监控计算机1通过网络设备（路由器）进行信息交互，实时接收水面监控计算机1发送的监控指令及规划使命任务信息，同时，通过自身嵌套的任务管理软件将控制指令信息经过解算发送至虚拟航行器系统运动控制计算机4。

虚拟航行器系统运动控制计算机4内部嵌入航行器数字化模型和运动控制、导航软件。其中航行器动力学数字化模型中的不确定项通过系统辨识技术进行修正，经虚拟航行器系统运动控制计算机4完成对数字化模型和运动控制及导航的解算，并将获得的航行器位姿信息通过网络设备（路由器）发送至虚拟显示计算机5。

虚拟显示计算机5利用Creator和Vega Prime来建立逼真的三维海洋模型、航行器几何模型，并可实时设定不同的视点及实时显示渲染效果。

外部测量定位装置6由GPS或BD定位(水面航行)和USBL（水下航行）系统设备组成，并集成至真实航行器载体系统7中。为了在虚拟显示计算机中更加准确的预测航行器的运行状态，需借助上述外部测量装置获取的真实航行器位置信息对虚拟航行器位置进行校准。

本发明还包括根据航行器作业海域海流观测信息，修正航行器同步虚拟推演过程的海洋环境干扰项的技术。由于航行器在执行任务时受到海洋环境的影响，常偏离预定的航线导致导航精度降低，因此对海洋环境干扰信息进行有效的实时的修正和补偿来提高航行器的导航精度是十分必要的。海流信息可从两方面获取，一方面来自该面向观探测任务的航行器自身携带的海流观测设备ADCP，经数据后处理可得到航行器作业海域的海流信息；另一方面，一般情况下试验母船自身装配有用于海流观测的设备，融合两种海流数据对虚拟海洋场景中及航行器数字化模型解算时的海流干扰项进行修正，以提高虚拟推演的准确性。

本发明设计的一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置工作原理是：由水面监控计算机1同时向虚拟航行器系统8和真实航行器系统7发送指令使命任务，同时将生成的指令航迹发送至虚拟显示计算机5。水面控制室搭建的虚拟航行器系统8接收到由水面监控计算机1发送的指令后，经任务管理计算机3解算并下达至运动控制计算机4，运动控制计算机4完成内部航行器数字化模型、导航及运动控制软件的解算生成航行器位置参数和执行机构参数传入虚拟显示计算机5中进行Vega Prime视景仿真显示循环,从而更新场景,动态的显示航行器在已知航迹下的运动过程，完成与真实航行器的同步虚拟推演。与此同时，水面监控计算机1通过多通路通信设备2接收真实航行器上报的经外测设备6获取的位置信息，并转发至虚拟显示计算机5，当二者显示的位姿信息误差较大时，选择信任外测设备定位信息为真值，完成对虚拟航行器位姿的校准。

如图1所示，本发明设计的一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置主硬件配置要包括如下几个部分：水面监控计算机1、多路通信设备2、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4、虚拟显示计算机5、外部测量定位装置6、真实航行器系统7、虚拟航行器系统8。其中，水面监控计算机1嵌入水面监控软件，负责试验初始化设置、使命规划、指令监控等，是人机交互二维信息显示综合工作站；多路通信设备2由无线电、无线网络、北斗通信和水声通讯组成，当航行器在水面作业时水面监控计算机可通过无线电、无线网络和北斗通信接收真实航行器系统上报的位姿信息，而在水下作业时只能采用水声通讯系统进行通信，并可利用USBL设备测定真实航行器的实际位置；水面监控计算机1、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4和虚拟显示计算机5通过网络设备（路由器）连接；外部测量定位装置6集成安装于真实航行器系统7中的航行器载体上，包括GPS和BD接收天线，以及用于USBL定位系统的应答器设备。

如图2所示为本发明面向观探测任务的航行器同步虚拟推演装置所需的硬件计算机拓扑图，其中水面监控计算机1与水面虚拟航行器系统8通过局域网连接，与水下真实航行器系统通过多路通信模块2线连接；系统初始化阶段，分别为水面监控计算机1、虚拟航行器系统任务管理计算机3、虚拟航行器系统运动控制计算机4、虚拟显示计算机5分配不同的网络IP地址及网络接收端口，用于监控指令及运行数据的传递。系统正常运行时，可由水面监控计算机1采用单一发送/多方发送模式将监控指令下达至虚拟航行器系统8和真实航行器系统7。当航行器在水下航行时，外测定位设备6通过USBL系统获取真实航行器位置信息，并通过同步定位声呐计算机经串口或网线上传至水面监控计算机1。

如图3所示为航行器观测任务同步虚拟推演的功能模块工作流程图，该过程的具体实施步骤可表述为：

1、通过水面监控计算机人机交互界面同时完成对虚拟航行器和真实航行器的初始化设置，包括航行器位置、姿态初始化，载入试验场景、设置安全区域，海流信息配置等；其中，海流信息来自于上一航次获得的ADCP观测数据后处理的流速流向数据。

2、水面监控计算机通过无线电或网络通讯模式同时向虚拟航行器和真实航行器两个端口发送使命任务开始指令；

3、真实航行器系统自主运行，并根据通信条件实时向水面监控计算机反馈自身状态信息；虚拟航行器系统则由虚拟航行器控制系统中的任务管理计算机完成任务调度并生成制导指令；

4、虚拟航行器系统中的运动控制计算机则接收本系统任务管理计算机任务指令完成对数字化模型和运动控制及导航算法的解算，得到虚拟航行器自身的运行位姿数据；

5、虚拟显示计算机接收运动控制计算机发送的位姿信息数据，采用三维建模软件Creator和虚拟显示软件Vega Prime建立航行器实体模型及虚拟海洋场景模型，完成与真实航行器任务同步的虚拟推演。将模型解算输出的航行器位置参数、执行机构参数和姿态参数传入VegaPrime视景仿真显示循环,实时的更新场景,动态的显示虚拟航行器在已知航迹下的运动过程。

6、真实航行器系统通过自身运动控制软件数据采集模块获取外部测量设备定位，经处理后得到真实位姿数据上传至本系统任务管理计算机，并经通信链路转发至水面监控计算机。当航行器在水面作业时，水面监控计算机可接受来自GPS/BD的位置信息，作为完成位置校准；当航行器在水下作业时，受通信手段阻碍，水面监控计算机则只能接收来自USBL的位置信息。

如图4所示为虚拟航行器控制系统结构图，图中1、2、3分别表示虚拟航行器任务管理模块、虚拟航行器运动控制模块和航行器数字化模型。水下无人航行器空间运动控制可以认为是水平面与垂直面的综合控制。首先经水面监控计算机（1）对航行器进行初始化并给出空间目标点(x,y,z)，由虚拟航行器任务管理计算机（3）据导航制导器分别求解出航行器指令航速下的期望航向角和纵倾角即φ_d，u_d和θ_d，然后通过嵌入在虚拟航行器运动控制计算机（4）内的航速、航向角和纵倾角运动控制器分别求解出垂直舵舵角指令δ_rc、推进器转速指令n_rc和水平舵舵角指令δ_sc，而δ_r、n_r、δ_s分别为相应执行机构的实际测量值，代入航行器空间六自由度动力学模型经四阶龙哥库塔法解算，求得航行器的实际航速、实际艏向角和实际纵倾角u、φ、θ，经运动学模型求得航行器船体坐标系下的位姿，最后经坐标变换得到航行器在大地坐标系下的运动信息。本专利中虚拟航行器控制系统采用舰位推算导航算法，当需要对虚拟显示计算机（5）中虚拟航行器位姿进行校准时，将位置数据来源切换至外部测量定位系统（GPS、BD、USBL），完成一次校准后仍采用舰位推算导航。由虚拟航行器系统最终求解出的位姿信息，经局域网传输至虚拟显示计算机（5）。

如图5所示为虚拟显示计算机内部同步推演软件运行流程图，任务同步推演开始时虚拟显示计算机（5）接收水面监控计算机（1）发送的初始化位置信息，完成虚拟航行器三维模型的调入和显示，接着载入虚拟三维水下试验场景，当接收到使命开始指令时通过程序不断接收来自虚拟航行器控制系统（8）解算出的位姿数据，完成虚拟航行器在虚拟试验场景中的位姿更新，并跟进情况需要进行视角切换。当使命结束时完成试验数据的记录和保存，用以试验后的任务回放等。

本专利未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种水下无人航行器观测任务的同步虚拟推演装置，包括水面监控计算机(1)、多路通信设备(2)、虚拟航行器系统任务管理计算机(3)、虚拟航行器系统运动控制计算机(4)、虚拟显示计算机(5)、外部测量定位装置(6)、真实航行器系统(7)、虚拟航行器系统(8)，其特征在于：

水面监控计算机(1)同时向虚拟航行器系统(8)和真实航行器系统(7)发送指令使命任务，将生成的指令航迹发送至虚拟显示计算机；

虚拟航行器系统(8)接收到由水面监控计算机(1)发送的指令后，经任务管理计算机(3)解算并下达至运动控制计算机(4)；

运动控制计算机(4)建立航行器数字化模型，生成航行器位置参数和执行机构参数传入虚拟显示计算机(5)中进行V视景仿真显示循环,从而更新场景、动态的显示航行器在已知航迹下的运动过程，完成与真实航行器的同步虚拟推演；

水面监控计算机(1)通过多通路通信设备(2)接收真实航行器上报的经外测设备(6)获取的位置信息，并转发至虚拟显示计算机(5)，当二者显示的位姿信息误差较大时，选择信任外测设备定位信息为真值，完成对虚拟航行器位姿的校准；

虚拟航行器系统和真实航行器系统同时接收来自水面监控系统的指令，在网络资源分配方面采用指令单一发送和多方发送两种切换模式，避免因两套系统同时运行带来的信号冲突；

所述的多路通信设备(2)由无线电、无线网络、北斗通信和水声通讯组成，当航行器在水面作业时水面监控计算机可通过无线电、无线网络和北斗通信接收真实航行器系统上报的位姿信息，而在水下作业时只能采用通讯声呐进行通信；水面监控计算机(1)、虚拟航行器系统任务管理计算机(3)、虚拟航行器系统运动控制计算机(4)和虚拟显示计算机(5)通过网络设备连接；

虚拟航行器系统(8)由虚拟航行器系统任务管理计算机(3)和虚拟航行器系统运动控制计算机(4)组成，完成对真实航行器任务管理及控制过程的同步模拟；

所述的外部测量定位装置测出实际航行器位置信息为经度、纬度、深度；

首先经水面监控计算机(1)对航行器进行初始化并给出空间目标点(x,y,z)，由虚拟航行器任务管理计算机(3)据导航制导器分别求解出航行器指令航速下的期望航向角和纵倾角即φ_d，u_d和θ_d，然后通过嵌入在虚拟航行器运动控制计算机(4)内的航速、航向角和纵倾角运动控制器分别求解出垂直舵舵角指令δ_rc、推进器转速指令n_rc和水平舵舵角指令δ_sc，而δ_r、n_r、δ_s分别为相应执行机构的实际测量值，代入航行器空间六自由度动力学模型经四阶龙哥 库塔法解算，求得航行器的实际航速、实际艏向角和实际纵倾角u、φ、θ，经运动学模型求得航行器船体坐标系下的位姿，最后经坐标变换得到航行器在大地坐标系下的运动信息。