CN110008630A - 水下无人航行器集群仿真平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种水下无人航行器集群仿真平台。包括水面监控模块、3D模型与信息中转模块以及UUV仿真模块；水面监控模块生成使命任务，下发给每一个UUV并显示每个UUV的状态信息；3D模型与信息中转模块运行信息中转服务程序、3维以及2维显示程序，把水面监控模块下发的使命任务通过串口发送给每个UUV并对UUV集群进行实时3维显示与2维显示；UUV仿真模块接收使命任务，解析任务指令，并通过控制器得到输出提供给UUVModel，UUVModel进行解算得到UUV的状态信息并在界面上显示，再把信息发回给水面控制模块和全部UUV。本发明主要用途是解决UUV集群的仿真调试问题和仿真调试平台的扩展问题。

Description

水下无人航行器集群仿真平台
技术领域
本发明涉及的是一种水下无人航行器(UUV)仿真调试装置，具体地说是一种水下无人航行器(UUV)集群的仿真调试装置。
背景技术
随者人们对海洋资源越来越重视，UUV在海洋资源的勘探和海洋信息的收集中的作用越来越重要，各国都在进行UUV的研制工作。在UUV的研制过程中，尤其是在UUV下水进行实验前，对即将下水的UUV进行仿真调试是极其重要的步骤。目前，由于绝大多数对UUV的研究都是针对单个UUV，所以一些针对UUV而设计的仿真调试系统都只能实现对单个UUV的仿真调试而不具备对UUV集群的仿真调试功能。为了对UUV集群进行仿真调试，这就要求设计出来的仿真调试平台不仅具备对单个UUV进行独立的仿真调试的功能，而且必须具备对UUV集群的仿真调试能力。如果想扩大UUV集群的规模，仿真调试平台还应能在一定UUV数量之内进行简单方便的扩展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于UUV集群仿真的水下无人航行器集群仿真平台。
本发明的目的是这样实现的：
包括水面监控模块、3D模型与信息中转模块以及UUV仿真模块；水面监控模块生成使命任务，下发给每一个UUV并显示每个UUV的状态信息；3D模型与信息中转模块运行信息中转服务程序、3维以及2维显示程序，把水面监控模块下发的使命任务通过串口发送给每个UUV并对UUV集群进行实时3维显示与2维显示；UUV仿真模块接收使命任务，解析任务指令，并通过控制器得到输出提供给UUVModel，UUVModel进行解算得到UUV的状态信息并在界面上显示，再把信息发回给水面控制模块和全部UUV。
本发明还可以包括：
1.水面监控模块使用FleetUUV进行使命任务的生成、使命任务的下发，接收UUV集群中每个UUV状态并把UUV的状态进行图形化显示。
2.UUV仿真模块使用两台QNX虚拟机对UUV的运动进行仿真。
3.所述UUVModel进行解算是运行UUVModel对UUV的动力学特性和相关参数仿真，解析出UUV的状态信息。
4.所述把信息发回给水面控制模块和全部UUV是指：状态信息通过CommTunnel和3D模型与信息中转模块发回水面监控模块和全部UUV。
5.水面监控模块包括一台运行Windows系统的计算机，用于任务规划并下发使命任务文本，以及用于状态监控，监控状态包括每个UUV的位置信息、姿态信息、航向、航速、各传感器的工作状态、UUV自身的健康状况，由一个基于Windows的GUI软件FleetUUV来实现。
6.3D模型与信息中转模块包括一台运行Ubuntu系统的计算机和USB转RS-232转换器。
7.UUV仿真模块由多台运行Windows系统的计算机组成，通过三个方面来实现对真实UUV的仿真，其一是通过采用VMware软件，在仿真UUV的计算机上安装两台QNX虚拟机，分别对应QNXMission和QNXMotion；其二是基于Windows的GUI软件UUVMode包括已经组装完成UUV的全部动力学特性及相关参数，在仿真过程中在界面上直接显示出UUV的位置、航向、航速以及姿态信息；其三是使用CommTunnel实现串口信息和网络信息的相互转换。
本发明提供了一种由水面监控模块、3D模型与信息中转模块以及UUV仿真模块所组成的UUV集群仿真平台设计。采用模块化的结构体系设计；采用网络通信和串口通信相结合的通信方式；水面监控模块可生成使命任务，下发给每一个UUV并显示每个UUV的状态信息；3D模型与信息中转模块运行信息中转服务程序、3D以及2维显示程序，把水面监控模块下发的使命任务通过串口发送给每个UUV并对UUV集群进行实时3D显示与2维显示；UUV仿真模块接收使命任务，解析任务指令，并通过控制器得到输出提供给UUVModel，UUVModel进行解算得到UUV的状态信息并在界面上显示，再把信息发回给水面控制模块和全部UUV。
本发明的模块化结构体系由水面监控模块、3D模型与信息中转模块以及UUV仿真模块所组成。
本发明的通信体系设计特点为：水面监控模块和3D模型与信息中转模块之间采用网络通信，3D模型与信息中转模块和UUV仿真模块之间采用串口通信。
本发明的水面监控模块使用FleetUUV进行使命任务的生成、使命任务的下发，接收UUV集群中每个UUV状态并把UUV的状态进行图形化显示。
本发明的3D模型与信息中转模块，通过信息中转服务程序可把接收到的使命任务经由串口发送各每一个UUV，并把接收到的UUV状态信息经过整合发回水面监控模块和全部UUV，通过3D显示与2维显示程序可以对UUV集群进行实时3D显示和2维显示。
本发明的UUV仿真模块，接收使命任务，使用两台QNX虚拟机对UUV的运动进行仿真，解析使命任务并通过控制器得到输出，运行UUVModel对UUV的动力学特性和相关参数仿真，解析出UUV的状态信息并显示在界面上，状态信息通过CommTunnel和3D模型与信息中转模块发回水面监控模块和全部UUV。
本发明主要用途是解决UUV集群的仿真调试问题和仿真调试平台的扩展问题。采用模块化的结构设计，方便了平台的扩展；通过网络通信和串口通信相结合的通信方式把各模块紧密的结合在一起；通过各模块运行针对性设计的程序，可实现良好的人机交互。
附图说明
图1是本发明的水下无人航行器集群仿真平台的示意图。
图2是本发明的水下无人航行器集群仿真平台的通信线缆接线示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1，UUV集群仿真调试平台结构体系方面采用模块化的设计，由水面监控模块、3D模型与信息中转模块以及UUV仿真模块所组成；通信体系方面结合网络通信和串口通信，实现了各模块之间的相互通信。UUV集群仿真调试系统主要实现的功能有：UUV运动控制器仿真、UUV集群仿真。
水面监控模块由一台运行Windows系统的计算机担任，该模块主要实现两个功能。其一是任务规划并下发使命任务文本；其二是状态监控，监控状态包括每个UUV的位置信息、姿态信息、航向、航速、各传感器的工作状态、UUV自身的健康状况等等。我们提供了一个基于Windows的GUI软件FleetUUV来实现上述功能。该软件可以把UUV状态信息进行处理后在图形界面上显示出来，特别是能实现把UUV的运动轨迹在地图上标示出来，可供研究人员直接观测，为研究人员提供了良好的仿真调试环境。
3D模型与信息中转模块由一台运行Ubuntu系统的计算机和USB转RS-232转换器组成。模块中的计算机主要实现两个功能。一是接收水面监控模块下发的使命任务文本，然后把任务通过USB转RS-232转换器的串口发送给各个UUV仿真模块；二是实现仿真过程中UUV集群的实时3D显示和2维显示。
UUV仿真模块由多台运行Windows系统的计算机组成，每台计算机即相当于一个独立的UUV，把它们组合起来即可实现对UUV集群的仿真调试。此处通过三个方面来实现对真实UUV的仿真。其一是由于实际UUV中有两台运行QNX系统的计算机QNXMission和QNXMotion，为使仿真效果接近实际，通过采用VMware软件，在仿真UUV的计算机上安装两台QNX虚拟机，分别对应QNXMission和QNXMotion；其二是仿真UUV自身的动力学特性和相关参数，即UUV的动力学模型，我们提供一个基于Windows的GUI软件UUVMode,该软件包括已经组装完成UUV的全部动力学特性及相关参数，在仿真过程中，该软件能在界面上直接显示出UUV的位置、航向、航速以及姿态信息等等，给仿真调试提供了极大的方便；其三是使用CommTunnel实现串口信息和网络信息的相互转换，从而使得UUVMode能和3D模型与信息中转模块、水面监控模块进行相互通信。
通信方面，水面监控模块和3D模型与信息中转模块使用网络进行相互通信；3D模型与信息中转模块和UUV仿真模块使用串口进行相互通信；UUV仿真模块内部的QNXMission、QNXMotion和UUVModel使用网络进行相互通信。
由于USB-RS232转化器串口数的多少可以任意增减，UUV仿真模块的计算机数量也可任意增减，故该仿真调试平台可进行简单方便的扩展。因为其他模块的能力有限，所以该系统的扩展也不是无限的。
结合图2，首先把各模块之间的通信线缆正确连接，水面监控模块和3D模型与信息中转模块通过网线把两台计算机的网口连接在一起，进行相互的网络通信；3D模型与信息中转模块计算机与USB-RS232转化器通过两者的USB口进行连接，USB-RS232转化器与UUV仿真模块计算机使用串口—USB连接线把转换器的串口与计算机的USB口连接在一起，UUV仿真模块的每台计算机需要连接3个串口，其中一个串口进行从3D模型与信息中转模块到UUV仿真模块计算机中的QNXMission虚拟机的单向串口通信，剩下两个串口配合CommTunel实现UUVMode和3D模型与信息中转模块之间的相互通信。
打开各模块，运行UUV集群仿真调试平台，水面监控模块开始下发使命任务给UUV集群中的每一个UUV，接收来自UUV仿真模块的UUV状态信息，并把UUV状态信息显示在图形界面上；3D模型与信息中转模块接收使命任务，通过USB转RS-232转换器的串口发送给每个UUV，并接收来自UUV仿真模块的UUV状态信息，经整合后发送给水面监控模块和每个UUV，通过3D显示程序对UUV进行实时3D显示和2维显示；UUV仿真模块接收使命任务，通过虚拟机QNXMissuion、QNXMotion和UUV动力学模型UUVModel对真实的UUV执行任务进行仿真，并返回UUV的状态信息给3D模型模块与信息中转模块。
仿真调试平台的信息流回路如下(部分信息流已在图2中标出)：使命任务文本通过网络到达3D模型计算机，然后经由3D模型与信息中转计算机上运行的信息中转服务程序处理，通过USB转RS-232转换器的串口下发给各个UUV仿真模块计算机中的QNXMission虚拟机，QNNXMission解析使命任务文本并通过网络给QNXMotion发送任务指令和接收QNXMotion的反馈信息，然后QNXMotion通过网络把输出发送给UUVModel并接收UUVModel的反馈信息，之后UUVModel根据UUV的动力学特性和相关参数实时解算UUV的姿态、航向、航速等信息并显示在图形界面上，再把这些信息通过网络转串口发送给3D模型与信息中转计算机，3D模型与信息中转计算机把UUV集群中每一个UUV的信息整合后通过网络发回水面监控计算机并且广播给集群中每一个UUV，使得UUV可以实现信息共享，水面监控计算机也可显示每个UUV的状态。

Claims (10)

1.一种水下无人航行器集群仿真平台，包括水面监控模块、3D模型与信息中转模块以及UUV仿真模块；其特征是：水面监控模块生成使命任务，下发给每一个UUV并显示每个UUV的状态信息；3D模型与信息中转模块运行信息中转服务程序、3维以及2维显示程序，把水面监控模块下发的使命任务通过串口发送给每个UUV并对UUV集群进行实时3维显示与2维显示；UUV仿真模块接收使命任务，解析任务指令，并通过控制器得到输出提供给UUVModel，UUVModel进行解算得到UUV的状态信息并在界面上显示，再把信息发回给水面控制模块和全部UUV。
2.根据权利要求1所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：水面监控模块使用FleetUUV进行使命任务的生成、使命任务的下发，接收UUV集群中每个UUV状态并把UUV的状态进行图形化显示。
3.根据权利要求1所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：UUV仿真模块使用两台QNX虚拟机对UUV的运动进行仿真。
4.根据权利要求3所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：所述UUVModel进行解算是运行UUVModel对UUV的动力学特性和相关参数仿真，解析出UUV的状态信息。
5.根据权利要求4所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是所述把信息发回给水面控制模块和全部UUV是指：状态信息通过CommTunnel和3D模型与信息中转模块发回水面监控模块和全部UUV。
6.根据权利要求1至5任何一项所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：水面监控模块包括一台运行Windows系统的计算机，用于任务规划并下发使命任务文本，以及用于状态监控，监控状态包括每个UUV的位置信息、姿态信息、航向、航速、各传感器的工作状态、UUV自身的健康状况，由一个基于Windows的GUI软件FleetUUV来实现。
7.根据权利要求1至5任何一项所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：3D模型与信息中转模块包括一台运行Ubuntu系统的计算机和USB转RS-232转换器。
8.根据权利要求1至5任何一项所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：UUV仿真模块由多台运行Windows系统的计算机组成，通过三个方面来实现对真实UUV的仿真，其一是通过采用VMware软件，在仿真UUV的计算机上安装两台QNX虚拟机，分别对应QNXMission和QNXMotion；其二是基于Windows的GUI软件UUVMode包括已经组装完成UUV的全部动力学特性及相关参数，在仿真过程中在界面上直接显示出UUV的位置、航向、航速以及姿态信息；其三是使用CommTunnel实现串口信息和网络信息的相互转换。
9.根据权利要求6所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：UUV仿真模块由多台运行Windows系统的计算机组成，通过三个方面来实现对真实UUV的仿真，其一是通过采用VMware软件，在仿真UUV的计算机上安装两台QNX虚拟机，分别对应QNXMission和QNXMotion；其二是基于Windows的GUI软件UUVMode包括已经组装完成UUV的全部动力学特性及相关参数，在仿真过程中在界面上直接显示出UUV的位置、航向、航速以及姿态信息；其三是使用CommTunnel实现串口信息和网络信息的相互转换。
10.根据权利要求7所述的水下无人航行器集群仿真平台，其特征是：UUV仿真模块由多台运行Windows系统的计算机组成，通过三个方面来实现对真实UUV的仿真，其一是通过采用VMware软件，在仿真UUV的计算机上安装两台QNX虚拟机，分别对应QNXMission和QNXMotion；其二是基于Windows的GUI软件UUVMode包括已经组装完成UUV的全部动力学特性及相关参数，在仿真过程中在界面上直接显示出UUV的位置、航向、航速以及姿态信息；其三是使用CommTunnel实现串口信息和网络信息的相互转换。
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