一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置製造方法
2023-06-01 15:05:26
一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種面向觀探測任務的水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置。一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，包括水面監控計算機1、多路通信設備2、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4、虛擬顯示計算機5、外部測量定位裝置6、真實航行器系統7、虛擬航行器系統8.本發明能夠準確同步預測航行器在執行任務時的位置和姿態，並實時顯示出航行器的航行軌跡，避免因水下通信阻礙造成的不可人為監控狀態下的危險性動作，為試驗人員和使用者提供一個可視化的估計手段，對提高水下無人航行器的安全性和可靠性水平具有重要意義。
【專利說明】一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種面向觀探測任務的水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置。
【背景技術】
[0002]水下無人航行器(包括AUV、UUV、R0V等)具有特有的水下無人現場特性，在複雜的海洋環境中無人自主地完成預設任務極具挑戰，面臨著巨大的丟失風險。水面監控中心在航行器航行及作業過程中對航行器進行監控可有效提高航行器的航海安全性。衛星、無人機、無人車等系統的測控中心可以採用衛星通信、無線電通信、無線網絡通信等多種通信手段進行監控，不同於以上系統，水下無人航行器的水面監控中心只能採用水聲通信與水下航行器進行雙向信息交互，由於水聲通信作用距離有限，易受環境噪聲影響，且在隱蔽性軍事任務上的應用受到限制，傳統的信息交互式測控手段已經不能滿足航行器的遠程航海及作業任務需求，需要尋求一種新方法新手段。
[0003]航行器在水下航行及作業過程中，如果水面監控中心能夠採用某種技術對航行器的任務過程進行同步虛擬推演，並且在推演過程中藉助於外測的海流信息和航行器上傳的零星短報文信息等對水面推演信息進行校準和同步，較準確地預測航行器在水下執行任務時的絕對位置和姿態，不僅能夠便於監控者掌控航行器的系統狀態，而且可以及早發現系統的潛在故障，爭取寶貴的故障應急處理時間；另外，同步虛擬推演還可以提供一個有效的任務預演和驗證仿真平臺，在航行器執行任務前通過對任務進行預演，可避免因設定任務不合理、使命裝訂人為失誤、軟體潛在漏洞等原因導致的損壞、丟失等事故。
[0004]本發明設計一種以典型水下觀探測任務為應用背景的水下無人航行器同步虛擬推演方法，建立航行器同步虛擬系統平臺體系結構和航行器空間運動數學模型(含海洋幹擾模型)，通過在水面上同步運行航行器的實艇控制軟體，驅動空間運動數學模型，並將空間運動數學模型的狀態進行視景顯示，實現航行器任務過程的虛擬推演；另外，水面監控中心根據航行器作業海域海流觀測信息，修正航行器同步虛擬推演過程的海洋環境幹擾項，以提高虛擬推演準確度；當航行器在水下航行時，可利用同步定位聲吶(USBL，超短基線定位系統)測出的真實航行器定位信息(包括經度、緯度、深度)進行推演位置和姿態校正，當航行器因任務需要上浮至水面時，則可利用經衛星通信(中遠距離)或無線電通信、無線網絡通信(近距離)上報的GPS或北鬥衛星(BD)定位信息，以更精確地預報航行器的運行狀態。
[0005]通過對國內現有技術文件檢索，目前，同步虛擬推演技術主要應用在航空航天工程及虛擬戰場領域，在水下無人航行器【技術領域】類似的技術研究仍停留在實驗室仿真階段。例如，西北工業大學許喆在2007年發表的碩士論文「某外場水下試驗平臺的視景仿真研究」，中科院瀋陽自動化研究所張禹等人於2004年發表的「自治水下機器人實時仿真系統開發研究」，另有哈爾濱工程大學王宏健、李娟等於2004年發表的「自主式水下潛器虛擬仿真系統研究」，都提出採用虛擬實境或視景仿真手段，建立無人水下航行器實時仿真系統平臺的方案。但上述文獻所做工作是單純的對水下無人航行器進行運動模型的半物理仿真，並沒有與真實航行器達到同步運行，於本文所述思想有本質區別。
[0006]通過對中國專利資料庫檢索，專利申請號為201010544937.7的中國專利公開了「水下航行器組合導航與控制半實物仿真試驗系統」，採用仿真計算機計算出水下航行器的位置、姿態、速度和航向信息，實現了水下航行器組合導航控制系統的聯調與測試。上述專利與本專利的相同之處:對航行器的運行狀態進行計算機仿真。不同之處:本專利在航行器動力學模型基礎上獲取位姿信息並進行與真實航行器同步運行的三維虛擬推演，與其所述半實物仿真試驗系統不同。
[0007]通過對美國專利資料庫及歐洲專利資料庫的檢索，未查到與本發明類似專利。
[0008]經過對國內外現有技術的文獻和專利檢索，尚未發現類似用於水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在於提供一種在實際試驗前利用同步推演系統完成任務預演、試驗中任務態勢同步演示及試驗後的任務回放等功能的水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置。
[0010]本發明的目的是這樣實現的:
[0011 ] 一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，包括水面監控計算機1、多路通信設備2、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4、虛擬顯示計算機5、外部測量定位裝置6、真實航行器系統7、虛擬航行器系統8，其特徵在於:
[0012]水面監控計算機I同時向虛擬航行器系統8和真實航行器系統7發送指令使命任務，將生成的指令航跡發送至虛擬顯示計算機；
[0013]虛擬航行器系統8接收到由水面監控計算機I發送的指令後，經任務管理計算機3解算並下達至運動控制計算機4 ；
[0014]運動控制計算機4建立航行器數位化模型，生成航行器位置參數和執行機構參數傳入虛擬顯示計算機5中進行V視景仿真顯示循環，從而更新場景、動態的顯示航行器在已知航跡下的運動過程，完成與真實航行器的同步虛擬推演；
[0015]水面監控計算機I通過多通路通信設備2接收真實航行器上報的經外測設備6獲取的位置信息，並轉發至虛擬顯示計算機5，當二者顯示的位姿信息誤差較大時，選擇信任外測設備定位信息為真值，完成對虛擬航行器位姿的校準。
[0016]虛擬航行器系統和真實航行器系統同時接收來自水面監控系統的指令，在網絡資源分配方面採用指令單一發送和多方發送兩種切換模式，避免因兩套系統同時運行帶來的信號衝突。
[0017]多路通信設備2由無線電、無線網絡、北鬥通信和水聲通訊組成，當航行器在水面作業時水面監控計算機可通過無線電、無線網絡和北鬥通信接收真實航行器系統上報的位姿信息，而在水下作業時只能採用通訊聲吶進行通信；水面監控計算機1、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4和虛擬顯示計算機5通過網絡設備(路由器)連接。
[0018]虛擬航行器系統8由虛擬航行器系統任務管理計算機3和虛擬航行器系統運動控制計算機4組成，完成對真實航行器任務管理及控制過程的同步模擬。
[0019]外部定位測量裝置測出實際航行器位置信息為經度、緯度、深度。
[0020]本發明的有益效果在於:本發明能夠準確同步預測航行器在執行任務時的位置和姿態，並實時顯示出航行器的航行軌跡，避免因水下通信阻礙造成的不可人為監控狀態下的危險性動作，為試驗人員和使用者提供一個可視化的估計手段，對提高水下無人航行器的安全性和可靠性水平具有重要意義。該技術主要完成在實際試驗前利用同步推演系統完成任務預演、試驗中任務態勢同步演示及試驗後的任務回放功能。此外，該技術在研發階段同樣具有絕對的優越性，它可為設計者提供一個很好的演示平臺，通過實際試驗前的任務預演可避免因邏輯漏洞導致的災難性後果和不可估價的損失，並可為水下無人航行器故障診斷提供一個良好的驗證環境。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為水下無人航行器同步虛擬推演平臺結構框圖；
[0022]圖2為本發明所構建的同步推演體系結構硬體計算機拓撲圖；
[0023]圖3為本發明的功能模塊工作流程圖；
[0024]圖4為虛擬航行器控制系統結構圖；
[0025]圖5為虛擬顯示計算機內部仿真軟體運行流程圖；
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖，進一步說明本發明的特點和功能。
[0027]水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，該裝置主要完成包括在實際試驗前利用同步推演系統完成任務預演、試驗中任務態勢同步演示及試驗後的任務回放等功倉泛。
[0028]本發明是通過以下技術方案實現的，它包括:水面監控計算機1、多路通信設備2、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4、虛擬顯示計算機5、外部測量定位裝置6、真實航行器系統7、虛擬航行器系統8。其中，水面監控計算機I負責試驗初始化設置、使命規劃、指令監控及二維信息顯示等；多路通信設備2由無線電、無線網絡、北鬥通信和水聲通訊組成，當航行器在水面作業時水面監控計算機可通過無線電、無線網絡和北鬥通信接收真實航行器系統上報的位姿信息，而在水下作業時只能採用通訊聲吶進行通信；水面監控計算機1、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4和虛擬顯示計算機5通過網絡設備(路由器)連接。
[0029]所述的虛擬航行器系統8由虛擬航行器系統任務管理計算機3和虛擬航行器系統運動控制計算機4組成，完成對真實航行器任務管理及控制過程的同步模擬功能。
[0030]所述的虛擬航行器系統任務管理計算機3對航行器的系統狀態及作業環境進行監控，它將與水面監控計算機I通過網絡設備(路由器)進行信息交互，實時接收水面監控計算機I發送的監控指令及規劃使命任務信息，同時，通過自身嵌套的任務管理軟體將控制指令信息經過解算發送至虛擬航行器系統運動控制計算機4。
[0031]虛擬航行器系統運動控制計算機4內部嵌入航行器數位化模型和運動控制、導航軟體。其中航行器動力學數位化模型中的不確定項通過系統辨識技術進行修正，經虛擬航行器系統運動控制計算機4完成對數位化模型和運動控制及導航的解算，並將獲得的航行器位姿信息通過網絡設備(路由器)發送至虛擬顯示計算機5。
[0032]虛擬顯示計算機5利用Creator和Vega Prime來建立逼真的三維海洋模型、航行器幾何模型，並可實時設定不同的視點及實時顯示渲染效果。
[0033]外部測量定位裝置6由GPS或BD定位(水面航行)和USBL (水下航行)系統設備組成，併集成至真實航行器載體系統7中。為了在虛擬顯示計算機中更加準確的預測航行器的運行狀態，需藉助上述外部測量裝置獲取的真實航行器位置信息對虛擬航行器位置進行校準。
[0034]本發明還包括根據航行器作業海域海流觀測信息，修正航行器同步虛擬推演過程的海洋環境幹擾項的技術。由於航行器在執行任務時受到海洋環境的影響，常偏離預定的航線導致導航精度降低，因此對海洋環境幹擾信息進行有效的實時的修正和補償來提高航行器的導航精度是十分必要的。海流信息可從兩方面獲取，一方面來自該面向觀探測任務的航行器自身攜帶的海流觀測設備ADCP，經數據後處理可得到航行器作業海域的海流信息；另一方面，一般情況下試驗母船自身裝配有用於海流觀測的設備，融合兩種海流數據對虛擬海洋場景中及航行器數位化模型解算時的海流幹擾項進行修正，以提高虛擬推演的準確性。
[0035]本發明設計的一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置工作原理是:由水面監控計算機I同時向虛擬航行器系統8和真實航行器系統7發送指令使命任務，同時將生成的指令航跡發送至虛擬顯示計算機5。水面控制室搭建的虛擬航行器系統8接收到由水面監控計算機I發送的指令後，經任務管理計算機3解算並下達至運動控制計算機4，運動控制計算機4完成內部航行器數位化模型、導航及運動控制軟體的解算生成航行器位置參數和執行機構參數傳入虛擬顯示計算機5中進行Vega Prime視景仿真顯示循環，從而更新場景，動態的顯示航行器在已知航跡下的運動過程，完成與真實航行器的同步虛擬推演。與此同時，水面監控計算機I通過多通路通信設備2接收真實航行器上報的經外測設備6獲取的位置信息，並轉發至虛擬顯示計算機5，當二者顯示的位姿信息誤差較大時，選擇信任外測設備定位信息為真值，完成對虛擬航行器位姿的校準。
[0036]如圖1所示，本發明設計的一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置主硬體配置要包括如下幾個部分:水面監控計算機1、多路通信設備2、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4、虛擬顯示計算機5、外部測量定位裝置6、真實航行器系統7、虛擬航行器系統8。其中，水面監控計算機I嵌入水面監控軟體，負責試驗初始化設置、使命規劃、指令監控等，是人機互動二維信息顯示綜合工作站；多路通信設備2由無線電、無線網絡、北鬥通信和水聲通訊組成，當航行器在水面作業時水面監控計算機可通過無線電、無線網絡和北鬥通信接收真實航行器系統上報的位姿信息，而在水下作業時只能採用水聲通訊系統進行通信，並可利用USBL設備測定真實航行器的實際位置；水面監控計算機1、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4和虛擬顯示計算機5通過網絡設備(路由器)連接；外部測量定位裝置6集成安裝於真實航行器系統7中的航行器載體上，包括GPS和BD接收天線，以及用於USBL定位系統的應答器設備。
[0037]如圖2所示為本發明面向觀探測任務的航行器同步虛擬推演裝置所需的硬體計算機拓撲圖，其中水面監控計算機I與水面虛擬航行器系統8通過區域網連接，與水下真實航行器系統通過多路通信模塊2線連接；系統初始化階段，分別為水面監控計算機1、虛擬航行器系統任務管理計算機3、虛擬航行器系統運動控制計算機4、虛擬顯示計算機5分配不同的網絡IP位址及網絡接收埠，用於監控指令及運行數據的傳遞。系統正常運行時，可由水面監控計算機I採用單一發送/多方發送模式將監控指令下達至虛擬航行器系統8和真實航行器系統7。當航行器在水下航行時，外測定位設備6通過USBL系統獲取真實航行器位置信息，並通過同步定位聲吶計算機經串口或網線上傳至水面監控計算機I。
[0038]如圖3所示為航行器觀測任務同步虛擬推演的功能模塊工作流程圖，該過程的具體實施步驟可表述為:
[0039]1、通過水麵監控計算機人機互動界面同時完成對虛擬航行器和真實航行器的初始化設置，包括航行器位置、姿態初始化，載入試驗場景、設置安全區域，海流信息配置等；其中，海流信息來自於上一航次獲得的ADCP觀測數據後處理的流速流向數據。
[0040]2、水面監控計算機通過無線電或網絡通訊模式同時向虛擬航行器和真實航行器兩個埠發送使命任務開始指令；
[0041]3、真實航行器系統自主運行，並根據通信條件實時向水面監控計算機反饋自身狀態信息；虛擬航行器系統則由虛擬航行器控制系統中的任務管理計算機完成任務調度並生成制導指令；
[0042]4、虛擬航行器系統中的運動控制計算機則接收本系統任務管理計算機任務指令完成對數位化模型和運動控制及導航算法的解算，得到虛擬航行器自身的運行位姿數據；
[0043]5、虛擬顯示計算機接收運動控制計算機發送的位姿信息數據，採用三維建模軟體Creator和虛擬顯示軟體Vega Prime建立航行器實體模型及虛擬海洋場景模型,完成與真實航行器任務同步的虛擬推演。將模型解算輸出的航行器位置參數、執行機構參數和姿態參數傳入VegaPrime視景仿真顯示循`環，實時的更新場景，動態的顯示虛擬航行器在已知航跡下的運動過程。
[0044]6、真實航行器系統通過自身運動控制軟體數據採集模塊獲取外部測量設備定位，經處理後得到真實位姿數據上傳至本系統任務管理計算機，並經通信鏈路轉發至水面監控計算機。當航行器在水面作業時，水面監控計算機可接受來自GPS/BD的位置信息，作為完成位置校準；當航行器在水下作業時，受通信手段阻礙，水面監控計算機則只能接收來自USBL的位置信息。
[0045]如圖4所示為虛擬航行器控制系統結構圖，圖中1、2、3分別表示虛擬航行器任務管理模塊、虛擬航行器運動控制模塊和航行器數位化模型。水下無人航行器空間運動控制可以認為是水平面與垂直面的綜合控制。首先經水面監控計算機(I)對航行器進行初始化並給出空間目標點U，y, z)，由虛擬航行器任務管理計算機(3)據導航制導器分別求解出航行器指令航速下的期望航向角和縱傾角即0d，叫和0d，然後通過嵌入在虛擬航行器運動控制計算機(4)內的航速、航向角和縱傾角運動控制器分別求解出垂直舵舵角指令δΜ、推進器轉速指令和水平舵舵角指令Ss。，而δρ?^、Ss分別為相應執行機構的實際測量值，代入航行器空間六自由度動力學模型經四階龍哥庫塔法解算，求得航行器的實際航速、實際艏向角和實際縱傾角U、Φ、Θ，經運動學模型求得航行器船體坐標系下的位姿，最後經坐標變換得到航行器在大地坐標系下的運動信息。本專利中虛擬航行器控制系統採用艦位推算導航算法，當需要對虛擬顯示計算機(5)中虛擬航行器位姿進行校準時，將位置數據來源切換至外部測量定位系統(GPS、BD、USBL)，完成一次校準後仍採用艦位推算導航。由虛擬航行器系統最終求解出的位姿信息，經區域網傳輸至虛擬顯示計算機(5)。
[0046]如圖5所示為虛擬顯示計算機內部同步推演軟體運行流程圖，任務同步推演開始時虛擬顯示計算機(5)接收水面監控計算機(I)發送的初始化位置信息，完成虛擬航行器三維模型的調入和顯示，接著載入虛擬三維水下試驗場景，當接收到使命開始指令時通過程序不斷接收來自虛擬航行器控制系統(8)解算出的位姿數據，完成虛擬航行器在虛擬試驗場景中的位姿更新，並跟進情況需要進行視角切換。當使命結束時完成試驗數據的記錄和保存，用以試驗後的任務回放等。
[0047]本專利未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，包括水面監控計算機(I)、多路通信設備(2)、虛擬航行器系統任務管理計算機(3)、虛擬航行器系統運動控制計算機(4)、虛擬顯示計算機(5)、外部測量定位裝置(6)、真實航行器系統(7)、虛擬航行器系統(8)，其特徵在於: 水面監控計算機(I)同時向虛擬航行器系統(8 )和真實航行器系統(7 )發送指令使命任務，將生成的指令航跡發送至虛擬顯示計算機； 虛擬航行器系統(8)接收到由水面監控計算機(I)發送的指令後，經任務管理計算機(3)解算並下達至運動控制計算機(4)； 運動控制計算機(4)建立航行器數位化模型，生成航行器位置參數和執行機構參數傳入虛擬顯示計算機(5)中進行V視景仿真顯示循環，從而更新場景、動態的顯示航行器在已知航跡下的運動過程，完成與真實航行器的同步虛擬推演； 水面監控計算機(I)通過多通路通信設備(2)接收真實航行器上報的經外測設備(6)獲取的位置信息，並轉發至虛擬顯示計算機(5)，當二者顯示的位姿信息誤差較大時，選擇信任外測設備定位信息為真值，完成對虛擬航行器位姿的校準。
2.根據權利要求1所述的一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，其特徵在於:虛擬航行器系統和真實航行器系統同時接收來自水面監控系統的指令，在網絡資源分配方面採用指令單一發送和多方發送兩種切換模式，避免因兩套系統同時運行帶來的信號衝關。
3.根據權利要求1或2所述的一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，其特徵在於:所述的多路通信設備(2)由無線電、無線網絡、北鬥通信和水聲通訊組成，當航行器在水面作業時水面監控計算機可通過無線電、無線網絡和北鬥通信接收真實航行器系統上報的位姿信息，而在水下作業時只能採用通訊聲吶進行通信；水面監控計算機(I)、虛擬航行器系統任務管理計算機(3)、虛擬航行器系統運動控制計算機(4)和虛擬顯示計算機(5)通過網絡設備(路由器)連接。
4.根據權利要求3所述的一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，其特徵在於:虛擬航行器系統(8)由虛擬航行器系統任務管理計算機(3)和虛擬航行器系統運動控制計算機(4)組成，完成對真實航行器任務管理及控制過程的同步模擬。
5.根據權利要求4所述的一種水下無人航行器觀測任務的同步虛擬推演裝置，其特徵在於:所述的外部定位測量裝置測出實際航行器位置信息為經度、緯度、深度。
【文檔編號】G05B17/02GK103592854SQ201310563459
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】嚴浙平, 李聰聰, 徐健, 周佳加, 張宏瀚, 陳濤 申請人:哈爾濱工程大學