CN115587462A - 一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自主水下机器人的单机网络综合仿真系统，包括在便携式计算机中设置虚拟机，在虚拟机中运行航行控制软件实际工作时所需的操作系统，在操作系统中运行航行控制系统软件，在同一台计算机中运行岸基支持系统软件及虚拟仿真系统软件，实现水下机器人工作状态的高等效性综合仿真。本发明可在同一台计算机上完成水下机器人全任务流程的多软件综合仿真，且仿真后的软件与实际系统中运行的软件具有极大的一致性，且全系统具有极大的便携性。本发明为保证水下机器人航行控制系统软件和岸基支持系统软件的正确性和可靠性提供了有效的验证手段，能够极大的提高开发效率、降低开发成本、缩短设备试验周期。

Description

一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统

技术领域

本发明涉及水下机器人控制仿真技术领域，具体的说是一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统。

背景技术

自主水下机器人仿真方法一般包括半物理、全数字或兼容半物理/全数字仿真方式。半物理仿真系统体积通常较大、携带不便。全数字仿真具有便携性、但通常与实际系统具有一定差异性，仿真后无法直接快速部署应用。针对以上两方面缺点出现了兼容半物理/全数字的仿真方法，但该方法仍然需要一定量的计算机、网络线缆及交换机等，且该方法只针对控制系统软件进行仿真，一般不对岸基支持系统的仿真，同时该方法中控制系统软件如有修改一般需要在上位机进行交叉编译，将编译后的可执行程序下载到控制系统硬件板卡内并重新启动板卡，仿真过程较为繁琐。

发明内容

为了克服目前自主水下机器人仿真方法的不足，本专利提供了一种用于自主水下机器人的单机网络综合仿真系统，用于自主水下机器人控制系统及岸基支持系统的综合仿真，具有便携性、一致性及快速部署应用的特点。

本专利采用的技术方案是：一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，在同一台计算机中配置虚拟机，设置嵌入式操作系统用于加载编译并运行航行控制系统软件，在本机操作系统中配置虚拟仿真系统软件、航行控制系统软件、岸基支持系统软件；

所述虚拟仿真系统软件，用于仿真计算水下机器人位姿、轨迹、设备状态信息、海洋环境信息，根据需求配置水下设备/传感器仿真模块的仿真参数，配置水下环境参数以及水下机器人初始位姿；

所述航行控制系统软件，用于根据航行任务编译代码并发送给虚拟机；用于解析岸基站航行任务生成控制信息控制虚拟仿真系统软件中的设备/传感器仿真模块进行航行仿真，以及采集位姿及设备状态信息；

所述岸基支持系统软件，包括控制部与显示部，所述控制部用于设置航行任务及接受水下机器人位姿及设备状态信息，所述显示部用于记录及显示水下机器人位姿、轨迹、设备状态信息。

还包括配置虚拟机网络通信环境并设置虚拟网卡，用于本机操作系统和虚拟机操作系统间网络通信。

虚拟仿真系统软件包括：

功能层、包括：水动力模拟模块、故障模拟模块、参数配置模块、人机交互界面模块；所述水动力模拟模块，通过接口适配层接收岸基站的控制信息，执行水动力模拟计算，根据计算结果输出指令控制虚拟设备层中的设备/传感器仿真模块；所述故障模拟模块，用于通过人机交互界面的故障模拟设置界面配置故障信息，将配置的故障信息发送给虚拟设备层中相关设备/传感器仿真模块；所述参数配置模块，用于根据需求配置仿真参数，包括水下机器人初始位置和航向、海流流向和大小；所述人机交互界面模块，用于显示水动力计算结果信息和控制界面信息；

虚拟设备层，包括设备/传感器仿真模块，用于模拟仿真现场设备参数，以及上传设备状态信息；

接口适配层，用于根据不同接口对数据进行格式转换，与虚拟仿真软件和虚拟机进行通信。

所述故障信息包括设备通信故障、数据异常故障。

所述航行控制系统软件包括：

使命任务层，包括设置使命任务并分解、健康状态在线监视、故障在线处理、人机交互接口数据；控制系统软件的使命任务层，接收岸基站发送的仿真使命任务及相关参数配置文件并执行仿真使命任务，生成控制信息发送给设备驱动层；

行为执行层，用于执行实际的任务控制、自主航行控制、数据采集；

设备驱动层，用于对虚拟仿真系统软件的传感器及设备数据的接收解析、设备配置控制、开关控制；接收使命任务层的控制信息，并封装成相应数据格式转发给虚拟仿真系统软件。

所述设备驱动层还包括接口适配功能模块，用于在网络仿真模式下自定义协议以及在实际工作环境中利用接口协议的转换建立水下机器人航行控制系统与水下机器人被操控设备的通讯连接；是采用宏定义来切换仿真与与实际模式。

所述岸基支持系统软件的控制部包括：

设备检测模块，用于生成设备检测指令对水下机器人的设备/传感器模块进行硬检检测；

使命生成及参数预置模块，用于设置航行任务，生成相应使命任务文件和参数配置文件发送至控制系统软件中；

及接收水下机器人位姿及设备状态信息；

人工在线遥控控制模块，用于设置人为遥控指令；包括使命任务的在线下达、水面在线操控指令；

自主航行在线控制模块，用于执行自主航行任务；

应急控制模块，用于设置应急指令，包括报警、停机指令。

所述岸基支持系统软件的显示部包括：

地图操作及轨迹显示模块，用于结合海图显示水下机器人的运动轨迹、位置、姿态、状态等信息；

状态位置信息显示模块，用于在界面上显示水下机器人的位姿信息；

数据记录模块，用于记录数据；

数据解析及轨迹回放模块，用于使命执行完毕后记录数据并生成水下机器人的轨迹回放视频。

所述岸基支持系统软件还设置串口通信、网络通信信道与水下机器人控制系统软件进行通信。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本方法采用一台计算机即可实现水下机器人全任务流程的网络化综合系统，包括控制系统软件和岸基支持系统软件的全面仿真验证。且控制系统软件在虚拟机中进行编译后即可直接进行仿真或实际使用，具有极大的便携性和高效性。

2.本方法中使用的控制系统软件只需要经过宏定义的重编译即可快速部署应用到实际的水下机器人控制系统中。本方法中使用岸基支持系统软件同样只需要经过宏定义的重编译即可快速部署应用到实际的岸基支持系统中。具有极大的等效性。

3.该方法无需接入外部网络环境。本机操作系统与虚拟机操作系统之间通过虚拟网络环境通信。本机内部各软件间通过单机IP地址进行通信。

4.通常一般控制系统软件可执行文件重编译后需通过下载器下载到控制板卡中并使用重新上电启动等方式进行引导，流程较为繁琐。该仿真系统中，控制系统软件编译生成可执行文件后，在虚拟机环境中使用一条指令即可重新引导控制程序重新运行，高效便捷。

5.本方法简单可行、工作稳定可靠。能够提高开发效率、降低开发成本、缩短设备试验周期。

附图说明

图1是自主水下机器人网络综合仿真系统总体结构图；

图2是自主水下机器人网络综合仿真系统软件逻辑结构图；

图3是虚拟仿真系统软件总体结构图；

图4是岸基支持系统软件总体结构图；

图5是控制系统软件的结构图；

图6是综合仿真系统仿真流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题，技术方案和优点更加清楚，下面将结合相关附图进行详细描述。

如图1所示，在一台便携式计算机中设置虚拟机，在虚拟机中运行航行控制软件实际工作时所需的嵌入式操作系统，在操作系统中运行航行控制系统软件。配置虚拟机网络通信环境并设置虚拟网卡，用于本机操作系统和虚拟机操作系统间的网络通信。控制系统软件采用分层次设计方法，控制系统软件在仿真和实际工作中，唯一差别在于数据传输接口和部分传输协议，通过设置接口适配层来适配仿真模式和实际模式，在软件设计中采用宏定义的方法来切换仿真与实际模式，只需要更改宏定义并重编译即可实际应用。如图2所示，为了更高效的编辑控制系统软件源代码，编辑过程可以在本机操作系统中使用任意文本编辑器完成，通过设置共享文件的方式，将控制系统软件源代码共享至虚拟机嵌入式操作系统中并进行代码的编译、连接及生成可执行文件并执行。

1.虚拟仿真系统软件的分层设计

如图3所示，虚拟仿真系统软件分为功能层、虚拟设备层和接口适配层3个层次。功能层包括水动力模拟、故障模拟、参数配置、人机交互界面等几个部分。

水动力模拟部分直接接收虚拟设备层的控制信息(来源于控制系统软件)，开始水动力模拟计算并将计算结果下发给虚拟设备层中的各个虚拟设备。人机交互界面设计故障模拟设置界面，模拟设备可能发生的故障如设备通信故障、数据异常故障等，配置的故障信息发送给虚拟设备层中相关设备/传感器。参数配置包括仿真系统所需初始信息和仿真规则等，如设置水下机器人初始位置航向、海流流向和大小等。人机交互主要显示水动力计算结果信息和控制界面信息等。

虚拟设备层模拟实际设备/传感器的工作机制和数据协议，生成相应设备/传感器的数据集和受控方法。通过接口适配层接收虚拟机内航行控制系统软件发送的控制信息并发送给功能层中的水动力模拟部分进行水动力计算，计算结果参数包括姿态、位置、深度、高度等信息。同时，虚拟设备层接收水动力模拟计算的结果并封装到各个虚拟设备/传感器数据集中，通过接口适配层发送给虚拟机内的航行控制系统软件和岸基支持系统软件。

接口适配层功能包括两个方面，第一、实现网络通信功能，通过设置多个通信信道实现对外部的通信，仿真时对不同虚拟设备分配特定IP和端口号；第二、实现仿真和实际接口不同通信机制和协议的底层转换。实际设备/传感器通信接口包括网口、串口、CAN总线、IO接口等，而仿真只使用网络通信。对于网口设备/传感器，仿真和实际差别在于IP地址和端口号的不同，其他部分相同。串口设备/传感器仿真时使用在接口适配层网络通信而实际使用串口通信，其他部分相同。

对CAN总线设备和IO模块需要进行接口数据格式转换。实际CAN总线设备/传感器工作时发送CAN格式数据包到CAN总线上，接收端按照特定的CAN格式数据包进行数据解析。

在仿真时，虚拟仿真软件发送CAN数据时，接口适配层CAN总线模块将需要发送的CAN总线数据组成自定义格式数据包发送给控制系统软件，控制系统软件的接口适配层接收到这些数据包以后，将这些自定义数据格式的数据包转换成CAN总线数据格式发送给设备驱动层的CAN总线模块，控制系统软件设备驱动层就能够无差别的解析实际CAN数据包或仿真CAN数据包，控制系统软件本部分代码具有高度一致性。

在仿真时，虚拟仿真软件接收控制系统软件CAN数据时，在控制系统软件的设备驱动层中按照CAN数据包格式组包并发送给接口适配层，在接口适配层中将CAN数据包转换成自定义格式数据包并发送给虚拟仿真软件的接口适配层，虚拟仿真软件的接口适配层直接将接收到的自定义数据包发送给设备驱动层的CAN模块，在该模块中进行数据的解析。IO模块数据流向和转换方式基本一致。2.使用面向对象方法设计岸基支持系统软件

如图4所示，岸基支持系统软件采用面向对象编程方法，实际系统应用时使用串口通信，仿真系统中使用网络通信方式。岸基支持系统软件与外界通信包括3中类型信道，无线电、卫星和网络。实际工作时，岸基支持系统软件通过这三种通信信道直接与水下机器人控制系统进行通信。仿真时，在虚拟仿真软件中模拟了虚拟无线电设备、虚拟卫星设备和虚拟网络设备，岸基支持系统软件通过虚拟仿真软件中的这三类通信模块与水下机器人控制系统软件进行通信。仿真和实际除了通信接口不同外，协议解析方法及其他功能完全一致。仿真过程中，岸基支持系统软件和虚拟仿真系统软件运行于同一台计算机操作系统下，二者使用本机测试IP地址进行通信。

岸基支持系统软件功能分为两个部分控制和显示。仿真开始前岸基支持系统软件对水下机器人安装的设备/传感器进行硬检检测，确保设备/传感器工作正常。根据任务规划生成相应使命任务文件和参数配置文件下载到控制系统软件中。水下机器人开始执行使命任务后，还可以在线进行控制，包括使命任务的在线下达、水面在线操控及相关应急控制等。同时岸基支持系统软件接收不同信道回传的位置、姿态、状态等信息，分别使用海图、数值等方式进行显示。水下机器人使命执行完毕使用记录的数据进行数据回放。

3.控制系统软件设计

如图5所示，将水下机器人控制系统软件从软件功能逻辑上分为3个层次，分别为使命任务层、行为执行层及设备驱动层。使命任务层包括使命任务获取分解、健康状态在线监视、故障在线处理、人机交互接口等功能。行为执行层包括任务执行、自主航行控制、数据采集等功能。设备驱动层负责传感器及设备数据接收解析、设备配置控制、开关控制等。对于实际工作模式和仿真模式，水下机器人控制系统软件区别在于设备驱动层。在网络仿真模式下，软件中开放接口适配功能。接口适配主要功能为仿真时网络自定义协议与实际使用接口协议的转换。

例如CAN数据包协议与自定义传输协议的转换等。

4.单机网络综合仿真系统构建

本系统所需硬件包括一台计算机，软件包括虚拟仿真系统软件、航行控制系统软件和岸基支持系统软件等软件。在单台便携式计算机中设置虚拟机，在虚拟机中运行航行控制软件实际工作时所需的嵌入式操作系统，在操作系统中运行航行控制系统软件。配置虚拟机网络通信环境并设置虚拟网卡，用于控制系统软件和虚拟仿真系统软件间通信。

首先岸基支持系统软件生成使命任务及相关参数配置文件，通过虚拟仿真软件配置到控制系统软件中。控制系统软件开始执行仿真使命任务，生成控制信息发送给相应的本软件中的设备驱动层，设备驱动层经过控制信息封装成相应数据格式后发送给接口适配层，接口适配层根据不同接口进行数据格式转换并发送给虚拟仿真软件的接口适配层，进行数据格式转换后上传给虚拟设备层，虚拟设备层进行数据解析并上传给水动力模拟模块进行水动力计算，将计算结果发送给虚拟设备层各个设备，虚拟设备层各个虚拟设备根据工作协议生成数据包并下发给接口适配层，接口适配层进行相应协议格式转换发送给虚拟机中的控制系统软件的接口适配层，进行数据格式转换后上传给设备驱动层，经过处理将数据信息传输给控制系统软件高层，高层进行智能闭环控制。与此同时，控制系统软件周期性发送状态位置数据包，通过虚拟仿真系统软件发送给岸基支持系统软件进行信息解析、存储及数值显示、海图显示等，当需要下达控制命令时，岸基支持系统软件通过虚拟仿真软件发送给控制系统软件。以上过程周期性运行完成整个系统的仿真工作。

5.综合仿真系统仿真步骤

如图6所示，具体仿真步骤如下，

(1)启动虚拟仿真系统软件并配置初始化参数。

(2)在本机系统中编辑控制系统软件源代码，通过共享文件夹形式将源代码共享给虚拟机中的嵌入式操作系统，在嵌入式操作系统中进行代码编译与连接生成可执行文件，运行该可执行文件。

(3)启动岸基支持系统软件并初始化配置参数。

(4)使用岸基支持系统软件对控制系统进行设备及传感器的检测、使命任务脚本文件的生成及下载校验、参数及故障策略的生成及下载。

(5)使用岸基支持系统软件对控制系统软件下达开始工作指令，控制系统软件开始执行任务使命。

(6)在此过程中，虚拟仿真系统软件不断模拟各个设备传感器生成数据、同时接收控制系统软件发送的执行指令，水动力模拟模块进行迭代计算，周期性输出水下机器人的各种姿态状态信息，各个虚拟设备将这些姿态状态信息进行格式封装及协议适配，通过网络接口不断的发送给控制系统软件，实现仿真闭环。

(7)在此过程中，岸基支持系统软件不断接收由虚拟仿真系统软件中的控制系统软件发送的位置、状态等信息，进行数值、海图、仪表等形式的显示。同时根据任务执行状态可进行不同人为干预处理。此过程与实际工作过程一致。

(8)任务结束后，下载仿真数据到本机文件夹下，可使用岸基支持系统软件进行数据分析和轨迹回放。

(9)步骤(1)-(8)过程形成一个闭环仿真全过程。

(10)单次任务仿真结束后，更改岸基支持系统软件和控制系统软件仿真模式与实际模式切换控制宏定义，重新编译两个软件，得到可执行文件，即为实际系统使用的可执行文件。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如采用笔式直线电机的方式，完成第一级旋转展翼的展开，或采用电机的方式，完成第二级折叠展翼展开等改进，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，在同一台计算机中配置虚拟机，设置嵌入式操作系统用于加载编译并运行航行控制系统软件，在本机操作系统中配置虚拟仿真系统软件、航行控制系统软件、岸基支持系统软件；

所述虚拟仿真系统软件，用于仿真计算水下机器人位姿、轨迹、设备状态信息、海洋环境信息，根据需求配置水下设备/传感器仿真模块的仿真参数，配置水下环境参数以及水下机器人初始位姿；

所述航行控制系统软件，用于根据航行任务编译代码并发送给虚拟机；用于解析岸基站航行任务生成控制信息控制虚拟仿真系统软件中的设备/传感器仿真模块进行航行仿真，以及采集位姿及设备状态信息；

所述岸基支持系统软件，包括控制部与显示部，所述控制部用于设置航行任务及接受水下机器人位姿及设备状态信息，所述显示部用于记录及显示水下机器人位姿、轨迹、设备状态信息。

2.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，还包括配置虚拟机网络通信环境并设置虚拟网卡，用于本机操作系统和虚拟机操作系统间网络通信。

3.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述虚拟仿真系统软件包括：

功能层、包括：水动力模拟模块、故障模拟模块、参数配置模块、人机交互界面模块；所述水动力模拟模块，通过接口适配层接收岸基站的控制信息，执行水动力模拟计算，根据计算结果输出指令控制虚拟设备层中的设备/传感器仿真模块；所述故障模拟模块，用于通过人机交互界面的故障模拟设置界面配置故障信息，将配置的故障信息发送给虚拟设备层中相关设备/传感器仿真模块；所述参数配置模块，用于根据需求配置仿真参数，包括水下机器人初始位置和航向、海流流向和大小；所述人机交互界面模块，用于显示水动力计算结果信息和控制界面信息；

虚拟设备层，包括设备/传感器仿真模块，用于模拟仿真现场设备参数，以及上传设备状态信息；

接口适配层，用于根据不同接口对数据进行格式转换，与虚拟仿真软件和虚拟机进行通信。

4.根据权利要求3所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述故障信息包括设备通信故障、数据异常故障。

5.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述航行控制系统软件包括：

使命任务层，包括设置使命任务并分解、健康状态在线监视、故障在线处理、人机交互接口数据；控制系统软件的使命任务层，接收岸基站发送的仿真使命任务及相关参数配置文件并执行仿真使命任务，生成控制信息发送给设备驱动层；

行为执行层，用于执行实际的任务控制、自主航行控制、数据采集；

设备驱动层，用于对虚拟仿真系统软件的传感器及设备数据的接收解析、设备配置控制、开关控制；接收使命任务层的控制信息，并封装成相应数据格式转发给虚拟仿真系统软件。

6.根据权利要求5所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述设备驱动层还包括接口适配功能模块，用于在网络仿真模式下自定义协议以及在实际工作环境中利用接口协议的转换建立水下机器人航行控制系统与水下机器人被操控设备的通讯连接；是采用宏定义来切换仿真与与实际模式。

7.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述岸基支持系统软件的控制部包括：

设备检测模块，用于生成设备检测指令对水下机器人的设备/传感器模块进行硬检检测；

使命生成及参数预置模块，用于设置航行任务，生成相应使命任务文件和参数配置文件发送至控制系统软件中；

及接收水下机器人位姿及设备状态信息；

人工在线遥控控制模块，用于设置人为遥控指令；包括使命任务的在线下达、水面在线操控指令；

自主航行在线控制模块，用于执行自主航行任务；

应急控制模块，用于设置应急指令，包括报警、停机指令。

8.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述岸基支持系统软件的显示部包括：

地图操作及轨迹显示模块，用于结合海图显示水下机器人的运动轨迹、位置、姿态、状态等信息；

状态位置信息显示模块，用于在界面上显示水下机器人的位姿信息；

数据记录模块，用于记录数据；

数据解析及轨迹回放模块，用于使命执行完毕后记录数据并生成水下机器人的轨迹回放视频。

9.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人单机网络综合仿真系统，其特征在于，所述岸基支持系统软件还设置串口通信、网络通信信道与水下机器人控制系统软件进行通信。

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