[发明专利]一种多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及多水下机器人控制和仿真技术领域，具体的说是一种基于混合式硬件体系结构的多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法。

背景技术

为了满足水下机器人在控制系统软硬件设计和关键技术前期验证的需求，国内外学者构建了各种应用于水下机器人的仿真平台，主要包括数字仿真平台和半物理仿真平台。

半物理仿真，也称半实物、硬件在回路(HIL，hardware in loop)仿真，在先进水下机器人系统设计与开发中具有极其重要的意义。尤其对于多机器人系统而言，具有系统复杂、存在各种不可预见性的特点，因此研究相应的仿真技术并建立其仿真环境，是设计复杂控制系统、研究其关键技术及验证控制系统鲁棒性不可或缺的手段。

与数字仿真不同的是，半物理仿真将真实的机器人控制器软硬件系统置于仿真环境中，全过程、全状态进行仿真，及时发现机器人控制器在真实海洋环境中可能存在的软硬件漏洞，提高系统可靠性。而这种半物理仿真只能对单一的机器人进行模拟控制，对于多机器人，则无法实现模拟控制。目前，在相关报道中尚未发现多水下机器人半物理仿真装置。

发明内容

针对现有技术中存在的无法实现对于多机器人模拟控制这一空白，本发明要解决的技术问题是提供一种能够对各机器人系统的软硬件内部关系、外部耦合等复杂过程进行验证的多水下机器人半物理仿真系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明多水下机器人半物理仿真系统包括：视景显示计算机，虚拟环境计算机，电气转接装置以及机载自动驾驶仪，其中：

视景显示计算机，与虚拟环境计算机进行网络通信连接，实现海底地形、障碍物、涌流和声纳传感器数据的模拟，以及各水下机器人位姿的三维立体显示；

虚拟环境计算机，存有各水下机器人的运动学、动力学模型，通过模型解算，生成各种虚拟传感器设备信息，以实现水下机器人的自主闭环控制，同时完成模拟各种故障状况，以及模拟水声信道实现多机器人协作信息的转发；

电气转接装置，将虚拟环境计算机扩展卡的标准电缆接口转接为可与多水下机器人机载自动驾驶仪方便连接的接口；

机载自动驾驶仪为多套，为真实的水下机器人软硬件控制系统，通过电气转接装置获取虚拟环境计算机的传感器数据，根据自身的运动规划和闭环控制系统生成执行器控制量经由电气转接装置发送给虚拟环境计算机，同时根据使命需求通过虚拟环境计算机向其它机器人系统发送协作信息。

所述机载自动驾驶仪包括：CPU单元、串口扩展单元、外围扩展单元、开关控制单元、电源控制/监测单元以及推进系统控制单元，其中CPU单元通过PC104总线连接串口扩展单元、外围扩展单元连接，通过RS485总线连接开关控制单元、电源控制/监测单元以及推进系统控制单元。电源控制/监测单元监测能源系统的电压、电流以及故障状态，接收CPU单元的指令，对能源系统实施控制；推进系统控制单元监测驱动装置的运行状态，对驱动装置实施使能、转速、转向控制；开关控制单元监测水下机器人的入水、漏水情况，对各机载传感器、压载设备开关实施控制。

所述虚拟环境计算机包括工控机、数字IO单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元以及串口单元，其中，工控机连接上述各单元；数字IO单元的数字量输入端在机载自动驾驶仪的控制下向工控机输入多水下机器人的电源开关以及机器人压载设备的动作开关的仿真信号，数字量输出端向机载自动驾驶仪输出入水检测及漏水和漏油报警及其它故障信号；模拟量输入单元在工控机的控制下向工控机输入多水下机器人推进系统的模拟量输出设备的仿真信号；模拟量输出单元在工控机的控制下通过串口单元向机载自动驾驶仪输出各种虚拟传感器的仿真信号。

所述电气转接装置一端与虚拟环境计算机扩展卡的标准电缆接口相连，另一端设有方便与各水下机器人机载自动驾驶仪连接的电缆接口。

所述机载自动驾驶仪为多台同构水下机器人控制装置，或者为多台异构水下机器人控制装置。

本发明多水下机器人半物理仿真方法包括以下步骤：

初始使命装载及路径规划；

根据上述规划的路径进行仿真控制，具体为：

虚拟环境计算机向各机载自动驾驶仪发送仿真开始指令；

各机载自动驾驶仪在接收到上述仿真开始指令后，按照规划的结果开始运行，通过内部的自主闭环控制程序控制计算推进系统的控制量，通过模拟输出接口转由电气转接装置发送给虚拟环境计算机的模拟输入卡；