[发明专利]基于真实扰动数据的分布式大型高速AUV高保真仿真系统

说明书

一种基于真实扰动数据的分布式大型高速AUV高保真仿真系统，通过大型AUV虚拟试验艇子系统在刚体惯性、重力、浮力、惯性类水动力、向心力、科氏力、阻力、推力、舵力以及外界环境干扰力的相互作用下等比模拟真实大型高速AUV物理样机的运动状态，并在物理引擎的作用下为本体附加碰撞属性；通过水下三维虚拟环境子系统通过大范围的水下环境的渲染、动静态障碍可视化模型的搭建以及真实海流、海浪扰动的产生高保真模拟大型高速AUV的真实水下环境；通过运动求解子系统描述水下虚拟环境中所有物体固联坐标系间的转换关系，并求解大型AUV的运动方程，同步更新其位姿与速度状态；数据管理子系统管理仿真过程中生成的各种数据，支持写入和读取数据操作，同时可管理与调配节点间数据通信问题，支持接收和发送数据操作；通过可视化子系统加载并动态显示水下三维环境与大型AUV虚拟试验艇模型，同步更新实时数据曲线并可视化AUV运动轨迹。

技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人领域的技术，具体是一种高保真度的基于真实海流、海浪扰动数据的分布式大型高速水下机器人性能测试与算法验证的三维可视化仿真系统。

背景技术

大型高速水下机器人(Autonomous UnderwaterVehicle，AUV)在实际海域的性能测试与智能算法(环境感知、规划与决策、控制算法等)验证工作中需要花费大量的人力、财力与物力，且作业测试环境存在极大的不确定性，如海流、海浪干扰等，很难保障工作人员与作业设备的安全。

发明内容

本发明针对大型高速AUV系统研发与算法验证难度高、代码多平台移植性差、仿真系统保真度低的问题，提出一种基于真实扰动数据的分布式大型高速AUV高保真仿真系统，既可在具有真实海流、海浪扰动的虚拟海洋环境中测试AUV的开环性能，亦可验证人工智能相关算法的可靠性与有效性，降低系统研发与算法验证的难度；且分布式架构利于多硬件系统松耦合的实现，便于代码跨平台移植与测试；可实现水下虚拟环境、大型高速AUV虚拟试验艇以及虚拟传感器的动态可视化，同时可实现实时数据与运动轨迹的可视化，高保真度地模拟水下真实试验场景有利于提高人-机“沟通”效率，使结果表达更加直观，方便用户从多角度观察并分析大型AUV的运动状态，进一步提高硬件系统开发与算法研究的效率与灵活度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于真实扰动数据的分布式大型高速AUV高保真仿真系统，包括：大型AUV虚拟试验艇子系统、水下三维虚拟环境子系统、运动求解子系统、数据管理子系统以及可视化子系统，其中：大型AUV虚拟试验艇子系统在刚体惯性、重力、浮力、惯性类水动力、向心力、科氏力、阻力、推力、舵力以及外界环境干扰力的相互作用下等比模拟真实大型高速AUV物理样机的运动状态，并在物理引擎的作用下为本体附加碰撞属性；水下三维虚拟环境子系统通过大范围的水下环境的渲染、动静态障碍可视化模型的搭建以及真实海流、海浪扰动的产生高保真模拟大型高速AUV的真实水下环境；运动求解子系统描述水下虚拟环境中所有物体固联坐标系间的转换关系，并求解大型AUV的运动方程，同步更新其位姿与速度状态；数据管理子系统管理仿真过程中生成的各种数据，支持写入和读取数据操作，同时可管理与调配节点间数据通信问题，支持接收和发送数据操作；可视化子系统加载并动态显示水下三维环境与大型AUV虚拟试验艇模型，同步更新实时数据曲线并可视化AUV运动轨迹。

所述的大型AUV虚拟试验艇子系统包括：运动关联模块、运动感知模块、运动决策模块以及运动控制模块，其中：运动关联模块以连杆和关节为基本单元表征大型AUV各部件的拓扑结构关系；运动感知模块将虚拟传感器组件返回的数据转换为动态环境信息与大型AUV高速航行过程中的状态信息，并输出至运动决策模块；运动决策模块根据运动感知模块反馈的信息进行规划策略(如路径规划或控制决策)并与运动控制模块相互配合完成指定任务；运动控制模块接收运动决策模块下达的指令，快速地做出响应，解算执行器动作，并精准、高品质地完成期望动作。