[发明专利]一种面向智能系统复杂任务的虚拟仿真系统

说明书

本发明提出了一种面向智能系统复杂任务的虚拟仿真系统。该系统由机器人操作模块、虚拟渲染模块、用户交互模块组成，实现了一套开源技术框架。机器人操作模块作为底层的机器人操作层，通过ROS与真实机器人进行实时交互；虚拟渲染模块作为中间渲染的虚境层，基于开源GIS仿真引擎osgEarth进行开发，实现地理信息系统与机器人系统的共同仿真；用户交互模块作为上部用户层，通过VR设备、AR设备、虚拟驾驶系统与用户互动，并由用户编写的脚本操纵。该系统可以广泛应用于面向智能系统复杂任务的仿真及实验规划等方面。

技术领域

本发明属于虚拟仿真领域，具体是一套面向智能系统复杂任务、用于融合机器人系统仿真与GIS数据的实验平台CyberEarth。

背景技术

随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。

现有的虚拟仿真系统往往专注于“仿”，存在着“仿”而不“真”的问题。同时难以与通用大场景下多机器人集群实现有效的实时交互，机器人系统与地理信息系统未能实现实时的信息融合。由于实际科研实验中，在面向智能系统的复杂任务作业方面，需要把来自机器人系统的信息和当地地理信息进行融合规划，实现机器人系统的仿真、监督、运行一体化，而商用虚拟仿真系统并非开源，无法让科研工作者随意按照自身需求进行修改，所以迫切需要一套面向智能系统复杂任务、能够进行多信息融合的开源仿真渲染平台。

发明内容

本发明目的是解决实际科研工作中没有一套面向智能系统的复杂任务、能够进行多信息融合的开源仿真渲染平台的问题，实现一种面向智能系统复杂任务的虚拟仿真系统。利用开源GIS仿真引擎osgEarth搭建了一个基于信息融合的机器人及智能系统，有效地将真实机器人系统、地理信息系统、仿真渲染系统融为一体，能够面向智能系统复杂任务进行虚拟仿真。

本发明的技术方案：

一种面向智能系统复杂任务的虚拟仿真系统，包括机器人操作模块，虚拟渲染模块，用户交互模块，完成对机器人及智能系统的协同仿真。

系统开发依据一套开源技术框架完成，其中机器人操作模块对应底层的机器人操作层，虚拟渲染模块对应中间渲染的虚境层，用户交互模块对应上部用户层。该框架在底层的机器人操作层通过ROS与真实机器人进行实时交互；中间渲染的虚境层基于开源GIS仿真引擎osgEarth进行开发，实现地理信息系统与机器人系统的共同仿真；上部用户层可以通过VR、AR设备与用户互动，并由用户编写的脚本操纵。其中，中间渲染的虚境层即为实验平台CyberEarth，它将3D-GIS虚拟地球模型与局部区域仿真场景有机结合在一起。用户可以直观地感受从宏观到微观的三维仿真。在宏观地球模型渲染中，支持使用卫星云图、高程图、矢量地图等海量数据加载，使用xml格式文件对GIS数据进行管理，实现动态加载。在局部区域仿真中，支持导入Solidworks、3DMAX等主流建模软件所构建的三维模型，可以通过简单的脚本控制其运行，亦可以通过ROS用真实数据操控。

机器人操作模块基于Linux内核的Ubuntu系统进行开发，通过ROS与真实机器人系统相连接。实体机器人通过WIFI、网线或USB等途径与机器人操作模块相连接，通过对应的驱动包将机器人信息(如位姿信息、速度信息、激光雷达信息、深度相机信息等)发布到ROS网络中，进而送往虚拟渲染模块，进行协同渲染用于机器人的仿真与监督。

虚拟渲染模块基于开源渲染引擎osg及osgEarth进行开发，通过Socket通信从ROS网络中订阅机器人信息，并与本地的海量GIS数据进行信息融合，采用高效动态缓存处理机制进行管理以保障实时性，进而搭建虚拟世界场景，用可视化手段将融合的信息映射到虚拟世界中进行可视化显示。