CN116700299A - 一种基于数字孪生的auv集群控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自主水下航行器设计领域，具体公开了一种基于数字孪生的AUV集群控制系统及方法。该系统包括由若干AUV组成的AUV集群和部署在岸基计算机或云端的AUV集群的数字孪生，所述AUV集群的数字孪生包括：任务生成与更新模块、信息采集模块、AUV孪生可视化模块、水面及水下环境模型、AUV孪生运动模型、AUV协作模型、任务指令发送模块、信息存储模块。该方法通过任务生成与更新模块和AUV协作模型实现任务动态分配、航路动态规划的最优配置，可适应陌生、动态环境，满足AUV集群作业过程中实时更新任务的需求，增强AUV集群控制的可视化、自主干预和监控的人机交互及远程运维能力。

Description

一种基于数字孪生的AUV集群控制系统及方法

技术领域

本发明属于自主水下航行器设计领域，特别是AUV集群的控制，具体涉及一种基于数字孪生的AUV集群控制系统及方法。

背景技术

AUV是新一代水下机器人，可在水下环境中实现自主感知和自主控制，具有机动性好、隐蔽性强、安全、智能化等优点，在水下测绘、侦察、设备维护等水下作业领域的应用日益广泛。单个AUV的作业能力受自身机动能力及搭载能力的限制，难以快速完成大规模水下作业，因而需AUV以集群形式协同工作。AUV集群的控制是提高其水下作业能力和效率，开发相关应用的关键。

目前，AUV集群控制多采用基于系统仿真的方法，即通过系统仿真事先规划AUV的任务及航路，然后将任务及航路分发给各AUV。这种控制方法需要确定任务、目标物、障碍物的相关信息，在陌生水域难以实施；另外，这种事先规划的集群控制方法难以适应任务及目标物动态变化的场景。此外，目前的AUV集群控制系统在完成规划任务和指令下发之后，一般仅在人机交互界面上显示整个AUV集群的运动状态，缺乏对AUV集群完成任务过程的自主监控和干预。

为此，有必要设计一种能适应陌生、动态环境，具有实时控制能力和较强人机交互能力的AUV集群控制系统。

发明内容

为了实现能适应陌生、动态环境以及对AUV集群完成任务过程中的自主监控和干预，本发明提出了一种基于数字孪生的AUV集群控制系统及方法。

所述基于数字孪生的AUV集群控制系统，包括由若干AUV组成的AUV集群和部署在岸基计算机或云端的AUV集群的数字孪生；所述AUV集群的数字孪生包括：任务生成与更新模块、信息采集模块、AUV孪生可视化模块、水面及水下环境模型、AUV孪生运动模型、AUV协作模型、任务指令发送模块、信息存储模块；所述AUV集群与其数字孪生之间通信连接，AUV集群接收数字孪生模型发出的任务指令，数字孪生采集AUV集群的状态信息,每个AUV都有唯一的识别号。

进一步地，所述AUV集群中的各个AUV均包括：有效载荷段、导航控制段、电池段及动力段；有效载荷段安装有光学摄像机、前视声呐、侧扫声呐；导航控制段内置惯性测量单元IMU、磁罗盘、DVL、深度传感器以及AUV的主控计算机和通信模块；电池段内置电池组及电源管理模块；动力段设置有推进器及其电机、驱动器、控制器、AUV的舵板及其舵机。

进一步地，所述AUV集群的数字孪生中信息采集模块采集的信息包括集群中各AUV的位置、速度、姿态、当前任务、当前任务完成度、当前能力与待执行任务的匹配度。

进一步地，所述AUV集群的数字孪生中水面及水下环境模型包括特定海域的温度、盐度剖面参数、流的速度和方向。

基于上述AUV集群控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1.将AUV集群中的各AUV置于初始位置，检查各AUV与数字孪生所在的岸基设备或云端服务器的通信，确保通信链路连通；

S2.通过集群中各AUV自身的传感器采集状态信息，并发送至数字孪生的信息采集模块中；

S3.将AUV集群需完成的任务的关键信息，包含作业区域、关键点位，输入到任务生成与更新模块中，该模块会将生成与更新后的任务信息发送到AUV协作模型中；

S4.AUV协作模型以预设的任务或实时更新的任务及各AUV运动模型输出的运动状态和机动能力为输入，按照任务匹配度生成每个AUV的任务，并通过任务指令发送模块将任务指令发送给各AUV，指导控制AUV集群完成作业任务；

S5.由信息采集模块将各AUV的状态信息发送给AUV孪生可视化模块，该模块根据各AUV的运动状态更新其三维模型的位置、姿态。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明提供的基于数字孪生的AUV集群控制系统，通过AUV上的传感器实时采集信息，与对应的数字孪生交互，从而指导AUV集群应对各种状况，完成作业任务。

2.本发明提供的数字孪生中包括水面及水下环境模型，针对陌生水域可通过设定对应海域的温度、盐度剖面参数、流的速度和方向等实现模拟，制定最优策略。

3.本发明的任务生成与更新模块、AUV协作模型根据实时反馈的信息模拟AUV集群的运动状态，及时更新任务，实现任务动态分配，AUV孪生可视化模块实时更新其三维模型的位置、姿态，增强了人机交互的效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为实施例中AUV结构示意图；

图3为系统中AUV集群数字孪生的组成图；

图4为AUV智能体的组成与交互关系图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更为详尽的描述与介绍：

实施例1：

如图1所示，本发明所提供的基于数字孪生的AUV集群控制系统,包括：由若干AUV组成的AUV集群，以及AUV集群的数字孪生，所述AUV集群的数字孪生可根据需要部署于云端、岸基计算机或者满足实际需求的终端服务器中。

如图2所示，AUV由有效载荷段、导航控制段、电池段及动力段组成。

如图3所示，AUV集群的数字孪生包括：任务生成与更新模块、信息采集模块、AUV孪生可视化模块、水面及水下环境模型、AUV孪生运动模型、AUV协作模型、任务指令发送模块、信息存储模块所述AUV集群与其数字孪生之间通信连接，AUV集群能接收数字孪生模型发出的任务指令，数字孪生能采集AUV集群的状态信息。操作人员将AUV集群需完成的任务的关键信息(如作业区域、关键点位等)输入任务生成与更新模块，生成与更新后的任务信息随后传送到AUV协作模型中。各AUV的状态信息由信息采集模块发送给各AUV运动模型，AUV运动模型描述了AUV的机动能力，结合其当前运动状态及水面水下环境模型，可以预测AUV的运动状态。AUV协作模型以预设的任务或实时更新的任务及各AUV运动模型输出的运动状态和机动能力为输入，按照任务匹配度生成每个AUV的任务，并通过任务指令发送模块将任务指令发送给各AUV。AUV运动模型的信息实时发送给AUV孪生可视化模块，该模块根据各AUV的运动状态更新其三维模型的位置、姿态。AUV运动模型、AUV协作模型及任务指令等信息均发送给信息存储模块，存储在岸基操控设备或云端服务器的数据库中。

如图4所示，本发明的AUV集群数字孪生中的AUV协作模型是一个多智能体系统(Multi-AgentSystem)模型，其中每个智能体与一个特定的AUV对应，是AUV的数字映射，可设置唯一对应的标识号。智能体具有感知、决策与控制的能力，能感知外围环境，并结合自身状态生成行为意图(如是否经过某个点位、是否完成某项任务等)，依据行为意图采取行动。

实施例2：

AUV的有效载荷段可安装光学摄像机、前视声呐、侧扫声呐等设备，用于探测、搜索目标。导航控制段内置惯性测量单元(IMU)、磁罗盘、DVL、深度传感器等导航定位传感器以及AUV的主控计算机和通信模块。对于工作在近水面的AUV，其通信模块的天线可伸出水面与岸基设备保持无线通信；对于工作在一定深度AUV，其尾部拖动漂浮于水面的浮漂天线，保持与外部的无线通信。电池段内置电池组及电源管理模块。动力段包含推进器及其电机、驱动器与控制器。AUV的舵板及其舵机也安装在动力段。AUV通过其通信模块可以获得外部发来的任务指令，对任务指令进行解析后，可以将任务指令分解为时序控制指令，按控制指令调节螺旋桨推力和舵角，实现自主控制。

由若干相同配置的AUV组成集群，集群中每个AUV都有唯一的识别号。从外部通过广播方式发送给AUV的任务指令中包含需要执行任务的AUV的序号，接收到对应标识序号的AUV执行相应的任务。

任务生成与更新模块用于设定工作任务、实时更新工作任务、紧急处理操作，是人机交互界面的一部分。信息采集模块用于采集集群中各AUV的位置、速度、姿态、当前任务、当前任务完成度、当前能力与待执行任务的匹配度等状态信息。AUV孪生可视化模块采用三维几何模型直观显示AUV的状态，也是人机交互界面的一部分。水面及水下环境模型包含特定海域的温度、盐度剖面参数、流的速度和方向等参数。AUV孪生运动模型为各AUV的运动学模型，用于预测AUV的运动状态。AUV协作模型用于任务分配并协调AUV之间的冲突。任务指令发送模块用于将生成的任务指令发送给各AUV。信息存储模块用于存储AUV集群运行过程中各AUV的运动状态、运动指令、任务指令等信息，便于回放演示。

AUV集群的数字孪生可部署在岸基操控计算机上，也可以部署在云端服务器上。

使用时：

执行任务之前，先将AUV集群中的各AUV置于初始位置，检查各AUV与数字孪生所在的岸基设备或云端服务器的通信。在确保通信链路连通的情况下，集群中各AUV的状态通过其自身传感器采集，并发送至数字孪生的信息采集模块中。

操作人员将AUV集群需完成的任务的关键信息(如作业区域、关键点位等)输入任务生成与更新模块，任务信息随后传送到AUV协作模型中。各AUV的状态信息由信息采集模块发送给各AUV运动模型，AUV运动模型描述了AUV的机动能力，结合其当前运动状态及水面水下环境模型，可以预测AUV的运动状态。AUV协作模型以预设的任务或实时更新的任务及各AUV运动模型输出的运动状态和机动能力为输入，按照任务匹配度生成每个AUV的任务，并通过任务指令发送模块将任务指令发送给各AUV。AUV运动模型的信息实时发送给AUV孪生可视化模块，该模块根据各AUV的运动状态更新其三维模型的位置、姿态。AUV运动模型、AUV协作模型及任务指令等信息均发送给信息存储模块，存储在岸基操控设备或云端服务器的数据库中。

设特定区域内共有N个AUV，则协作平台中相应地设置N个AUV智能体，其集合为{Agent1,Agent2,…,AgentN}。每个AUV在协作平台中被映射为一个智能体，AUV的状态发送到协作平台后，各智能体按AUV状态实时更新自身状态。智能体可以共享外部的任务信息，任意两个智能体之间可以交互，确定各自的任务和线路，该任务及线路信息再实时发送给各AUV。智能体之间的交互还涉及对同一任务的匹配度的比较，即智能体根据自身位置、速度、目标位置、更新任务、当前任务完成情况等信息计算自身对于新任务的匹配度，匹配度高的智能体将获得完成新任务的优先权。同时，智能体之间的交互也可处理AUV近距离航行过程中的潜在冲突。

集群中的AUV在运行过程中收到来自数字孪生的任务指令，实时解析并更新其控制参数，进而调整其运动状态，保证对预定任务、更新任务、紧急情况处理任务的完成。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于数字孪生的AUV集群控制系统，其特征在于：包括由若干AUV组成的AUV集群和部署在岸基计算机或云端的AUV集群的数字孪生；

所述AUV集群的数字孪生包括：任务生成与更新模块、信息采集模块、AUV孪生可视化模块、水面及水下环境模型、AUV孪生运动模型、AUV协作模型、任务指令发送模块、信息存储模块；

所述AUV集群与其数字孪生之间通信连接，AUV集群接收数字孪生模型发出的任务指令，数字孪生采集AUV集群的状态信息，每个AUV都有唯一的识别号。

2.根据权利要求1所述基于数字孪生的AUV集群控制系统，其特征在于：所述AUV集群中的各个AUV均包括：有效载荷段、导航控制段、电池段及动力段；

有效载荷段安装有光学摄像机、前视声呐、侧扫声呐；

导航控制段内置惯性测量单元IMU、磁罗盘、DVL、深度传感器以及AUV的主控计算机和通信模块；电池段内置电池组及电源管理模块；动力段设置有推进器及其电机、驱动器、控制器、AUV的舵板及其舵机。

3.根据权利要求2所述基于数字孪生的AUV集群控制系统，其特征在于：所述AUV集群的数字孪生中信息采集模块采集的信息包括集群中各AUV的位置、速度、姿态、当前任务、当前任务完成度、当前能力与待执行任务的匹配度。

4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的AUV集群控制系统，其特征在于：所述AUV集群的数字孪生中水面及水下环境模型包括特定海域的温度、盐度剖面参数、流的速度和方向。

5.一种根据权利要求1所述的基于数字孪生的AUV集群控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.将AUV集群中的各AUV置于初始位置，检查各AUV与数字孪生所在的岸基设备或云端服务器的通信，确保通信链路连通；

S2.通过集群中各AUV自身的传感器采集状态信息，并发送至数字孪生的信息采集模块中；

S3.将AUV集群需完成的任务的关键信息，包含作业区域、关键点位，输入到任务生成与更新模块中，该模块会将生成与更新后的任务信息发送到AUV协作模型中；

S4.AUV协作模型以预设的任务或实时更新的任务及各AUV运动模型输出的运动状态和机动能力为输入，按照任务匹配度生成每个AUV的任务，并通过任务指令发送模块将任务指令发送给各AUV，指导控制AUV集群完成作业任务；

S5.由信息采集模块将各AUV的状态信息发送给AUV孪生可视化模块，该模块根据各AUV的运动状态更新其三维模型的位置、姿态。