CN114004015B - 一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ROS‑Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，包括以下步骤：1)获取包括无人艇、无人艇作业环境、无人艇任务载荷对象的三维模型；2)将三维模型导出生成xml语法格式的参数化模型文件，并导入到ROS仿真环境；3)建立描述刚体运动特征的无人艇六自由度运动方程；4)导入作业环境模型、无人艇模型以及任务载荷模型在内的几何模型；5)利用ROS进程间通信机制，设计分布式仿真软件架构；6)以功能模块为节点，建立节点之间通信的消息发布与订阅规则库，实现系统各个功能模块的消息传递；7)设计面向认定任务需求的节点启动、环境参数配置规则，实现基于启动文件的无人艇仿真测试。本发明无人艇仿真方法提高了仿真模型的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇仿真建模技术，尤其涉及一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法。
背景技术
无人艇运动仿真技术是测试和验证无人艇在复杂海况下航行和作业能力的重要手段。如何设计能够模拟复杂海况、具有较高运动响应可信度、实时三维视景交互的仿真测试平台是国内外科学与工程技术人员关心的要点。
船舶仿真模拟器以训练仿真为主，具备实时三维视景交互，重点解决虚拟环境下对船员的作业流程培训问题。当船舶发展无人化技术后，能够具备测试无人装备性能、开展无人系统作业方案仿真预演与验证的专用仿真建模方法及平台成为新的发展需求。为此，国内外利用Matlab、Creator、Vega Prime、Unity等平台设计了多种不同用途的无人艇仿真模拟器，但现有仿真平台在通用性、逼真度、拓展性方面却难以满足无人艇及其日益增多的感知设备、执行单元的模拟。现有无人艇仿真测试平台面临的主要问题包括：无人艇仿真模型通常是依靠简化后的三自由度或四自由度数学模型，难以对无人艇的纵摇与横摇姿态进行准确模拟；无人艇仿真环境风浪流模拟难以做到跟环境外流场的耦合，简化定常环境模拟难以准确表达真实海况的运行响应；专用开发的无人艇平台难以做到快速兼容新模块、新对象的集成仿真测试，对仿真环境的适用性带来限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，包括以下步骤：
步骤1)获取包括无人艇、无人艇作业环境、无人艇任务载荷对象的三维模型；
步骤2)将三维模型导出生成xml语法格式的参数化模型文件URFD，并导入到ROS仿真环境；
步骤3)建立描述刚体运动特征的无人艇六自由度运动方程；
式(1)中，矩阵M为系统惯性矩阵(包含附加质量)，M＝MRB+MA；其中，MRB为无人艇刚体惯性矩阵，MA为无人艇水中航行带来的附加质量惯性矩阵；C(v)为总科里奥利向心力矩阵，C(v)＝CRB(v)+CA(v)，其中，CRB(ν)为无人艇运动科里奥利向心力矩阵，CA(ν)为附加质量的科里奥利向心力矩阵；D(v)是水动力阻尼矩阵，D(v)＝D+Dn(v)，水动力阻尼矩阵用于描述水动力在无人艇上的作用，其中，D为线性水动阻力系数矩阵，Dn(v)为非线性水动阻力系数矩阵；τ为推进器提供的纵向推力和转向力矩；τd为风、浪、流在内的环境扰动力和力矩；一维向量v＝[u,v,w,p,q,r]T为无人艇六自由度运动状态矩阵，包括纵荡u、横荡v、垂荡w、艏摇r、纵摇q、横摇p；R(ψ)为附体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵；为无人艇在惯性坐标系下的六自由度位移和姿态描述矩阵，包括三个方向的位置描述x,y,z，以及横倾角φ，纵倾角θ，艏向角ψ；
步骤4)设计基于ROS-Gazebo的无人艇仿真功能包，在Gazebo三维可视化放仿真环境下定义全局和附体运动坐标系，导入作业环境模型、无人艇模型以及任务载荷模型在内的几何模型；通过插件形式将无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力加载到Gazebo刚体物理引擎获得无人艇六自由度运动状态更新信息；
步骤5)利用ROS进程间通信机制，设计分布式仿真软件架构，将无人艇自主航行、任务载荷功能划分为以下功能模块：决策模块、制导模块、导航模块、控制模块、任务模块、环境干扰外力模块、水动力模块以及控制力模块，利用插件形式实现各个功能模块的功能；
其中，决策模块基于多目标优化算法设计无人艇仿真航行任务；制导模块利用启发式搜索算法完成无人艇任务航点之间安全可达航路规划；导航模块利用输入期望航路计算无人艇期望航向及期望航速；控制模块利用滑模、反步等控制策略实现航向跟踪控制；任务模块用于对作业载荷的单独控制；环境干扰外力模块通过读取外部环境流场仿真软件对特定作业环境模型的模拟结果，实现精细环境流场的加载；水动力模块用于计算无人艇与水环境交互的作用力情况；控制力模块用于计算无人艇的执行机构产生的作用力情况。
步骤6)以功能模块为节点，建立节点之间通信的消息发布与订阅规则库，通过进程通信、UDP通信方式实现系统各个功能模块的消息传递；
步骤7)设计面向认定任务需求的节点启动、环境参数配置规则，实现基于启动文件的无人艇仿真测试。
按上述方案，所述步骤4)中，计算无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力将导入的无人艇模型的无人艇艇体划分为六个部分，每一部分在仿真中单独计算浮力中心相对于水面的高度，波浪起伏导致船体每一部分所在位置的波浪高度不同，由此产生不同的波浪模拟力作用，使船具有由波浪引起的俯仰和横摇运动，实现对波浪坡度的跟随，模拟一阶波浪干扰力。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明无人艇仿真方法一方面考虑了六自由度无人艇运动状态，能够更加准确地反映纵倾和横倾运动特征，另一方面将环境外流场模型导入仿真环境，得到更加逼真的环境载荷模拟，因此，两方面的作用提高了仿真平台数学模型的准确性。
2、以ROS作为底层平台，利用分布式软件架构搭建一套完善的无人艇仿真模拟平台，将松耦合高内聚的各个软件功能模块通过局域网/程序间通信等方式集成于统一平台，提高了系统的通用性、逼真度、拓展性。
3、本发明建立的无人艇仿真测试平台能够提供一个真实、安全、可控的仿真测试环境，逼真模拟海洋环境及海上作业任务流程，可广泛应用于无人装备性能仿真测试与验证、海上作战方案可行性分析、海战舰船人员的教学和培训等领域,应用前景广阔。平台具有不受时间空间条件限制、缩短训练时间,降低训练成本,安全可控等优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的无人艇运动坐标系与符号定义示意图；
图2是本发明实施例的无人艇六自由度运动模型基本结构示意图；
图3是本发明实施例的无人艇建模及仿真平台设计流程图；
图4是本发明实施例的无人艇波浪中运动仿真效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，包括以下步骤：
步骤1)获取包括无人艇、无人艇作业环境、无人艇任务载荷对象的三维模型；
步骤2)将三维模型导出生成xml语法格式的参数化模型文件URFD，并导入到ROS仿真环境；
步骤3)建立描述刚体运动特征的无人艇六自由度运动方程；
式(1)中，矩阵M为系统惯性矩阵(包含附加质量)，M＝MRB+MA；其中，MRB为无人艇刚体惯性矩阵，MA为无人艇水中航行带来的附加质量惯性矩阵；C(v)为总科里奥利向心力矩阵，C(v)＝CRB(v)+CA(v)，其中，CRB(ν)为无人艇运动科里奥利向心力矩阵，CA(ν)为附加质量的科里奥利向心力矩阵；D(v)是水动力阻尼矩阵，D(v)＝D+Dn(v)，水动力阻尼矩阵用于描述水动力在无人艇上的作用，其中，D为线性水动阻力系数矩阵，Dn(v)为非线性水动阻力系数矩阵；τ为推进器提供的纵向推力和转向力矩；τd为风、浪、流在内的环境扰动力和力矩；一维向量v＝[u,v,w,p,q,r]T为无人艇六自由度运动状态矩阵，包括纵荡u、横荡v、垂荡w、艏摇r、纵摇q、横摇p；R(ψ)为附体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵；为无人艇在惯性坐标系下的六自由度位移和姿态描述矩阵，包括三个方向的位置描述x,y,z，以及横倾角φ，纵倾角θ，艏向角ψ；
本发明建立无人艇六自由度运动模型，坐标系描述如图1所示，采用解耦思路简化建模参数辨识难度，将纵荡、横荡、艏摇三个自由度划分为一组，将垂荡、纵摇、横摇三个自由度划分为另一组，对两组运动分别考虑不同的受力状况建立运动方程。
对水平面内运动控制起主要影响的是纵荡、横荡、艏摇三个自由度，其受力包括粘性水动力、惯性水动力、环境干扰力和动力装置产生的推力和力矩；另一组，垂荡、纵摇、横摇三个自由度不是无人艇水平面内运动控制的主要影响因素，其受力、运动特性分析可以简化处理，忽略水动力项和环境干扰力，考虑由重力、浮力和波浪干扰力作为其运动的主要作用力。
按照上述解耦方式，无人艇六自由度运动模型基本结构可由图2表示。动力装置模型将控制信号转化为推力和力矩，对无人艇进行控制。为方便描述无人艇的运动状态，无人艇运动方程通常根据无人艇在附体坐标系下各个自由度的受力以及速度建立，而无人艇的路径跟踪、航向控制都是基于惯性坐标系下的状态信息，因此需要通过惯性坐标系转换模型将附体坐标系下的运动状态转换到惯性坐标系中。
步骤4)设计基于ROS-Gazebo的无人艇仿真功能包，在Gazebo三维可视化放仿真环境下定义全局和附体运动坐标系，导入作业环境模型、无人艇模型以及任务载荷模型在内的几何模型；
通过插件形式将无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力加载到Gazebo刚体物理引擎获得无人艇六自由度运动状态更新信息。
如图4所示，为进一步提高仿真模型的物理保真度，本发明将导入的无人艇模型的无人艇艇体划分为六个部分，每一部分在仿真中单独计算浮力中心相对于水面的高度，波浪起伏导致船体每一部分所在位置的波浪高度不同，由此产生不同的波浪模拟力作用，使船具有由波浪引起的俯仰和横摇运动，实现对波浪坡度的跟随，模拟一阶波浪干扰力。
本发明开始仿真之前，无人艇可由QGC上位机进行航路任务规划，开始仿真后，无人艇将按照规划航线运动，QGC中实时显示地图以及轨迹信息，Gazebo则显示三维场景以及无人艇运动的实时三维画面。
步骤5)利用ROS进程间通信机制，设计分布式仿真软件架构，将无人艇自主航行、任务载荷功能划分为以下功能模块：决策模块、制导模块、导航模块、控制模块、任务模块、环境干扰外力模块、水动力模块以及控制力模块，利用插件形式实现各个功能模块的功能；
其中，决策模块基于多目标优化算法设计无人艇仿真航行任务；制导模块利用启发式搜索算法完成无人艇任务航点之间安全可达航路规划；导航模块利用输入期望航路计算无人艇期望航向及期望航速；控制模块利用滑模、反步等控制策略实现航向跟踪控制；任务模块用于对作业载荷的单独控制；环境干扰外力模块通过读取外部环境流场仿真软件对特定作业环境模型的模拟结果，实现精细环境流场的加载；水动力模块用于计算无人艇与水环境交互的作用力情况；控制力模块用于计算无人艇的执行机构产生的作用力情况。
步骤6)以功能模块为节点，建立节点之间通信的消息发布与订阅规则库，通过进程通信、UDP通信方式实现系统各个功能模块的消息传递；
步骤7)设计面向认定任务需求的节点启动、环境参数配置规则，实现基于启动文件的无人艇仿真测试，实现单个无人艇性能测试、多个无人艇集群测试、无人艇仿真竞优评估等丰富功能。
本发明无人艇建模及仿真平台设计流程如图3所示。首先对无人艇及其场景进行几何建模与运动建模。运动建模部分，考虑无人艇六自由度运动方程，利用回归公式、计算流体力学、实艇操纵性测试等获取数据进行参数辨识。几何建模部分，利用三维设计工具进行图形化建模，并生成参数化描述文件。结合运动建模所得运动方程，在ROS环境中分别设计独立仿真功能包，例如环境干扰力、水动力、控制力等。与此同时，在ROS环境中结合具体仿真任务需求，分解成无人艇决策、制导、导航、控制等多个模块进行解耦实现，并在ROS分布式仿真平台内，所有模块通过进程间通信机制实现同步或异步数据交互。通过仿真计算的无人艇六自由度全部外力作用到Gazebo引擎中无人艇刚体模型接口。基于Gazebo物理引擎计算无人艇刚体运动响应，进而更新无人艇的位姿状态。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）获取包括无人艇、无人艇作业环境、无人艇任务载荷对象的三维模型；
步骤2）将三维模型导出生成xml语法格式的参数化模型文件URFD，并导入到ROS仿真环境；
步骤3）建立描述刚体运动特征的无人艇六自由度运动方程；
所述无人艇六自由度运动方程具体如下：
式中，矩阵M为系统惯性矩阵（包含附加质量），; 其中，MRB为无人艇刚体惯性矩阵，MA为无人艇水中航行带来的附加质量惯性矩阵；/>为总科里奥利向心力矩阵，，其中，CRB(ν)为无人艇运动科里奥利向心力矩阵，CA(ν)为附加质量的科里奥利向心力矩阵；/>是水动力阻尼矩阵，/>，水动力阻尼矩阵用于描述水动力在无人艇上的作用，其中，/>为线性水动阻力系数矩阵，/>为非线性水动阻力系数矩阵；/>为推进器提供的纵向推力和转向力矩；/>为风、浪、流在内的环境扰动力和力矩；一维向量/>为无人艇六自由度运动状态矩阵，包括纵荡u、横荡v、垂荡w、艏摇r、纵摇q、横摇p；/>为附体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵；为无人艇在惯性坐标系下的六自由度位移和姿态描述矩阵，包括三个方向的位置描述x, y, z，以及横倾角φ，纵倾角θ，艏向角ψ；
步骤4）设计基于ROS-Gazebo的无人艇仿真功能包，在Gazebo三维可视化放仿真环境下定义全局和附体运动坐标系，导入作业环境模型、无人艇模型以及任务载荷模型在内的几何模型；通过插件形式将无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力加载到Gazebo刚体物理引擎获得无人艇六自由度运动状态更新信息；
步骤5）利用ROS进程间通信机制，设计分布式仿真软件架构，将无人艇自主航行、任务载荷功能划分为以下功能模块：决策模块、制导模块、导航模块、控制模块、任务模块、环境干扰外力模块、水动力模块以及控制力模块，利用插件形式实现各个功能模块的功能；
所述功能模块具体如下：
决策模块，用于基于多目标优化算法设计无人艇仿真航行任务；
制导模块，用于利用启发式搜索算法完成无人艇任务航点之间安全可达航路规划；
导航模块，用于利用输入期望航路计算无人艇期望航向及期望航速；
控制模块，用于利用滑模以及反步控制策略实现航向跟踪控制；
任务模块，用于对作业载荷的单独控制；
环境干扰外力，用于模块通过读取外部环境流场仿真软件对特定作业环境模型的模拟结果，实现精细环境流场的加载；
水动力模块，用于计算无人艇与水环境交互的作用力情况；
控制力模块，用于计算无人艇的执行机构产生的作用力情况；
步骤6）以功能模块为节点，建立节点之间通信的消息发布与订阅规则库，通过进程通信、UDP通信方式实现系统各个功能模块的消息传递；
步骤7）设计面向认定任务需求的节点启动、环境参数配置规则，实现基于启动文件的无人艇仿真测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，其特征在于，所述步骤4）中，计算无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力将导入的无人艇模型的无人艇艇体划分为六个部分，每一部分在仿真中单独计算浮力中心相对于水面的高度，波浪起伏导致船体每一部分所在位置的波浪高度不同，由此产生不同的波浪模拟力作用，使船具有由波浪引起的俯仰和横摇运动，实现对波浪坡度的跟随，模拟一阶波浪干扰力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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