CN114721298A

CN114721298A - 一种小型无人船的虚拟仿真控制系统

Info

Publication number: CN114721298A
Application number: CN202210643104.9A
Authority: CN
Inventors: 杨睿; 吴格非; 姚鹏; 于辉; 李华军; 黎明; 杜君峰
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2022-07-08

Abstract

本发明涉及船舶控制技术领域，公开一种小型无人船的虚拟仿真控制系统，包括：场景建立模块，其在Unity3D软件中建立虚拟场景；视角切换模块，其切换船体观测视角；浮力模拟模块，其构建船体所受浮力；推进器模块，船体的附加质量力和多个自由度上的阻尼力分别施加至推进器模块；模型建立模块，其建立船体的数学模型及在Unity3D软件中建立船体的物理模型；控制器模块，其接收船体实时反馈的位置和目标航点并输出控制信号，使推进器模块输出推力；在航行轨迹上依次设置多个目标航点，控制器模块能够控制船体在满足控制精度时依次到达多个目标航点。本发明能够虚拟仿真无人船的航行轨迹，用于验证船体设计、控制器模块设计的有效性。

Description

一种小型无人船的虚拟仿真控制系统

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种小型无人船的虚拟仿真控制系统。

背景技术

为了更好地探索海洋，开发和利用海洋资源，海洋无人船都在向着无人化、智能化的方向发展。相比普通的载人船舶，小型无人船的优势主要有以下几个方面：（1）体积小，能耗低，行动灵活，既可以前往远海执行任务，也可以在浅滩、河道等特殊地形开展作业；（2）自主性高，不需要依赖船员，仅需很少的人进行远程控制，可以保障人员安全，能在恶劣的环境中进行长时间作业；（3）操作精度高，抗干扰能力强，可以减少由人工操作造成的失误。

测试无人船设计的合理性以及控制性能最直观的方法就是下水试验，但是由于海洋工程设备作业环境特殊，难以寻找合适的试验场地；设备造价通常较为昂贵，在技术不成熟或未知水况的情况下进行下水试验难以保证设备的安全性，甚至会损坏设备，造成经济损失；而且海洋工程设备陆地机动性差，不便搬运，尤其是大型设备，如大型船只、浮台等，每次测试都需要投入大量的人力财力。

因此，寻找一种低成本、低风险、方便快速又能充分满足测试需求的方法对小型无人船的发展有着重要意义。

发明内容

为了解决如上技术问题，本发明的实施例提供一种小型无人船的虚拟仿真控制系统，能够在小型无人船设备测试阶段模拟真实水环境条件，验证船体设计合理性；能够仿真测试小型无人船的控制器模块的性能，验证控制器模块设计的正确性，以及能够通过观测视角对小型无人船控制效果展示，可视化且直观性好。

为实现上述发明，本发明采用下述技术方案予以实现：

本申请涉及一种小型无人船的虚拟仿真控制系统，其特征在于，包括：场景部分和控制部分；

所述场景部分包括：

场景建立模块，其用于在Unity3D软件中建立虚拟场景；

视角切换模块，其用能够切换船体观测视角；

浮力模拟模块，其用于构建船体所受浮力；

推进器模块，船体的附加质量力和多个自由度上的阻尼力分别施加至所述推进器模块；

所述控制部分包括：

模型建立模块，其用于建立船体的数学模型及在Unity3D软件中建立船体的物理模型；

控制器模块，其接收船体实时反馈的位置和目标航点，并输出控制信号至所述推进器模块，使所述推进器模块输出推力；

其中，在航行轨迹上依次设置多个目标航点，所述控制器模块能够控制船体在满足控制精度时依次到达多个目标航点。

在本申请中，基于船体的非线性运动学模型和动力学模型，建立所述船体的数学模型；船体的非线性运动学模型和动力学模型为：

；

其中，

是船体在大地坐标系下的位置向量，x、y和

分别表示为纵荡位移、横荡位移和艏摇角度，

是随船坐标系下的速度向量，

、

和

分别表示纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，τ为控制量且表示推进器模块的推力，M_RB是船体惯性矩阵，M_A是船体附加质量矩阵，

是线性水阻尼矩阵，

是大地坐标系到随船坐标系转换时的坐标转换矩阵，满足：

；

其中，无人船为长度1米至5米的小型过驱动无人船。

在本申请中，船体自由度上的阻尼力通过如下方式获取：

通过有限元流体分析方式，获取船体在所述自由度下运动时，不同航速下的阻尼力；

拟合所述自由度下，不同航速和不同阻尼力之间的关系，建立阻尼公式；

根据所述自由度下的阻尼公式和航速，获取所述自由度下的阻尼力。

在本申请中，所述观测视角包括：

跟随视角，在所述跟随视角下，显示屏幕自动跟随无人船，晃动鼠标转换观测角度；

第一人称视角，其为无人船前端观测视角；

自由视角，在所述自由视角下，能够随意移动显示屏幕所显示的区域，用于虚拟仿真场景漫游。

在本申请中，所述场景部分还包括地图模块，其用于设置目标航点。

在本申请中，船体所受浮力采用如下方式获取：

将船体的物理模型划分为若干个三角网格；

获取完全位于水下的三角网格的面积；

获取三角网格的一部分位于水下的面积；

根据

，计算所获取到的所有面积所受到的竖直向上的分量之和，以获取船体所受浮力；

其中，

为Unity3D软件中Vector3类型的变量，表示水下某个面积dS所受到的xyz三个方向的静水压力，ρ为液体的密度，g为重力加速度，h为水下面积中心到水面的距离，

也是Vector3类型的变量，表示在面积法线方向上的单位向量。

在本申请中，所述控制器模块选择为PI控制器、PID控制器和PD控制器中任一个。

本申请提供的小型无人船的虚拟仿真控制系统，具有如下有益效果和优点：

（1）通过场景建立模块实现虚拟场景建立，模拟真实的水环境条件，且结合模型建立模块、推进器模块和浮力模拟模块，能够在小型无人船测试阶段模拟无人船在水中的航行情况，验证船体设计的合理性；

（2）该虚拟仿真控制系统能够对无人船的控制器模块进行仿真航行，验证控制器模块设计的正确性；

（3）能够通过视角切换模块，对小型无人船控制效果进行直观展示，避免了操作不熟练、控制器模块参数不准确等因素造成的真实设备损坏。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提出的小型无人船的虚拟仿真控制系统一实施例的原理框图；

图2是本发明提出的小型无人船的虚拟仿真控制系统一实施例的闭环控制系统框图；

图3是本发明提出的小型无人船的虚拟仿真控制系统实施例虚拟仿真浮力实现的示意图；

其中，图3中（a）示出水下部分为三角形的三角网格，图3中（b）示出水下部分为四边形的三角网格；

图4是本发明提出的小型无人船的虚拟仿真控制系统实施例进行闭环控制系统流程图；

图5是采用PID控制器的无人船实际定点航行轨迹的功能效果仿真图；

图6是为本发明提出的小型无人船的虚拟仿真控制系统实施例中PID控制器的无人船虚拟定点航行轨迹的功能效果仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请涉及一种小型无人船的虚拟仿真控制系统，能够实现对无人船及控制器模块设计提前做仿真测试，避免在技术不成熟或未知水况情况下进行下水试验所带来的各种隐患（例如，安全性、设备损坏、经济损失）。

本申请中涉及的无人船为长度1米至5米的小型过驱动无人船，其中过驱动指的是能在多个自由度上灵活运动。

参见图1，其示出本申请的虚拟仿真控制系统的原理框图。

该虚拟仿真控制系统包括场景部分和控制部分。

其中场景部分包括场景建立模块、视角切换模块、浮力模拟模块、推进器模块。

其中控制部分包括模型建立模块和控制器模块。

该虚拟仿真控制器依赖于Unity3D软件来实现。

场景建立模块是用于对周边环境（例如，地形、天空、建筑）建模，形成虚拟仿真系统中的场景部分。

视角切换模块来实现船体观测视角的切换，下文具体描述。

模型建立模块用于建立船体的数学模型及在Unity3D软件中建立船体的物理模型，其中船体的物理模型的参数可以包括尺寸、质量、形状等。

此外，还会通过浮力模拟模块对船体所受浮力进行模拟，下文具体描述。

在本申请中，通过对真实无人船进行运动学和动力学分析，然后辨识物理参数，获取非线性的数学模型。

因此，基于船体的非线性运动学模型和动力学模型，建立如上数学模型。

首先，船体的非线性运动学模型和动力学模型表示如下：

。

其中，

是无人船在大地坐标系下的位置向量，x、y和

分别表示为纵荡位移、横荡位移和艏摇角度，

是随船坐标系下的速度向量，

、

和

分别表示纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，τ为控制量且表示推进器模块的推力，M_RB是船体惯性矩阵，M_A是船体附加质量矩阵，C_RB和C_A为描述科氏力的矩阵，

是无人船的回复力，

是线性水阻尼矩阵，

是无人船外部的干扰力（例如海洋环境对无人船的海洋干扰力），

是水动力的合外力，

是大地坐标系到随船坐标系转换时的坐标转换矩阵，满足：

。

由无人船运动学可知，

表示位置向量在大地坐标系向随船坐标系转换时的转换矩阵，用欧拉角

，

和

表示，

为横摇角度，

为纵摇角度，

为艏摇角度，转换矩阵如下式所示：

。

由于无人船的三自由度运动不考虑横摇与纵摇，因此

和

的期望值始终为0，故上式可简化为下式：

。

由于无人船航行速度（简称航速）较低，因此，科氏力可忽略不计；且由于无人船的控制方向没有横摇与纵摇，因此，回复力可不考虑。

因此，在忽略科氏力和回复力、及环境扰力

和

后，船体的非线性运动学模型和动力学模型简化如下：

。

如此，能够获取到无人船的数学模型。

通过对虚拟仿真控制系统中无人船的数学模型的推进器模块施加不同方向的力，实现输出横荡、纵荡和艏摇方向上的推力（或力矩）τ。

由于真实无人船的实际推进器输出的推力具有上限，因此，根据无人船的实际推进器的推力对虚拟仿真控制系统中的推力τ进行限幅，以达到与真实无人船相同的极限推力τ。

控制器模块接收船体实时反馈的位置和目标航点，向推进器模块输出控制信号，从而控制推进器模块输出推力τ，从而作用至无人船上，实现无人船的驱动。

控制器模块可以选择PI控制器、PD控制器和PID控制器中任一个，或者控制器模块可以为其他基于模块的控制器。

在本申请中，控制器模块选择PID控制器。

图2示出虚拟仿真控制系统的闭环控制系统框图。

参见图2，描述PID控制器的模型：

；

e(t)=r(t)-c(t)。

其中，r(t)表示目标航点处的状态量，c(t)表示无人船的当前状态量，e(t)表示目标航点处状态量与无人船的当前位置处状态量之间的偏差，u(t)表示PID控制器计算的输出至无人船的推进器模块的控制信号。

K_p、K_i和K_d分别是PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，该些系数是预设的。

需要说明的是，此处的状态量可以表示距离或角度（例如艏摇角度）。

当状态量选择距离时，偏差e(t)表示目标航点处的位置与无人船的当前位置之间的距离偏差。

当状态量选择角度时，偏差e(t)表示目标航点处角度和无人船的当前位置的当前角度之间的角度偏差。

τ是PID在控制信号u(t)的控制下推进器模块输出的推力/力矩。

其中，此处的距离偏差和角度偏差可以分别通过Unity3D中的内置函数Vector3.Distance和Vector3.Angle获取。

此外，在虚拟仿真世界中，还会考虑将附加质量力F_M和在多个自由度上的阻尼力f施加至推进器模块。

附加质量力F_M体现在对无人船加速减速运动的阻碍作用上，因此在处理时将其体现为与加速度成线性关系的阻尼力，施加方向与无人船加速度方向相反：

F_M=M_A*a。

其中，无人船的加速度a可以通过Unity3D软件中的内嵌函数获取。

在本申请中，船体的自由度可以包括横荡、纵荡、艏摇三个自由度。

通过分别获取不同自由度上的阻尼公式，来获取船体在该自由度上的阻尼力。

如下，以船体某一自由度（例如，横荡）上的阻尼力的获取为例进行说明。

（1）通过有限元流体的分析方式，获取船体在该自由度下运动时，不同航速下的阻尼力。

具体地采用有限元流体计算软件ANSYS-CFX计算和实验验证的方法获取无人船在该自由度下运动时，不同航速下的阻尼力。

如此可获取到在该自由度下的多组数据，每组数据包含航速和对应的阻尼力。

（2）拟合该自由度下，不同航速和不同阻尼力之间的关系，建立阻尼公式。

根据（1）中获取到的多组数据，拟合表示航速和阻尼力之间关系的阻尼公式，以在某个航速下，能够利用该阻尼公式获取对应该航速的阻尼力。

（3）根据自由度下的阻尼公式和航速，获取该自由度下的阻尼力。

如此，就能够获取到在该自由度下，对应某个航速的阻尼力。

更换自由度（例如更换至纵荡），则可以获取到在所更换的自由度下的阻尼公式。

根据各个自由度的阻尼公式，来为无人船的各个自由度运动添加阻尼力。

阻尼力（记为f）可以作为推力/力矩的负作用施加在无人船的推进器模块上，施加方向与当前无人船的运动方向相反。

因此，施加在推进器模块上的合力F表示如下：

F=τ+f+F_M。

船体考虑浮力，参见图3，其示出浮力模拟模块对浮力进行模拟的示意图。

浮力计算采用表面压力法，当物体浸没在流体中时，流体会在物体表面施加压力，水平方向上的压力会相互抵消，物体受到的浮力就等于物体上下表面的压力差，对于无人船而言就是水下部分的表面受到的向上的压力，在Unity3D中该表面压力法的浮力公式如下式所示：

。

其中，

也是Vector3类型的变量，表示在面积法线方向上的单位向量，用于计算xyz方向上的的分量。

无人船的三维物理模型是由大大小小的三角形网格拼接而成，因此可以实时计算位于水下（即，水面以下）的每个网格的面积受到的静水压力，取其竖直向上的分量并求和就能得到不断更新的无人船的浮力。

除了完全浸没水中的三角网格和完全在水上（即，水面以上）的三角网格之外，也会出现三角网格的一部分位于水面以下的情况，如果将其完全纳入水面以下或者完全不考虑的话，会造成无人船浮力的跳变，影响虚拟仿真的效果。

因此，为了让无人船的浮力在任何时刻都能够平滑地变化，需要对部分位于水面以下的这类三角网格使用分割算法进行处理，将其分割为水面以下部分和水面以上部分。

图3中示出模拟一个三角网格HML的浮力的示意图。

如下，针对模拟一个三角网格HML的浮力进行示例说明。

首先，需要对三角网格的三个顶点H、M和L按照高度从高到低进行排序，分别记为H、M、L；然后，根据三个顶点到水面距离的正负情况，分两种情况进行分割。

参见图3中（a），其示出第一种情况。

其中，两个顶点H、M在水面以上（即顶点至水面的距离h_H、h_M为正），一个顶点L在水面以下（即顶点至水面的距离h_L为负），此时水面以下部分为三角形，求得三角网格HML与水面的交点J_H、J_M的三维坐标即可，计算如下。

首先，计算出中间量

和

，即，

，

。

然后，利用中间量

和

，计算交点J_H、J_M的三维坐标：

，

。

其中，点J_H、J_M均表示三维坐标，如此，可以获取三角形△J_HJ_ML。

此种情况下所获取的三角形集合记为A，并可以将此三角形集合A计入列表。

参见图3中（b），其示出第二种情况。

其中，一个顶点H在水面以上（即顶点至水面的距离h_H为正）），两个顶点M、L在水面以下（顶点至水面的距离h_M、h_L为负），此时水面以下部分为四边形，如上所述的，可以求得三角网格HML与水面的交点I_M、I_L的三维坐标。

之后，再将水面以下的四边形I_MI_LLM分为三角形△I_MI_LM和三角形△I_LML。

此种情况下所获取的三角形集合记为B，并可以将此三角形集合B计入列表。

因此，列表中包含有：完全位于水面以下的三角形、部分位于水面以下的三角网格中位于水面以下的所有三角形（即，三角形集合A和三角形集合B）。

已知列表中各个三角形的顶点的三维坐标，因此，可以获取到各个三角形的面积。

根据公式

，计算所获取到的所有面积所受到的竖直向上的分量之和，以获取船体所受浮力。

如此，即可实现对浮力的模拟，其中船体所受浮力记为f_浮。

如上对浮力的模拟、对推进器模块上施加的阻尼力、推力及附加质量力均需要实时计算。

在本申请中，为了验证控制器模块对无人船的航行轨迹控制，可以在无人船的航行轨迹上设置有多个不同的目标航点，控制器模块能够控制船体在满足控制精度的情况下依次到达多个目标航点，从而验证控制器模块的设计合理性。

控制精度可以由用户自定义。

可以选择船体当前位置和目标航点之间的距离偏差在例如大于0m且小于0.5m的范围内（即，船体当前位置和目标航点之间的距离偏差在大于0m且小于0.5m内）时，可认为满足控制精度，否则，可认为不满足控制精度。

也可以选择船体当前位置的当前角度和目标航点的角度之间的角度偏差在例如大于0°且小于5°的范围内（即，船体当前位置的当前角度和目标航点的角度之间的角度偏差在大于0°且小于5°内）时，可认为满足控制精度，否则，可认为不满足控制精度。

在本申请中，目标航点的设置可以通过地图模块（参见图1中虚框）手动设定。

通过点击地图模块，可以设置目标航点，具体是通过获取鼠标点击屏幕的坐标与虚拟仿真世界中的坐标进行对应，就能实现在虚拟仿真世界中设置目标航点。

通过设置多个目标航点及多个目标航点的先后顺序，控制船体按照多个目标航点形成的航行轨迹航行。

参见图4，其示出虚拟仿真控制系统进行闭环控制的流程图，具体描述如下：

S1：生成目标航点。

地图模块能够显示在显示屏幕上，通过鼠标点击地图模块上的点来设置虚拟仿真世界中船体的目标航点，以生成目标航点。

S2：更新目标航点。

设置好目标航点后，更新目标航点。

S3：实时计算船体当前状态量和目标航点处状态量之间的偏差e(t)。

此处的状态量可以表示距离或角度（例如艏摇角度）。

在状态量选择距离时，计算船体当前位置和目标航点处位置之间的距离偏差。

在状态量选择角度时，计算船体当前角度和目标航点处角度之间的角度偏差。

控制器模块根据偏差e(t)控制船体朝向目标航点行进，并在行进过程中实时获取船体当前状态量并实时计算偏差e(t)。

在船体行进过程中，通过对无人船当前朝向的向量和无人船到目标航点的向量作叉乘运算，得到的叉积xYaw取垂直方向xYaw.y判断正负，就可以判断出无人船该顺时针转向还是逆时针转向。

S4：实时计算施加至推进器模块上的推力、阻尼力和附加质量力。

控制器模块根据其PID控制器，能够通过所输入的偏差e(t)，向推进器模块输出控制信号u(t)，以使推进器模块输出推力τ。

且在各个自由度下根据船体的航速，计算对应的阻尼力f。

根据船体的加速度，计算附加质量力F_M。

S5：判断偏差e(t)是否满足控制精度，若否，返回至S3，若是，进行到S6。

即，若距离偏差位于大于0m且小于0.5m的范围内时，表示满足控制精度，否则，返回至S3，实时计算距离偏差，直至满足控制精度。

即，若角度偏差位于大于0°且小于5°的范围内时，表示满足控制精度，否则，返回至S3，实时计算角度偏差，直至满足控制精度。

S6：判断目标航点是否是最后一个，若是，进行到S7，若否，返回至S2。

当前一个目标航点已到达，会自动切换至下一目标航点，当所有目标航点全部被经过时结束任务。

S7：结束任务。

图5为采用PID控制器的无人船实际定点航行轨迹，其中横轴表示经度，纵轴表示纬度。

图6为虚拟仿真控制系统内PID控制器的无人船虚拟定点航行轨迹。

从图5和图6中可以看出，虽然由于外界环境的干扰和GPS精度的限制，无人船的实际运动曲线不够平滑，但是无人船能够在PID控制器的控制下按照规划的航行轨迹自主行驶，无人船轨迹距离目标航点的最大误差为50cm左右，在所设计的控制精度之内，如此，验证了无人船设计的合理性和PID控制器设计的准确性。

在Unity 3D的显示界面（未示出）上，左上方为菜单区域，包括视角选项、功能选项和保存选项，在视角选项下可以选择观测视角，具体可以由视角切换模块来实现观测视角切换；正上方为时间日期显示栏；右上方为所显示的地图模块，左下方能够显示无人船的参数显示区域，包括当前速度、当前角速度、当前位置、当前姿态及目标航点等，这些参数能够通过Unity 3D中自带函数获取。

其中，在图6中示出的当前位置是图5中经纬度所转换后的屏幕坐标。

如上所述的观测视角包括跟随视角、第一人称视角和自由视角。

默认为跟随视角，显示屏幕自动跟随无人船，晃动鼠标可以转换观察角度，滑动鼠标滚轮可以调节观察距离远近。

第一人称视角为无人船前端摄像头视角，代表无人船观测的结果。

自由视角可以随意移动显示屏幕所显示的区域，可用于虚拟仿真场景漫游。

功能选项包括控制器模式，通过点击功能选项选择控制器模式，就能进入控制器模式界面，即，如上所述的对无人船的虚拟仿真控制。

点击保存选项，该控制系统能够将无人船的各个参数保存为Excel文件，以便后续对比分析。

本申请中的虚拟仿真控制系统能够采用某小型无人船作为实施例，首先对无人船进行运动学和动力学分析，通过参数辨识方法，获取其多自由度数学模型，从而方便对无人船进行虚拟仿真设计。

此外，根据小型无人船的数学模型设计控制器模块，且使用Unity 3D软件搭建虚拟仿真控制系统，设计虚拟仿真控制系统的功能与结构，对无人船模型进行虚拟仿真实验，测试PID控制器的性能。

最后对无人船实物进行下水测试，对比验证虚拟仿真控制系统的真实性及有效性，从而确保虚拟仿真的无人船的设计及PID控制器设计的有效性及准确性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。