CN114578712B - 多功能水下自主航行器集群仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟复杂任务的多功能水下自主航行器集群仿真系统，属于水下机器人仿真领域，系统包括操作界面、显示界面，系统提供了设计开发模式、仿真优化模式和实测监控模式；仿真优化模式具体通过虚拟环境子系统、决策控制子系统实现；所述决策控制子系统可由用户导入具体任务以及待测试算法，用来处理仿真过程中涉及到的有关调度、决策、控制等操作，并生成控制信号驱动水下自主航行器在虚拟环境中做出相应的运动；所述虚拟环境子系统用于提供仿真场所，为决策控制子系统提供水下自主航行器的状态以及环境信息；所述操作界面和显示界面用于人机交互，用户可以设置仿真参数、仿真任务，以及使仿真全过程可视化。

Description

多功能水下自主航行器集群仿真系统

技术领域

本发明属于水下机器人仿真领域，涉及一种多功能水下自主航行器集群仿真系统。

背景技术

复杂海洋环境下多水下自主航行器集群协作存在着诸如非线性运动控制、协作组网性能、复杂协作决策机制等方面的挑战，需要对这些科学难题进行探索和优化，这就避免不了对所设计的方案进行测试验证，考虑到水下自主航行器系统环境感知的低能性、水下自主航行器平台的高昂成本、实物试验的高风险性，对水下自主航行器集群智能、任务规划、决策等算法搭建仿真验证系统，以对集群系统协调控制策略和任务指标完成度进行仿真演示和验证必不可少。

目前有关无人仿真系统主要是针对地面上的机器人系统，有关水下自主航行器的仿真系统少之又少。对现有的水下自主航行器仿真系统进行调研，发现普遍存在以下问题：

1.仿真过程的可视化显示效果不佳

2.难以实现集群协作下复杂任务的仿真

3.系统支持的测试功能单一难以实现个性化需求

4.仿真系统的模式单一难以覆盖开发全流程

从现存问题来看，目前的仿真系统都是针对特定需求开发的，从技术全面上来看存在顾此失彼的问题。例如，只侧重于水下自主航行器感知、决策、控制某一环节的仿真设计，不能面向复杂任务需求提供全方位的仿真验证配置。其次，在提供仿真验证服务的时候只生成一些能反映任务完成情况的数据图表，忽略了可视化的实现，仿真效果以及可信度大打折扣。此外，仿真系统的模式、功能单一只能提供特定场景、任务下的仿真服务不具备普适性，无法承担起从原理设计到实物实现的中间过渡，因为系统功能单一无法对水下自主航行器进行全方位的“质检”，且系统的利用率也较为低下。

因此，针对面向复杂任务的水下自主航行器集群的仿真需求，目前尚未有一种全方位、多功能、易编程的仿真系统。

针对水下水下自主航行器仿真实现的需求，现有技术存在一种由欧盟资助的SWARMS(Smart and Networking Underwater Robots in Cooperation Meshes)项目中涉及的一款应用于水下机器人模拟的开源仿真平台(UUV Simulator)，该平台能够在ROS和Gazebo上运行，Gazebo内部能够通过一些插件定义水下传感器，机器人本体以及水下环境和环境载荷，这些插件不是基于ROS开发的但是可以通过API实现与ROS的通信及应用，同时也能够支持扩展它们以应用于其他中间件。基于ROS开发了机器人的通信及控制系统，能够对仿真环境中的航行器进行操作。并且通过ROS Bridges实现与Gazebo的通信。该平台虽然定义了较为标准的仿真框架，但是未涉及水下自主航行器集群的仿真实现，其次仿真模式、功能较为单一不具备全面性、普适性，且对用户使用来说是不友好的，也不方面对其进行二次编程设计。

现有技术还存在一种由Mathworks公司开发的一款基于MATLAB和Simulink的自主水下航行器仿真平台。可以实现复杂三维动力学建模以及自主算法开发和测试，但是其存在的问题也和UUV Simulator类似，忽略了集群协作的仿真实现，现可提供的仿真服务为寻找水中的黑盒子，仅能实现单水下自主航行器的路径规划和通信等仿真测试，考虑并不全面，同时提供的仿真环境较为简单不能反映海洋环境的复杂特征，造成仿真精度不高、效果不佳。

此外中国专利CN112596412A提出了多水下自主航行器仿真平台的设计方案，其组成包括虚拟环境系统、多水下自主航行器机载系统、视景系统、交互系统、动力学仿真系统，可验证多水下自主航行器系统的协同策略或单台水下自主航行器的控制策略，但是却不能很好地提供水下具有复杂逻辑的多任务仿真服务，另外平台的模式较为固定，不能全覆盖水下自主航行器整个设计开发过程。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构化、多功能、全方位的水下自主航行器集群仿真系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多功能水下自主航行器集群仿真系统，包括操作界面、显示界面，所述操作界面和显示界面用于人机交互，设置仿真参数、仿真任务，使仿真全过程可视化实现；通过操作界面切换三种系统功能模式：设计开发模式、仿真优化模式和实测监控模式；

所述设计开发模式针对设计水下自主航行器结构、控制器、相关智能算法或其他方面的开发人员，采用模块化设计，使用者可将组成水下自主航行器的任一部分替换成自己所设计的模块或算法，然后通过标准测试程序，依照测试结果对开发人员所设计的部分进行可行性分析；

当在设计开发模式下判定所设计的模型或者算法可行时，切换为所述仿真优化模式，对模型或算法进行仿真模拟，调参优化，得到最佳的模型或最优的算法；仿真优化模式实时反馈设计方案的仿真效果；

当在仿真优化模式下对所设计的算法、模型等进行优化并确定最优解之后，切换为所述实测监控模式，将设计的模型、结构、算法应用在水下自主航行器上得到最终的样机，然后进行真实海试，通过通信模块实现实时操控和监控，观测最终样机的实用性能，遇到突发情况或者是具有危险性的目标、障碍物时，转为人工操控来避免或降低风险。

进一步，所述仿真优化模式包括规划层、环境层和分析层，所述规划层具有任务调度、路径规划、群体协作功能，将待测试的算法导入到规划层，阐明复杂任务的仿真实现的内在逻辑；所述环境层用于提供一个虚拟环境，所述虚拟环境包括传统意义上的水文、地形环境信息，也包含抽象意义上的通信状况、电磁干扰环境，将水下自主航行器模型导入到环境层按照规划层的控制策略发生交互，水下自主航行器与环境之间的交互行为由分析层描述；所述分析层包括视景显示、数据面板、性能评估，所述视景显示展示仿真模拟的全过程，数据面板显示水下自主航行器上各传感器的数值以及各种可被后续研究分析的图表，性能评估根据既定程序依照所得的仿真数据对此次的仿真做出评估，反映出所设计模块、算法的性能效果，通过不断评估，最终达到产品优化的目的。

进一步，所述仿真优化模式具体通过虚拟环境子系统和决策控制子系统来实现；

所述决策控制子系统可由用户导入具体任务以及待测试算法，用来处理仿真过程中涉及到的有关调度、决策、控制等操作，并生成控制信号驱动虚拟水下自主航行器在虚拟环境中做出相应的运动；

所述虚拟环境子系统用于提供仿真场所，为决策控制子系统提供水下自主航行器和环境的仿真信息；

所述操作界面和显示界面用于人机交互，用户可自行设置仿真参数、仿真任务，使仿真全过程可视化实现。

进一步，所述决策控制子系统包括中央调度器、感知层、规划层和控制层；所述中央调度器用于将用户自定义的复杂任务标准化，通过对复杂任务进行理解，将其拆分成多个具有逻辑关系的子任务；所述感知层用于对当前的虚拟环境以及水下自主航行器状态等信息进行感知，辅助后续的一系列决策；所述规划层用于根据子任务的目标和感知到的虚拟环境信息规划出水下自主航行器集群的移动路径；所述控制层用于控制水下自主航行器在虚拟环境中做出相应的运动。

进一步，所述中央调度器可以将任意用户自定义的复杂任务标准化，即将复杂任务拆分成多个标准子任务，对于被拆分出来的子任务，它们可能在执行过程中高度耦合(不是按顺序发生的)，因此中央调度器对每个任务进行优先级排序以及中断响应分析，将复杂的任务用状态图来表示，即基于有限状态机理论，即将任意复杂任务划分成n个子任务，每个任务被看作是一个状态，任务自身的执行与任务之间的跳转、中断等关系可以由状态图来反映，如图3所示。

进一步，所述控制层依据规划层做出的决策以及用户所设计的群体协作方法作用于水下自主航行器动力学模型，同时也考虑到了水动力等环境干扰对运动控制的影响，综合以上因素得到包括线加速度、角加速度以及集群编队等控制信号，传递至信息处理中心进而控制水下自主航行器在虚拟环境中进行运动

进一步，所述虚拟环境子系统包括水下自主航行器单元、环境单元和信息处理中心，所述水下自主航行器单元包括用于对环境进行感知的传感模块、用于能量管理的能源模块、用于实现决策控制子系统与水下自主航行器单元数据交换的通信模块；所述环境单元用于建立海洋虚拟环境，包括设置地形地貌、水文参数和通信电磁干扰；所述水下自主航行器单元与环境单元发生交互，并将信息储存在所述信息处理中心等待决策控制子系统调用。

本发明的有益效果在于：本发明考虑了从原理设计-仿真模拟-实际调控的方方面面，实现了样品研发过程的全覆盖，同时因系统是采用模块化思想进行设计的，预留了编程接口，极大地便利了用户的二次开发，可以满足个性化的仿真需求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述多功能水下自主航行器集群仿真系统总体架构图；

图2为仿真系统的具体技术框图；

图3复杂任务执行的状态图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明的目的是设计一套结构化、多功能、全方位的水下水下自主航行器集群仿真系统。

系统的总体架构如附图1所示，系统提供三种功能模式：设计开发模式、仿真优化模式、实测监控模式。用户可通过操作界面按需切换模式，覆盖了产品开发从原理设计-仿真测试-实测调控的全流程，这是现有的水下仿真平台不具备的架构。

设计开发模式：主要是针对于研究或设计水下自主航行器(AUV)结构、控制器、包括相关智能算法(路径规划、自主避障、群体智能等)的科研人员，本系统采用模块化设计，研究人员可以将组成水下自主航行器的任一部分替换成自己所设计的模块或算法，还提供了标准测试程序，依照测试结果(是否能运行、是否达到预期目标等)对研究人员所设计的部分进行简单的可行性分析，如果失败则应该停下检查问题，不必开展接下来的仿真模拟、实测调试等环节，提高了研发效率。

仿真优化模式：当在设计开发模式下初步判定所设计的模型或者算法可行时，便需要通过仿真模拟来进行调参等优化环节，最终得到最佳的模型和最优的算法，因此，仿真优化模式实时反馈设计方案的仿真效果，对于设计开发具有指导性作用。此模式下包含三个层次即规划层、环境层、分析层；规划层主要涉及到了任务调度、路径规划、群体协作等部分，待测试的算法需导入到此层，此层旨在阐明复杂任务的仿真实现的内在逻辑，将在下一部分详细介绍。环境层主要是提供了一个虚拟的环境，此环境包括传统意义上的环境信息(水文、地形)也包含抽象意义上的环境(通信状况、电磁干扰等)，将水下自主航行器模型导入到环境层按照规划层的控制策略发生交互，水下自主航行器与环境之间的行为由分析层描述，分析层主要包括视景显示、数据面板、性能评估等部分。视景显示展示了仿真模拟的全过程，使得仿真真正意义上做到了可视化，数据面板主要是水下自主航行器上各传感器的数值以及各种可被后续研究分析的图表，性能评估主要是根据既定程序依照所得的仿真数据对此次的仿真做出评估，可反映出设计模块、算法的性能效果，通过不断评估，最终达到产品优化的目的。

实测监控模式：当在仿真优化模式下对所设计的算法、模型等进行优化并确定最优解之后，便可以开始将设计的模型、结构、算法应用在水下自主航行器样机上得到最终的样机，通过前两个模式的逐步验证和优化，理论上，此时得到的最终样机具有最佳性能，为了进一步调控，需进行真实海试，在此模式下，本仿真系统又可以充当监控的作用，通过通信模块建立起实时操控，一方面是观测最终样机的实用性能，另一方面，遇到突发情况或者是具有危险性的目标、障碍物时，为了避免水下自主航行器遭到重创，需要转为人工操控来避免或降低风险。

仿真系统的具体技术框图如附图2所示，其主要分为：操作界面、显示界面、虚拟环境子系统、决策控制子系统四大部分。

决策控制子系统：此子系统主要是用来处理水下自主航行器集群仿真过程中的有关调度、决策、控制等问题。

中央调度器：首先当具有复杂逻辑的任务输入时，需要利用中央调度器，对任务进行理解，即将复杂任务拆分成一个个子任务，同时被拆分出来的子任务，可能在发生时间、执行过程中以及完成中发生交叉，也即它们之间高度耦合，这时候就需要对其进行优先级排序以及中断响应分析，基于有限状态机理论，将复杂任务用状态图来表示，具体情况如附图3所示，假设复杂任务被分成了n个子任务(这里只用三个圆圈(任务)来代指)，每个圆圈中用①表示的曲线，代表在此状态进行停留也就是说执行这个任务，用②表示的曲线，代表此任务结束接着需要执行下一个任务，或则是发生了中断响应，先暂时暂停当前任务转而去执行下一个任务，通过这一设计便完美地解决了用户自定义的复杂任务的标准化难题。

感知层：根据中央调度器，得到了任务间的逻辑关系，任务得以按照逻辑顺序进行，对于某一特定任务而言也即(目标任务)，以巡逻任务为例，需要知道所要到达的目标点，知道目标点之后还需要对环境层进行感知，知道障碍物信息才能方便规划出一条安全、高效的路径，这也是感知层的意义所在，感知层中的环境信息是从信息处理中心中提取出来的。

规划层：在知道了任务目标以及周边的环境信息后，需要进行相应的规划，规划涉及到路径寻找、避障、跟踪等方面，例如规划好路径后在行进过程中需要实时的动态避障，同时也需要路径跟踪算法使得水下自主航行器沿着预定轨迹运行，这一层所涉及到的算法也是当前的研究热点，也是需要进行仿真的目的，即从仿真中发现问题从而优化算法，待测试的算法可以通过预留接口一键导入。

控制层：再做好规划决策之后，需要控制水下自主航行器在环境中运动，这就需要依据动力模型去驱动虚拟水下自主航行器在环境中的运动，由于是集群仿真，所以群体协作的方式(编队形式、协作策略)也会影响各个水下自主航行器的运动控制，群体协作也可以由用户设计。除此之外，水动力等环境干扰也会对水下自主航行器运动控制产生影响，综合这些因素最终得到了控制信号(线加速度、角加速度、编队形式等)，控制信号被传递至信息处理中心进而控制水下自主航行器在虚拟环境中进行运动。

虚拟环境子系统：此子系统旨在提供一个仿真场所，如图2所示，其包含水下自主航行器单元和环境单元两个部分，水下自主航行器单元包含传感模块(用于对环境进行感知)、能源模块(方便水下自主航行器的能量管理)、通信模块(实现控制子系统与水下自主航行器单元的数据交换)，环境单元主要是旨在建立高精度的海洋虚拟环境，地形地貌不需多言，水文参数主要是用来刻画水动力，为了方便探究水动力对水下自主航行器运动控制的影响。而电磁干扰等环境可以用来描述通信状况，便于后续分析集群之间的组网性能测试。水下自主航行器单元和环境单元之间发生交互，水下自主航行器通过所载传感器获得了有关障碍物、通信状况等感知信息，并将信息储存在信息处理中心等待调用。信息处理中心相当于数据存储、缓冲、传递的通道，虚拟子系统和决策控制子系统的通信就是依靠在信息处理中心这个场所收发信息实现的。

除了这两大子系统，还配有操作界面和显示界面，顾名思义，操作界面就是为了方便用户设置仿真参数、仿真任务的。而显示界面则保障了仿真全过程的可视化实现。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种多功能水下自主航行器集群仿真系统，其特征在于：包括操作界面、显示界面，所述操作界面和显示界面用于人机交互，设置仿真参数、仿真任务，使仿真全过程可视化实现；通过操作界面切换三种系统功能模式：设计开发模式、仿真优化模式和实测监控模式；

所述设计开发模式针对设计水下自主航行器结构、控制器、相关智能算法或其他方面的开发人员，采用模块化设计，使用者将组成水下自主航行器的任一部分替换成自己所设计的模块或算法，然后通过标准测试程序，依照测试结果对开发人员所设计的部分进行可行性分析；

当在设计开发模式下判定所设计的模型或者算法可行时，切换为所述仿真优化模式，对模型或算法进行仿真模拟，调参优化，得到最佳的模型或最优的算法；仿真优化模式实时反馈设计方案的仿真效果；

当在仿真优化模式下对所设计的算法、模型等进行优化并确定最优解之后，切换为所述实测监控模式，将设计的模型、结构、算法应用在水下自主航行器上得到最终的样机，然后进行真实海试，通过通信模块实现实时操控和监控，观测最终样机的实用性能，遇到突发情况或者是具有危险性的目标、障碍物时，转为人工操控来避免或降低风险；

所述仿真优化模式包括规划层、环境层和分析层，所述规划层具有任务调度、路径规划、群体协作功能，将待测试的算法导入到规划层，阐明复杂任务的仿真实现的内在逻辑；所述环境层用于提供一个虚拟环境，所述虚拟环境包括传统意义上的水文、地形环境信息，也包含抽象意义上的通信状况、电磁干扰环境，将水下自主航行器模型导入到环境层按照规划层的控制策略发生交互，水下自主航行器与环境之间的交互行为由分析层描述；所述分析层包括视景显示、数据面板、性能评估等，所述视景显示展示仿真模拟的全过程，数据面板显示水下自主航行器上各传感器的数值以及各种可被后续研究分析的图表，性能评估根据既定程序依照所得的仿真数据对此次的仿真做出评估，反映出所设计模块、算法的性能效果，通过不断评估，最终达到产品优化的目的；

所述仿真优化模式具体通过虚拟环境子系统和决策控制子系统来实现；

所述决策控制子系统由用户导入具体任务以及待测试算法，用来处理仿真过程中涉及到的有关调度、决策、控制操作，并生成控制信号驱动水下自主航行器在虚拟环境中做出相应的运动；

所述虚拟环境子系统用于提供仿真场所，为决策控制子系统提供水下自主航行器和环境的仿真信息；

所述决策控制子系统包括中央调度器、感知层、规划层和控制层；所述中央调度器用于将用户自定义的复杂任务标准化，通过对复杂任务进行理解，将其拆分成多个具有逻辑关系的子任务；所述感知层用于对当前的虚拟环境以及水下自主航行器状态等信息进行感知，辅助后续的一系列决策；所述规划层用于根据子任务的目标和感知到的虚拟环境信息规划出水下自主航行器的移动路径，所述规划层内设有用于供用户导入待测试算法的接口；所述控制层用于控制水下自主航行器在虚拟环境中做出相应的运动；

所述中央调度器用于将任意用户自定义的复杂任务标准化，即将复杂任务拆分成多个标准子任务，对于被拆分出来的子任务，它们可能在执行过程中高度耦合，因此中央调度器对每个子任务进行优先级排序以及中断响应分析，基于有限状态机理论，即将任意复杂任务划分成n个子任务，每个子任务被看作是一个状态，任务自身的执行与任务之间的跳转、中断等关系可以由状态图来反映；

所述控制层依据规划层做出的决策以及用户所设计的群体协作方法作用于水下自主航行器动力学模型同时也考虑到了水动力等环境干扰对运动控制产生的影响，综合以上因素得到控制信号，传递至信息处理中心进而控制水下自主航行器在虚拟环境中进行运动，所述控制信号包括线加速度、角加速度以及集群编队；

所述虚拟环境子系统包括水下自主航行器单元、环境单元和信息处理中心，所述水下自主航行器单元包括用于对环境进行感知的传感模块、用于能量管理的能源模块、用于实现决策控制子系统与水下自主航行器单元数据交换的通信模块；所述环境单元用于建立海洋虚拟环境，包括设置地形地貌、水文参数和通信电磁干扰等等；所述水下自主航行器单元与环境单元发生交互，并将信息储存在所述信息处理中心等待决策控制子系统调用。