CN112530007B - 一种通用无人潜水器及其仿真软件平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用无人潜水器及其仿真软件平台，无人潜水器包括底板，底板上方设有两个密封舱，第一密封舱放置锂电池，第二密封舱放置相机云台与IMU模块、通信控制系统，无人潜水器的前、后、上方各装有两个推进器，底板下方设有DVL和测深声呐传感器，两侧支撑挡板中间设有浮力架及浮力块；仿真软件平台包括：创建无人潜水器三维模型；创建仿真环境的海底三维模型；创建两个可视化窗口，用于实时观察无人潜水器运动状态及其周围水域环境，以及相机云台录像、机器人运动轨迹和测深声呐图像。该无人潜水器设计合理，通用性强，该仿真软件平台可对无人潜水器运动状态进行三维动态仿真，实现轨迹追踪、海底地形测绘和周围场景的实时获取及全程可视化。

Description

一种通用无人潜水器及其仿真软件平台

技术领域

本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种通用无人潜水器及其仿真软件平台。

背景技术

随着水下机器人技术的发展，越来越多的水下机器人应运而生。水下机器人由于其作业任务、通讯方式的不同，种类丰富多样，且水下作业不同于陆地和空中环境可被肉眼直接看到，这就给水下机器人作业方案设计的可行性、准确性造成了一定影响。在水下环境中无线电波及GPS信号在水下衰减很快，无法通过定位系统获取水下机器人实时位姿信息；而且水下机器人在水下航行过程中容易受到暗流、洋流的等不可控因素的影响，容易受到各种不确定的因素影响，操作者无法直接看到机器人的状态及是否到达目标点，对水下机器人的作业方案的正确性的分析产生阻碍。

水下机器人仿真系统可以通过三维动画反应水下机器人实时航行状态、机器人水下航行轨迹的准确性以及机器人周围环境信息，更加直观的验证航行方案的可行性、准确性，可完成对水下结构破损、腐蚀及其物理位置准确性的检查，水下物体的找寻，加快水下机器人定点检查航行方案、测量作业方案的落地。同时为水下机器人开展水下打捞、清理、辅助潜水员等工作的二次开发提供平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用无人潜水器及其仿真软件平台，该无人潜水器设计合理，通用性强，该仿真软件平台可以对无人潜水器全程运动状态进行三维动态仿真，实现轨迹追踪、海底地形测绘和周围场景的实时获取及全程可视化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种通用无人潜水器，包括底板，所述底板上方设有两个密封舱，其中第一密封舱用于放置锂电池，第二密封舱用于放置相机云台与IMU模块、通信、控制系统，所述通用无人潜水器前方、后方、上方各装有两个推进器，底板下方设有DVL和测深声呐传感器，两侧设有支撑挡板，两支撑挡板中间设有浮力架及浮力块。

进一步地，所述底板为中间为圆形的工字形底板，具有四个线性阵列分布的用于安装第一密封舱的螺纹孔以及四个圆周阵列分布的用于安装DVL的螺纹孔；所述底板、支撑挡板材料为铝合金；所述第一密封舱为圆柱形壳体，其材料为铝合金；所述第二密封舱为半球形封头的圆柱形壳体，所述半球形封头为相机云台的观察窗口，其材料为丙烯酸塑料，所述圆柱形壳体材料为铝合金。

进一步地，所述第二密封舱内的上位机通过USB端口与相机云台、测深声呐与IMU连接，DVL通过RS485通讯总线与MODBUS协议实现与上位机的通讯，其中相机云台和IMU模块位于第二密封舱内。

本发明还提供了所述通用无人潜水器的仿真软件平台，包括：

（1）创建所述无人潜水器的三维模型，在推进器坐标系XYZ中，设置X轴方向与旋转轴平行，无人潜水器推进器装配位置处坐标系设为UVW，其中U轴为旋转轴，将无人潜水器本体与推进器进行装配时让X轴和U轴重合，装配完成；进行相关参数设置后导出无人潜水器的模型文件；

（2）创建仿真环境的海底三维模型，导出模型文件；创建文件配置仿真环境的物理属性：流速、水密度、碰撞属性及其相关属性的可视化；

（3）创建两个可视化窗口，分别为可实时观察无人潜水器运动状态及其周围水域环境的三维动画窗口和实时观察到相机云台录像、无人潜水器运动轨迹、测深声呐图像的可视化窗口。

进一步地，所述无人潜水器三维模型的世界坐标为X1Y1Z1，设Z1轴方向向上，X1向前，Y1轴向左；无人潜水器的六个推进器装配处的坐标系均为UVW，其中U轴方向与装配处柱面轴线平行；其子装配体，即推进器的坐标系为XYZ，其中X轴方向与旋转轴平行；

基架与推进器进行装配，令U轴与X轴重合，导出无人潜水器的URDF模型，模型文件分为总装配体模型文件、基架模型文件、与子装配体数量相同的推进器模型文件；为减少推进器的运动过程中异常情况的发生率，对URDF模型中所有的子装配体取相同的模型文件。

进一步地，所述仿真软件平台的应用方法为：

（1）将创建的所述无人潜水器模型，导入所述仿真环境中，操作者通过键盘或遥控器控制进行运动，实现无人潜水器包括：进退、侧移、潜浮、回转、横摇、纵倾在内的六个自由度的运动；在所述可视化窗口实时显示相机云台所拍摄的水下场景录像，在所述三维动画窗口实时显示无人潜水器的运动状态的三维动画；

（2）将创建的所述无人潜水器模型，导入所述仿真环境中，操作者通过指定若干个坐标点的方式，驱动无人潜水器进行定点作业，从而实现无人潜水器既定轨迹的自主航行任务；在选定轨迹进行运动时，具有补偿外部扰动的功能，通过对无人潜水器进行实时状态估计，当无人潜水器偏离既定轨迹时，自动回到正确轨迹，来保证无人潜水器到达的定点位置的正确性；

（3）在完成既定轨迹自主航行任务过程中，在所述可视化窗口通过三维动画显示既定轨迹以及实时运动轨迹，操作者实时观察运动准确性，以给予操作者沉浸式体验；

（4）在无人潜水器键盘控制运动过程中，根据航行任务需要开启测深声呐，完成对无人潜水器所航行领域的海底三维模型的获取，同时在可视化窗口中实时看到海底三维模型的获取进度以及已获得的模型。

进一步地，所述既定轨迹自主航行，基于运动控制算法以及滤波算法，实现无人潜水器在获取指定坐标点数据后，按既定轨迹自主航行至各个坐标点，并通过EFK算法进行位姿估计，当无人潜水器位姿偏离既定轨迹时自动进行纠正，提高无人潜水器在补偿外部扰动的状态下进行工作的能力，保证其运动位置的准确性；同时操作者在仿真软件中可看到航行过程无人潜水器的实时运动状态以及周围的水域环境，在可视化环境中可看到无人潜水器运行的既定轨迹以及无人潜水器实时运动轨迹，通过对二者重合度的直接观察可了解无人潜水器的运动情况。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、使用Solid Works的URDF插件进行模型文件的导出，保证导出模型的URDF模型文件中旋转参数、推力参数能够准确导出，增强模型文件的准确性和可操作性；

2、使用开源机器人操作系统ROS进行三维仿真场景、模型文件、可视化窗口建设，仿真平台的各个节点文件之间相互独立，采用话题进行通信，提升了仿真平台的可拓展性；

3、在无人潜水器航行过程中，可以在可视化窗口实时观测所搭载的相机云台的录像，完成对水下结构破损、腐蚀及其物理位置准确性的检查，水下物体的找寻的仿真；

4、全程可视化的仿真场景和可视化窗口，给与沉浸式体验的过程的同时，可以准确模拟无人潜水器在水下自主定点检查任务、水下测量任务的全过程，大大减弱真实的复杂水下环境对验证该无人潜水器作业方案设计准确性的影响，加快水下作业方案的落地。

附图说明

图1是本发明实施例中无人潜水器的结构示意图。

图2是本发明实施例中无人潜水器底板结构示意图。

图3是本发明实施例中通用无人潜水器仿真软件平台的仿真环境总体结构框架图。

图4是本发明实施例中无人潜水器仿真模型图。

图5是本发明实施例中通用无人潜水器仿真软件平台的应用方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种无人潜水器，包括底板2，底板上方装有两个密封舱，第一密封舱11用于放置锂电池，第二密封舱10用于放置相机云台9与IMU模块、通信、控制系统，潜水器共有六个推进器3，布局为前方、后方、上方各装有两个推进器，底板前部装有DVL（多普勒计程仪）12和测深声呐传感器1，两侧装有支撑挡板6，支撑挡板中上方装有浮力架5及浮力块7，前方装有两个探照灯4。

如图2所示，所述底板2为中间为圆形的工字形底板，有四个线性阵列分布的安装第一密封舱用的M5螺纹孔203以及四个圆周阵列分布的安装DVL用的M12螺纹孔202以及为减轻重量以及方便二次开发所需增设的传感器安装所设的诸多小孔201。

所述第一密封舱为圆柱形壳体，所述第二密封舱为半球形封头的圆柱形壳体，所述半球形封头为相机云台的观察窗口，其材料为丙烯酸塑料。

为使无人潜水器航行过程中在较小的重量与排水量的比值（W/V）下，有较好的负载能力和作业深度，无人潜水器的框架及耐压壳体的选材为铝合金，照明装置的透光口和相机观察窗口选材为丙烯酸塑料。

所述第二密封舱内的上位机通过USB端口与相机云台、测深声呐与IMU连接，DVL通过RS485通讯总线与MODBUS协议实现与上位机的通讯，其中相机云台和IMU模块位于第二密封舱内。

下面结合图3对本发明多功能的通用无人潜水器的仿真软件平台进行详细说明，其具体实现为：

（1）无人潜水器模型文件的创建，以未装配推进器的无人潜水器模型为基架，基架的世界坐标为X1Y1Z1设置为Z1轴向上，X1轴向前，Y1轴向左；设置基架上六个推进器装配处的坐标系均为UVW，其中U轴方向为旋转轴方向；其子装配体——推进器的坐标系为XYZ，其中X轴为旋转轴，Y轴指向前方，Z轴指向左方；无人潜水器含有六个推进器。基架与推进器进行装配时，令U轴与X轴重合，装配完成后进行相关参数的设置并导出无人潜水器的URDF（Unified Robot Description Format）模型文件，模型文件分为总装配体模型文件、基架模型文件、与子装配体数量相同的推进器模型文件；为减少推进器的分配矩阵不准确从而引发运动过程异常的情况，对URDF模型中所有的子装配体取相同的模型文件。

（2）创建DVL、IMU、声呐传感器的参数文件及模型文件并添加至无人潜水器的模型文件中。

（3）创建仿真环境的海底的三维模型，导出word格式模型文件；创建文件配置仿真环境的物理属性：流速、水密度、碰撞属性及其相关属性的可视化。

（4）仿真平台包括两个可视化窗口，分别为可实时观察无人潜水器运动状态及其周围水域环境的三维动画窗口和实时观察到相机云台录像、无人潜水器运动轨迹、测深声呐图像的可视化窗口。

至此仿真软件平台搭建完毕，其整体结构框图如图4所示。

下面结合图5对无人潜水器仿真软件平台的应用方法进行详细说明。在本实施例中，仿真软件平台进行水下环境仿真的工作流程包括以下步骤：

S1：启动模型文件：运行仿真水下环境的launch文件，以启动仿真水下环境，启动水下仿真场景三维动画窗口。

S2：运行无人潜水器模型文件的launch文件，在仿真水下环境中加入无人潜水器模型；

S3：打开无人潜水器可视化窗口，完成对无人潜水器运行轨迹以及相机录像内容可视化的配置。

接下来的运行步骤，根据无人潜水器作业过程中选择定点检查自主航行和遥控操作进行检查作业方案的不同而有所不同。

若选择键盘控制（遥控）无人潜水器运动进行水下检查：

S4：为无人潜水器搭载检测过程中所需的相机传感器模块文件，导入所述仿真环境中；

S5：操作者通过键盘（遥控器）控制进行运动，实现无人潜水器包括进退、侧移、潜浮、回转、横摇、纵倾在内的六个自由度的运动；在所述三维动画窗口可实时看到无人潜水器的运动状态的三维动画；在所述可视化窗口可实时显示相机云台所拍摄的水下场景录像，可实现对水下结构破损、腐蚀及其物理位置准确性的检查，水下物体的找寻的作业；

S6：若通过键盘控制进行水下三维地形的测量工作，在S5的基础上加载测深声呐模型文件及其启动模块，键盘控制无人潜水器进行移动，此时在可视化窗口中可实时看到测量工作进程及测量成果图，在三维动画窗口可实时看到无人潜水器测量作业过程的运动状态及周围场景；

若选择自主航行方式进行水下检查：

S4：启动传感器IMU、DVL和测深声呐模块文件；

S5：加载存有轨迹坐标点的轨迹文件，同时启动无人潜水器进行定点航行任务，轨迹文件加载完成后在可视化窗口可显示既定轨迹。

S6：在进行既定轨迹运动过程中，具有补偿外部扰动的功能，通过对无人潜水器进行实时状态估计，当无人潜水器偏离既定轨迹时，自动回到正确轨迹，来保证无人潜水器到达定点位置；

在可视化窗口中显示实时运行轨迹，操作者可通过实时轨迹与既定轨迹的重合度来直观的看到这一过程，以达到实时观察运动准确性的效果，给予操作者沉浸式体验；

同时在可视化窗口可以实时看到运动过程中相机云台的录像内容，以达到无人潜水器进行自主航行定点检查的结果。

所述既定轨迹自主航行，基于运动控制算法以及滤波算法，实现无人潜水器在获取指定坐标点数据后，按既定轨迹自主航行至各个坐标点，并通过EFK算法进行位姿估计，当无人潜水器位姿偏离既定轨迹时自动进行纠正，提高无人潜水器在补偿外部扰动的状态下进行工作的能力，保证其运动位置的准确性；同时操作者在仿真软件中可看到航行过程中无人潜水器的实时状态以及周围的水域环境，在可视化环境中可看到无人潜水器运行的既定轨迹以及无人潜水器实时运动轨迹，通过对二者重合度的直接观察可了解无人潜水器的运动情况。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通用无人潜水器的仿真软件平台，其特征在于，所述通用无人潜水器包括底板，所述底板上方设有两个密封舱，其中第一密封舱用于放置锂电池，第二密封舱用于放置相机云台与IMU模块、通信、控制系统，所述无人潜水器的前方、后方、上方各装有两个推进器，底板下方设有DVL和测深声呐传感器，两侧设有支撑挡板，两支撑挡板中间设有浮力架及浮力块；

所述通用无人潜水器的仿真软件平台，包括：

（1）创建所述无人潜水器的三维模型，在推进器坐标系XYZ中，设置X轴方向与旋转轴平行，无人潜水器推进器装配位置处坐标系设为UVW，其中U轴为旋转轴，将无人潜水器本体与推进器进行装配时让X轴和U轴重合，装配完成；进行相关参数设置后导出无人潜水器的模型文件；

（2）创建仿真环境的海底三维模型，导出模型文件；创建文件配置仿真环境的物理属性：流速、水密度、碰撞属性及其相关属性的可视化；

（3）创建两个可视化窗口，分别为可实时观察无人潜水器运动状态及其周围水域环境的三维动画窗口和实时观察到相机云台录像、无人潜水器运动轨迹、测深声呐图像的可视化窗口。

2.根据权利要求1所述的一种通用无人潜水器的仿真软件平台，其特征在于，所述底板为中间为圆形的工字形底板，具有四个线性阵列分布的用于安装第一密封舱的螺纹孔以及四个圆周阵列分布的用于安装DVL的螺纹孔；所述底板、支撑挡板材料为铝合金；所述第一密封舱为圆柱形壳体，其材料为铝合金；所述第二密封舱为半球形封头的圆柱形壳体，所述半球形封头为相机云台的观察窗口，其材料为丙烯酸塑料，所述圆柱形壳体材料为铝合金。

3.根据权利要求2所述的一种通用无人潜水器的仿真软件平台，其特征在于，所述第二密封舱内的上位机通过USB端口与相机云台、测深声呐与IMU连接，DVL通过RS485通讯总线与MODBUS协议实现与上位机的通讯，其中相机云台和IMU模块位于第二密封舱内。

4.根据权利要求1所述的一种通用无人潜水器的仿真软件平台，其特征在于，所述无人潜水器三维模型的世界坐标为X1Y1Z1，设Z1轴方向向上，X1向前，Y1轴向左；无人潜水器的六个推进器装配处的坐标系均为UVW，其中U轴方向与装配处柱面轴线平行；其子装配体，即推进器的坐标系为XYZ，其中X轴方向与旋转轴平行；

基架与推进器进行装配，令U轴与X轴重合，导出无人潜水器的URDF模型，模型文件分为总装配体模型文件、基架模型文件、与子装配体数量相同的推进器模型文件；为减少推进器的运动过程中异常情况的发生率，对URDF模型中所有的子装配体取相同的模型文件。

5.根据权利要求1所述的一种通用无人潜水器的仿真软件平台，其特征在于，所述仿真软件平台的应用方法为：

（1）将创建的所述无人潜水器模型，导入所述仿真环境中，操作者通过键盘或遥控器控制进行运动，实现无人潜水器包括：进退、侧移、潜浮、回转、横摇、纵倾在内的六个自由度的运动；在所述可视化窗口实时显示相机云台所拍摄的水下场景录像，在所述三维动画窗口实时显示无人潜水器的运动状态的三维动画；

（2）将创建的所述无人潜水器模型，导入所述仿真环境中，操作者通过指定若干个坐标点的方式，驱动无人潜水器进行定点作业，从而实现无人潜水器既定轨迹的自主航行任务；在选定轨迹进行运动时，具有补偿外部扰动的功能，通过对无人潜水器进行实时状态估计，当无人潜水器偏离既定轨迹时，自动回到正确轨迹，来保证无人潜水器到达的定点位置的正确性；

（3）在完成既定轨迹自主航行任务过程中，在所述可视化窗口通过三维动画显示既定轨迹以及实时运动轨迹，操作者实时观察运动准确性，以给予操作者沉浸式体验；

（4）在无人潜水器键盘控制运动过程中，根据航行任务需要开启测深声呐，完成对无人潜水器所航行领域的海底三维模型的获取，同时在可视化窗口中实时看到海底三维模型的获取进度以及已获得的模型。

6.根据权利要求5所述的一种通用无人潜水器的仿真软件平台，其特征在于，所述既定轨迹自主航行，基于运动控制算法以及滤波算法，实现无人潜水器在获取指定坐标点数据后，按既定轨迹自主航行至各个坐标点，并通过EFK算法进行位姿估计，当无人潜水器位姿偏离既定轨迹时自动进行纠正，提高无人潜水器在补偿外部扰动的状态下进行工作的能力，保证其运动位置的准确性；同时操作者在仿真软件中可看到航行过程无人潜水器的实时运动状态以及周围的水域环境，在可视化环境中可看到无人潜水器运行的既定轨迹以及无人潜水器实时运动轨迹，通过对二者重合度的直接观察可了解无人潜水器的运动情况。

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