CN110434876A - 一种六自由度rov模拟驾驶系统及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度ROV模拟驾驶系统及其模拟方法，包括设于地面部分的遥控手柄和地面站计算机端，以及设于水下部分的水下数据采集本体，其中：所述遥控手柄与地面站计算机端通过USB方式连接；地面站计算机端与水下数据采集本体进行网络通信连接；水下数据采集本体通过地面站计算机端获取遥控手柄发出的操作指令，完成水下动作。本发明成一个一体化完整的仿真系统，从多角度还原六自由度ROV在水下作业过程中的周围环境，能够满足教学、科研、实验和训练需求，将地面站对ROV本体操作的各种效果数据采集并构建ROV动作数据库，保证模拟驾驶系统运动模拟效果与ROV实际运动效果具备高度一致性。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人作业与仿真技术领域，具体涉及一种六自由度ROV模拟驾驶系统及其模拟方法。
背景技术
海洋资源是人类赖以生存的宝库，由于陆地资源的消耗殆尽，如何更深入探索海洋成为了21世纪亟需解决的一大难题。针对此难题，遥控式水下作业机器人（ROV）成为了解决上述难题的关键。一般而言，水下的环境恶劣，不仅需要高可靠性的材料制备机器人，同时也对操作人员提出了严峻考验。一个未经系统培训的操作人员，作业效率往往较为低下，严重时甚至可能损坏设备。另一方面，通用模拟机与真实ROV操作效果有较大误差，训练数据与水下作业实际数据不符，导致训练效果不佳，无法实现训练与实战高精度匹配，造成水下作业效果有限。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种六自由度ROV模拟驾驶系统及其模拟方法，能逼真地仿真六自由度ROV在水下的各种运动情况，同时逼真地模拟六自由度ROV水下作业中的系统状态及作业效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种六自由度ROV模拟驾驶系统，包括设于地面部分的遥控手柄和地面站计算机端，以及设于水下部分的水下数据采集本体，其中：
所述遥控手柄与地面站计算机端通过USB方式连接，用于对水下数据采集本体输入模拟驾驶系统的操作数据；
所述地面站计算机端与水下数据采集本体进行网络通信连接，用于实现水下数据采集本体在水中的运动操作、姿态操作和水下作业效果的模拟，以及对模拟操作得到的仪表数据进行显示；
所述水下数据采集本体通过地面站计算机端获取遥控手柄发出的操作指令，完成水下动作，并根据自身采集的水下运动的姿态数据和作业环境数据，以构造仿真驾驶环境。
本发明进一步解决的技术问题是，所述地面站计算机端内包括主控模块、姿态仿真模块、作业仿真模块、操作仿真模块以及显示模块，其中：所述的主控模块用于整个模拟驾驶系统的运行调度和数据管理；所述的姿态仿真模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，用于模拟悬停、前倾、后仰、左倾和右倾五个姿态操作；所述的操作仿真模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，用于模拟前进、后退、左转、右转、上升和下潜六个运动操作；所述的作业仿真模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，用于模拟水下数据采集本体的水下作业效果；所述的显示模块包括主驾驶台显示设备、姿态参数显示设备以及作业环境参数显示设备，三者的信号输入端与主控模块的信号输出端连接，用于显示仪表数据。
本发明进一步解决的技术问题是，所述水下数据采集本体包括机械框架、浮力板、电路仓、模拟摄像头、数字摄像头、旋转机械臂、夹取机械臂、勾取机械臂、开合机械臂、测距机械臂、推进器、电磁铁、LED灯以及控制系统；所述的机械框架包括设于底面的长方形金属底框以及设于底框上的长方体金属框架，所述的推进器固定安装于机械框架上，推进器与控制系统信号连接，由控制系统驱动完成水下数据采集本体的姿态操作；所述的浮力板安装于长方体金属框架的上表面以及侧面，长方体金属框架内设有电路仓，所述的电路仓内设有控制系统；所述的机械框架的外侧分别固定安装有旋转机械臂、夹取机械臂、勾取机械臂、开合机械臂以及测距机械臂；其中，所述的夹取机械臂固定设于机械框架的前端，位于电路仓头部的一侧；所述的旋转机械臂和开合机械臂固定设于机械框架的右侧；所述的勾取机械臂和测距机械臂固定设于机械框架的左侧；所述的夹取机械臂、旋转机械臂以及开合机械臂分别与控制系统信号连接，由控制系统进行驱动完成水下数据采集本体的夹取、旋转以及抓取的动作；所述的模拟摄像头设有三组，分别设于夹取机械臂的一侧、机械框架的右侧以及机械框架的左侧，模拟摄像头通过螺栓与机械框架固定连接，模拟摄像头与控制系统信号连接，用于采集各机械臂的运作图像；所述的数字摄像头设于机械框架的底部，所述的数字摄像头与主控模块信号连接，用于被测物图像采集并传输至地面站计算机端完成图像识别与处理；所述的电磁铁固定设于机械框架的左侧，位于勾取机械臂的一侧，电磁铁与控制系统电连接；所述的LED灯通过螺栓固定连接在机械框架的前端，位于夹取机械臂的上方，LED灯与控制系统电连接。
本发明进一步解决的技术问题是，所述的控制系统包括树莓派控制器、第一STM32控制器、第二STM32控制器、压力传感器以及电子罗盘；所述的树莓派控制器与主控模块之间设有路由器，树莓派控制器通过网线以TCP/IP协议与主控模块网络通信连接；所述的第一STM32控制器通过串口与树莓派控制器连接，所述的压力传感器和电子罗盘的信号输出端分别与第一STM32控制器的信号输入端连接，所述的第一STM32控制器的信号输出端与推进器的信号输入端连接；所述的第二STM32控制器通过串口与树莓派控制器连接，第二STM32控制器的信号输出端分别与夹取机械臂、旋转机械臂以及开合机械臂的信号输入端连接，第二STM32控制器的信号输出端与LED等的信号输入端连接，第二STM32控制器的信号输出端与电磁铁的信号输入端连接；所述的模拟摄像头的信号输出端与树莓派控制器的信号输入端连接。
本发明进一步解决的技术问题是，所述的夹取机械臂由夹具以及伸缩气缸A组成，所述伸缩气缸A通过螺栓与长方形金属底框固定连接，所述的夹具位于伸缩气缸A的下方，夹具的上方设有模拟摄像头，所述的伸缩气缸A的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动并带动夹具上下运动。
本发明进一步解决的技术问题是，所述的旋转机械臂由步进电机和网罩组成，所述的步进电机通过螺栓与长方体金属框架的右侧边固定连接，步进电机的输出轴安装有网罩，所述的网罩具有喇叭状的开口，开口方向朝向需要旋转的目标，所述的步进电机的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动并带动网罩旋转。
本发明进一步解决的技术问题是，所述的开合机械臂与旋转机械臂设于同一侧，开合机械臂与旋转机械臂之间设有模拟摄像头，所述的开合机械臂由左机械臂、右机械臂以及伸缩气缸B组成，所述的左机械臂固定于伸缩气缸B的端部，所述的右机械臂与伸缩气缸B固定连接，所述的伸缩气缸B的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动向远离左机械臂的方向运动，所述的左机械臂和右机械臂相对设置的面上设有若干橡胶棒。
本发明进一步解决的技术问题是，所述的勾取机械臂通过螺栓与长方体金属框架的左侧边固定连接，勾取机械臂的下端呈90°的弯钩状，上端设有向内的凹槽；所述的测距机械臂固定安装于凹槽内，由钢卷尺和圆环组成，所述的圆环固定连接于钢卷尺的尺带端部，钢卷尺的尺盒卡接于凹槽中，所述的圆环可与水底的凸起处相连，所述的圆环放置于凸起处时，所述的水下数据采集本体进行水平位移，拉出钢卷尺的尺带进行测量；所述的勾取机械臂的一侧还设有模拟摄像头。
本发明进一步解决的技术问题是，所述的推进器设有八组，包括四组垂直推进器和四组水平推进器；其中，所述的四组水平推进器固定设于长方形金属底框的四个顶角，所述的四组垂直推进器固定设于长方体金属框架顶面的四个顶角；所述的浮力板设有三块，所述的三块浮力板沿长方体金属框架的顶面和侧面设置，并围成门字形结构，电路仓设于三块浮力板围成的间隙中，位于长方体金属框架内，所述的浮力板上设有走水孔，所述的走水孔开设的方向对应推进器运动的方向。
本发明还保护所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统的模拟方法，包括以下步骤：
S1：水下数据采集本体接收遥控手柄发出的操作指令，完成水下动作；
S2：水下数据采集本体记录水下动作的效果数据，构建TCP/IP协议数据包发送至地面站计算机端；
S3：地面站计算机端将接收的数据与遥控手柄输入数据进行匹配，构建离线模拟驾驶数据库；
S4：主控模块打开显示模块，实施显示仿真操作数据，并根据遥控手柄输入的训练方式，判断是否开启姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块；
S5：姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块被开启，根据遥控手柄输入数据，与离线模拟驾驶数据库比对，计算出模拟操作效果，在显示模块中实时更新显示；
S6：显示模块将各子模块的操作数据实时显示在地面站计算机端的GUI界面。
本发明的有益效果为：
1. 本发明的六自由度ROV模拟驾驶系统包含包括主控模块、姿态仿真模块、作业仿真模块、操作仿真模块以及显示模块，形成一个一体化完整的仿真系统，从多角度还原六自由度ROV在水下作业过程中的周围环境，能够满足教学、科研、实验和训练需求。
2. 本发明的六自由度ROV模拟驾驶系统还包含一台水下数据采集本体，配备了压力传感器、电子罗盘等，能够获取舱体外水压，水温，自身在三维空间内沿坐标轴方向的加速度和绕坐标轴方向角速度等运动参数，将地面站对ROV本体操作的各种效果数据采集并构建ROV动作数据库，保证模拟驾驶系统运动模拟效果与ROV实际运动效果具备高度一致性。
3. 本发明的六自由度ROV模拟驾驶系统硬件、软件均采用模块化设计，单独模块均可替换，且支持二次开发、升级、维护需求，各系统之间通过分布式总线连接，由主控系统统一管理调度数据，高效完成各种水下操作任务。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明整体系统连接示意图。
图3为本发明地面站计算机端内部模块连接框图。
图4为本发明所述水下数据采集本体的结构示意图。
图5为图4中浮力板的连接示意图。
图6为图4中机械框架的结构示意图。
图7为图4中开合机械臂结构示意图。
图8为图4中旋转机械臂结构示意图。
图9为图4中夹取机械臂机构示意图。
图10为图4中勾取机械臂结构示意图。
图11为图4中测距机械臂结构示意图。
图12为本发明水下数据采集本体的工作流程图。
图13为本发明主控模块中离线模拟驾驶数据库构造流程图。
图14为本发明主控模块模拟驾驶工作流程图。
图15为本发明操作仿真模块工作流程图。
图16为本发明姿态仿真模块工作流程图。
图17为本发明作业仿真模块工作流程图。
图18为本发明显示模块工作流程图。
图中序号，1-遥控手柄、2-地面站计算机端、3-水下数据采集本体、21-主控模块、22-姿态仿真模块、23-作业仿真模块、24-操作仿真模块、25-显示模块、301-机械框架、302-浮力板、303-电路仓、304-模拟摄像头、305-数字摄像头、306-旋转机械臂、307-夹取机械臂、308-勾取机械臂、309-开合机械臂、310-测距机械臂、311-推进器、312-电磁铁、313-LED灯、3011-长方形金属底框、3012-长方体金属框架、3021-走水孔、3061-步进电机、3062-网罩、3071-夹具、3072-伸缩气缸A、3081-凹槽、3091-左机械臂、3092-右机械臂、3093-伸缩气缸B、3094-橡胶棒、3101-钢卷尺、3102-圆环、3111-垂直推进器、3112-水平推进器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
参见图1-2所示的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，包括设于地面部分的遥控手柄1和地面站计算机端2，以及设于水下部分的水下数据采集本体3，其中：
所述遥控手柄1与地面站计算机端2通过USB方式连接，用于对水下数据采集本体3输入模拟驾驶系统的操作数据；
所述地面站计算机端2与水下数据采集本体3进行网络通信连接，用于实现水下数据采集本体在水中的运动操作、姿态操作和水下作业效果的模拟，以及对模拟操作得到的仪表数据进行显示；
所述水下数据采集本体3通过地面站计算机端2获取遥控手柄1发出的操作指令，完成水下动作，并根据自身采集的水下运动的姿态数据和作业环境数据，以构造仿真驾驶环境。
参见图3，本实施例中，所述地面站计算机端内包括主控模块21、姿态仿真模块22、作业仿真模块23、操作仿真模块24以及显示模块25，其中：所述的主控模块21用于整个模拟驾驶系统的运行调度和数据管理；所述的姿态仿真模块22的信号输出端与主控模块21的信号输入端连接，用于模拟悬停、前倾、后仰、左倾和右倾五个姿态操作；所述的操作仿真模块24的信号输出端与主控模块21的信号输入端连接，用于模拟前进、后退、左转、右转、上升和下潜六个运动操作；所述的作业仿真模块23的信号输出端与主控模块21的信号输入端连接，用于模拟水下数据采集本体3的水下作业效果；所述的显示模块25包括主驾驶台显示设备、姿态参数显示设备以及作业环境参数显示设备，三者的信号输入端与主控模块21的信号输出端连接，用于显示仪表数据。优选的，上述的显示模块25的显示设备采用VANOBLE/梵诺邦 LN-170显示器，上述的主控模块21采用N3929SJ01微型计算机，需要说明的是，本发明的姿态仿真模块22、作业仿真模块23、操作仿真模块24以及显示模块25采用Unity3D为物理引擎，以主控模块21中离线模拟驾驶数据库数据为基础，完整构建了六自由度ROV在水中运动时的效果，包括前进、后退、左转、右转、上升、下潜、悬停七个基本动作，模拟了常用水下作业操作效果，再现了手柄输入造成的ROV各种姿态变化过程，并将模拟计算结果显示在显示模块25的显控设备上，所述的主控模块21、姿态仿真模块22、作业仿真模块23、操作仿真模块24以及显示模块25之间采用共享内存的方式实施共享数据，其中涉及的运行计算方法均为现有技术常见的方法，其中并不涉及任何软件方面的改进，而至于各个相应功能的软硬件之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。
参见图4和图6，图6中的标注分别代表具体设备安装的位置，具体设备的结构参见图4所示。本实施例中，所述水下数据采集本体3包括机械框架301、浮力板302、电路仓303、模拟摄像头304、数字摄像头305、旋转机械臂306、夹取机械臂307、勾取机械臂308、开合机械臂309、测距机械臂310、推进器311、电磁铁312、LED灯313以及控制系统；所述的机械框架301包括设于底面的长方形金属底框3011以及设于底框3011上的长方体金属框架3012，所述的机械框架采用2020型铝合金型材，该型材硬度大、易加工，同时在它的表面进行高温氧化处理，并喷涂，使得机械框架具备强抗腐蚀性；所述的推进器311固定安装于机械框架301上，推进器311与控制系统信号连接，由控制系统驱动完成水下数据采集本体的姿态操作；所述的浮力板302安装于长方体金属框架3012的上表面以及侧面，长方体金属框架3012内设有电路仓303，电路仓采用4.15L透明树脂材料密封舱，所述的电路仓303内设有控制系统；所述的机械框架301的外侧分别固定安装有旋转机械臂306、夹取机械臂307、勾取机械臂308、开合机械臂309以及测距机械臂310；其中，所述的夹取机械臂307固定设于机械框架301的前端，位于电路仓303头部的一侧；所述的旋转机械臂306和开合机械臂309固定设于机械框架301的右侧；所述的勾取机械臂308和测距机械臂310固定设于机械框架301的左侧；所述的夹取机械臂307、旋转机械臂306以及开合机械臂309分别与控制系统信号连接，由控制系统进行驱动完成水下数据采集本体的夹取、旋转以及抓取的动作；所述的模拟摄像头304设有三组，分别设于夹取机械臂307的一侧、机械框架301的右侧以及机械框架301的左侧，模拟摄像头304通过螺栓与机械框架301固定连接，模拟摄像头304与控制系统信号连接，用于采集各机械臂的运作图像；所述的数字摄像头305设于机械框架301的底部，所述的数字摄像头305与主控模块信号连接，用于被测物图像采集并传输至地面站计算机端完成图像识别与处理；数字摄像头清晰度高，但延时较大，主要用于图像采集并传输至上位机完成图像识别和处理；模拟摄像头清晰度略低，但实时性好，用于驾驶员完成水下作业；所述的电磁铁312固定设于机械框架301的左侧，位于勾取机械臂308的一侧，电磁铁312与控制系统电连接，电磁铁负责将较重物体从水面带至水底，电磁铁上电，能提供30kg拉力，将重物载至指定位置后，电磁铁下点，磁力消失，重物与水下载体分离；所述的LED灯313通过螺栓固定连接在机械框架301的前端，位于夹取机械臂307的上方，LED灯313与控制系统电连接，LED灯313负责在水下作业时提供光源，保证驾驶员看清水下作业环境及个机械臂操作状况。
参见图2，本实施例中，所述的控制系统包括树莓派控制器、第一STM32控制器、第二STM32控制器、压力传感器以及电子罗盘；其中，第一STM32控制器负责收集各传感器数据，并计算出相应控制信号，以实现八个推进器按需工作；第二STM32控制器通过CAN总线协议控制各机械臂和外部设备的运行；所述的树莓派控制器与主控模块之间设有路由器，树莓派控制器通过网线以TCP/IP协议与主控模块网络通信连接；所述的第一STM32控制器通过串口与树莓派控制器连接，所述的压力传感器和电子罗盘的信号输出端分别与第一STM32控制器的信号输入端连接，所述的第一STM32控制器的信号输出端与推进器的信号输入端连接，第一STM32控制器通过I2C总线接收压力传感器和电子罗盘采集的数据，产生相应PW信号发送至电子调速器带动八个推进器转动，以控制水下运动姿态，同时记录下各种姿态对应的操作数据；所述的第二STM32控制器通过串口与树莓派控制器连接，第二STM32控制器的信号输出端分别与夹取机械臂、旋转机械臂以及开合机械臂的信号输入端连接，第二STM32控制器的信号输出端与LED等的信号输入端连接，第二STM32控制器的信号输出端与电磁铁的信号输入端连接；所述的模拟摄像头的信号输出端与树莓派控制器的信号输入端连接，机械臂上的步进电机、LED灯、电磁铁等设备均接在Can总线上，通过脐带缆中的Can总线通信连至第二STM32控制器，然后通过树莓派控制器传送至地面站计算机端的主控模块。
参见图9，本实施例中，所述的夹取机械臂307由夹具3071以及伸缩气缸A3072组成，用于完成水下作业中夹取类任务，所述伸缩气缸A3072通过螺栓与长方形金属底框3011固定连接，所述的夹具3071位于伸缩气缸A3072的下方，夹具3071的上方设有模拟摄像头304，所述的伸缩气缸A3072的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动并带动夹具上下运动，因此只要夹住了目标，在水下本体静止的情况下，也能完成拔、插类作业动作。
参见图8，本实施例中，所述的旋转机械臂306由步进电机3061和网罩3062组成，用于完成水下作业中转动旋钮类的任务，所述的步进电机3061通过螺栓与长方体金属框架3012的右侧边固定连接，步进电机3061的输出轴安装有网罩3062，所述的网罩3062具有喇叭状的开口，开口方向朝向需要旋转的目标，所述的步进电机3061的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动并带动网罩旋转，因为步进电机转动的圈数和速度均可控，网罩3062形状兼顾了走水和不同尺寸的目标，故只要网罩罩住目标，步进电机带动网罩转动，即可旋动目标。
参见图7，本实施例中，所述的开合机械臂309与旋转机械臂306设于同一侧，开合机械臂309与旋转机械臂306之间设有模拟摄像头304，所述的开合机械臂309由左机械臂3091、右机械臂3092以及伸缩气缸B3093组成，用于完成水下作业中不规则物体抓取类任务，左机械臂3091和右机械臂3092采用2020铝型材，所述的左机械臂3091固定于伸缩气缸B3093的端部，所述的右机械臂3092与伸缩气缸B3093固定连接，所述的伸缩气缸B3093的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动向远离左机械臂3091的方向运动，所述的左机械臂3091和右机械臂3092相对设置的面上设有若干橡胶棒3094，优选地，左机械臂3091和右机械臂3092上安装了9根长5厘米的橡胶管，利用橡胶管的摩擦力夹住物体，由于橡胶管具有一定形变能力，且伸缩气缸B3093的开合度范围较大，该机械臂可以完成各种尺寸不规则物体的抓取工作。
参见图10和图11，本实施例中，所述的勾取机械臂308通过螺栓与长方体金属框架3012的左侧边固定连接，用于完成水下作业中勾取类任务，勾取机械臂308的下端呈90°的弯钩状，可将水下物体够拽至水面，上端设有向内的凹槽3081；所述的测距机械臂310固定安装于凹槽3081内，由钢卷尺3101和圆环3102组成，圆环直径10厘米，所述的圆环3102固定连接于钢卷尺的尺带端部，钢卷尺的尺盒卡接于凹槽3081中，所述的圆环3102可与水底的凸起处相连，所述的圆环3102放置于凸起处时，所述的水下数据采集本体进行水平位移，拉出钢卷尺3101的尺带进行测量；所述的勾取机械臂308的一侧还设有模拟摄像头304。
参见图5和图4，本实施例中，所述的推进器311设有八组，包括四组垂直推进器3111和四组水平推进器3112；其中，所述的四组水平推进器3112固定设于长方形金属底框3011的四个顶角，所述的四组垂直推进器3111固定设于长方体金属框架3012顶面的四个顶角，四个垂直推进器用于实现水下本体上浮下潜，四个水平推进器用于显现水下本体360度转向。
参见图5，本实施例中，所述的浮力板302设有三块，浮力板302采用环氧树脂加工而成，并利用表面覆膜技术提升了浮力材料的抗腐蚀性，为减小水中阻力，浮力材料被加工成流线型，所述的三块浮力板沿长方体金属框架3012的顶面和侧面设置，并围成门字形结构，电路仓303设于三块浮力板围成的间隙中，位于长方体金属框架3012内，所述的浮力板302上设有走水孔3021，所述的走水孔3021开设的方向对应推进器311运动的方向，使得水下数据采集本体在无动力状态下可保持静态平衡。
本发明的一种六自由度ROV模拟驾驶系统的模拟方法，包括以下步骤：
S1：水下数据采集本体接收遥控手柄发出的操作指令，完成水下动作；
S2：水下数据采集本体记录水下动作的效果数据，构建TCP/IP协议数据包发送至地面站计算机端；
S3：地面站计算机端将接收的数据与遥控手柄输入数据进行匹配，构建离线模拟驾驶数据库；
S4：主控模块打开显示模块，实施显示仿真操作数据，并根据遥控手柄输入的训练方式，判断是否开启姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块；
S5：姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块被开启，根据遥控手柄输入数据，与离线模拟驾驶数据库比对，计算出模拟操作效果，在显示模块中实时更新显示；
S6：显示模块将各子模块的操作数据实时显示在地面站计算机端的GUI界面。
参见附图12所示，水下数据采集本体根据从地面站传来的控制指令，完成水下操作动作，并将每一次操作的效果数据（电机转速、舵机转角、姿态角度、速度、温度等）记录下来，同时在各种操作过程中，水下数据采集本体自身参数和环境参数（压力、温度、倾斜角、加速度、作业环境图像等）均会被记录下来，这些数据都会被传至树莓派控制器，构建TCP/IP协议数据包发送至地面站主控系统，以建立离线模拟驾驶数据库。
参见附图13所示，在数据采集过程中，主控模块负责收集水下数据采集本体传回地面站等信息，与遥控手柄输入数据信息进行匹配，并记录入数据库，构造离线模拟驾驶数据库。数据存储在PC端机械内存上，并将其设置为共享内存，可与其他子系统实施共享数据。
参见附件14所示，在仿真驾驶过程中，主控模块打开显示模块，实施显示仿真操作数据，并根据遥控手柄输入的训练方式，判断开启姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块。
参见附图15、附图16、附图17 所示，姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块被开启后，均与显控设备仿真系统同时工作，根据遥控手柄输入数据，与主控模块的离线模拟驾驶数据库进行比对，计算出模拟操作效果，在显控设备仿真系统中实施实时更新显示。
参见附图18所示，显示模块在模拟驾驶过程中一致处于工作状态，将各子模块的操作数据实时显示在GUI界面。
本发明可以根据训练需求可任意搭配不同环境下的各种作业任务，尽可能还原展示水下作业实际操作效果，使驾驶员获得更好的驾驶代入感。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：包括设于地面部分的遥控手柄(1)和地面站计算机端(2)，以及设于水下部分的水下数据采集本体(3)，其中：
所述遥控手柄(1)与地面站计算机端(2)通过USB方式连接，用于对水下数据采集本体(3)输入模拟驾驶系统的操作数据；
所述地面站计算机端(2)与水下数据采集本体(3)进行网络通信连接，用于实现水下数据采集本体在水中的运动操作、姿态操作和水下作业效果的模拟，以及对模拟操作得到的仪表数据进行显示；
所述水下数据采集本体(3)通过地面站计算机端(2)获取遥控手柄(1)发出的操作指令，完成水下动作，并根据自身采集的水下运动的姿态数据和作业环境数据，以构造仿真驾驶环境。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述地面站计算机端内包括主控模块(21)、姿态仿真模块(22)、作业仿真模块(23)、操作仿真模块(24)以及显示模块(25)，其中：所述的主控模块(21)用于整个模拟驾驶系统的运行调度和数据管理；所述的姿态仿真模块(22)的信号输出端与主控模块(21)的信号输入端连接，用于模拟悬停、前倾、后仰、左倾和右倾五个姿态操作；所述的操作仿真模块(24)的信号输出端与主控模块(21)的信号输入端连接，用于模拟前进、后退、左转、右转、上升和下潜六个运动操作；所述的作业仿真模块(23)的信号输出端与主控模块(21)的信号输入端连接，用于模拟水下数据采集本体(3)的水下作业效果；所述的显示模块(25)包括主驾驶台显示设备、姿态参数显示设备以及作业环境参数显示设备，三者的信号输入端与主控模块(21)的信号输出端连接，用于显示仪表数据。
3.根据权利要求2所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述水下数据采集本体(3)包括机械框架(301)、浮力板(302)、电路仓(303)、模拟摄像头(304)、数字摄像头(305)、旋转机械臂(306)、夹取机械臂(307)、勾取机械臂(308)、开合机械臂(309)、测距机械臂(310)、推进器(311)、电磁铁(312)、LED灯(313)以及控制系统；所述的机械框架(301)包括设于底面的长方形金属底框(3011)以及设于底框(3011)上的长方体金属框架(3012)，所述的推进器(311)固定安装于机械框架(301)上，推进器(311)与控制系统信号连接，由控制系统驱动完成水下数据采集本体的姿态操作；所述的浮力板(302)安装于长方体金属框架(3012)的上表面以及侧面，长方体金属框架(3012)内设有电路仓(303)，所述的电路仓(303)内设有控制系统；所述的机械框架(301)的外侧分别固定安装有旋转机械臂(306)、夹取机械臂(307)、勾取机械臂(308)、开合机械臂(309)以及测距机械臂(310)；其中，所述的夹取机械臂(307)固定设于机械框架(301)的前端，位于电路仓(303)头部的一侧；所述的旋转机械臂(306)和开合机械臂(309)固定设于机械框架(301)的右侧；所述的勾取机械臂(308)和测距机械臂(310)固定设于机械框架(301)的左侧；所述的夹取机械臂(307)、旋转机械臂(306)以及开合机械臂(309)分别与控制系统信号连接，由控制系统进行驱动完成水下数据采集本体的夹取、旋转以及抓取的动作；所述的模拟摄像头(304)设有三组，分别设于夹取机械臂(307)的一侧、机械框架(301)的右侧以及机械框架(301)的左侧，模拟摄像头(304)通过螺栓与机械框架(301)固定连接，模拟摄像头(304)与控制系统信号连接，用于采集各机械臂的运作图像；所述的数字摄像头(305)设于机械框架(301)的底部，所述的数字摄像头(305)与主控模块信号连接，用于被测物图像采集并传输至地面站计算机端完成图像识别与处理；所述的电磁铁(312)固定设于机械框架(301)的左侧，位于勾取机械臂(308)的一侧，电磁铁(312)与控制系统电连接；所述的LED灯(313)通过螺栓固定连接在机械框架(301)的前端，位于夹取机械臂(307)的上方，LED灯(313)与控制系统电连接。
4.根据权利要求3所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述的控制系统包括树莓派控制器、第一STM32控制器、第二STM32控制器、压力传感器以及电子罗盘；所述的树莓派控制器与主控模块之间设有路由器，树莓派控制器通过网线以TCP/IP协议与主控模块网络通信连接；所述的第一STM32控制器通过串口与树莓派控制器连接，所述的压力传感器和电子罗盘的信号输出端分别与第一STM32控制器的信号输入端连接，所述的第一STM32控制器的信号输出端与推进器的信号输入端连接；所述的第二STM32控制器通过串口与树莓派控制器连接，第二STM32控制器的信号输出端分别与夹取机械臂、旋转机械臂以及开合机械臂的信号输入端连接，第二STM32控制器的信号输出端与LED等的信号输入端连接，第二STM32控制器的信号输出端与电磁铁的信号输入端连接；所述的模拟摄像头的信号输出端与树莓派控制器的信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述的夹取机械臂(307)由夹具(3071)以及伸缩气缸A(3072)组成，所述伸缩气缸A(3072)通过螺栓与长方形金属底框(3011)固定连接，所述的夹具(3071)位于伸缩气缸A(3072)的下方，夹具(3071)的上方设有模拟摄像头(304)，所述的伸缩气缸A(3072)的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动并带动夹具上下运动。
6.根据权利要求4所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述的旋转机械臂(306)由步进电机(3061)和网罩(3062)组成，所述的步进电机(3061)通过螺栓与长方体金属框架(3012)的右侧边固定连接，步进电机(3061)的输出轴安装有网罩(3062)，所述的网罩(3062)具有喇叭状的开口，开口方向朝向需要旋转的目标，所述的步进电机(3061)的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动并带动网罩旋转。
7.根据权利要求6所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述的开合机械臂(309)与旋转机械臂(306)设于同一侧，开合机械臂(309)与旋转机械臂(306)之间设有模拟摄像头(304)，所述的开合机械臂(309)由左机械臂(3091)、右机械臂(3092)以及伸缩气缸B(3093)组成，所述的左机械臂(3091)固定于伸缩气缸B(3093)的端部，所述的右机械臂(3092)与伸缩气缸B(3093)固定连接，所述的伸缩气缸B(3093)的信号输入端与第二STM32控制器的信号输出端连接，由第二STM32控制器进行驱动向远离左机械臂(3091)的方向运动，所述的左机械臂(3091)和右机械臂(3092)相对设置的面上设有若干橡胶棒(3094)。
8.根据权利要求4所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述的勾取机械臂(308)通过螺栓与长方体金属框架(3012)的左侧边固定连接，勾取机械臂(308)的下端呈90°的弯钩状，上端设有向内的凹槽(3081)；所述的测距机械臂(310)固定安装于凹槽(3081)内，由钢卷尺(3101)和圆环(3102)组成，所述的圆环(3102)固定连接于钢卷尺的尺带端部，钢卷尺的尺盒卡接于凹槽(3081)中，所述的圆环(3102)可与水底的凸起处相连，所述的圆环(3102)放置于凸起处时，所述的水下数据采集本体进行水平位移，拉出钢卷尺(3101)的尺带进行测量；所述的勾取机械臂(308)的一侧还设有模拟摄像头(304)。
9.根据权利要求3所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统，其特征在于：所述的推进器(311)设有八组，包括四组垂直推进器(3111)和四组水平推进器(3112)；其中，所述的四组水平推进器(3112)固定设于长方形金属底框(3011)的四个顶角，所述的四组垂直推进器(3111)固定设于长方体金属框架(3012)顶面的四个顶角；所述的浮力板(302)设有三块，所述的三块浮力板沿长方体金属框架(3012)的顶面和侧面设置，并围成门字形结构，电路仓(303)设于三块浮力板围成的间隙中，位于长方体金属框架(3012)内，所述的浮力板(302)上设有走水孔(3021)，所述的走水孔(3021)开设的方向对应推进器(311)运动的方向。
10.权利要求4所述的一种六自由度ROV模拟驾驶系统的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：水下数据采集本体接收遥控手柄发出的操作指令，完成水下动作；
S2：水下数据采集本体记录水下动作的效果数据，构建TCP/IP协议数据包发送至地面站计算机端；
S3：地面站计算机端将接收的数据与遥控手柄输入数据进行匹配，构建离线模拟驾驶数据库；
S4：主控模块打开显示模块，实施显示仿真操作数据，并根据遥控手柄输入的训练方式，判断是否开启姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块；
S5：姿态仿真模块、作业仿真模块以及操作仿真模块被开启，根据遥控手柄输入数据，与离线模拟驾驶数据库比对，计算出模拟操作效果，在显示模块中实时更新显示；
S6：显示模块将各子模块的操作数据实时显示在地面站计算机端的GUI界面。
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