一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台制造技术

本发明专利技术公开了一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台，该平台是由多个互相通信的单AUV模拟平台扩展得到的多AUV协同平台；上位机和遥控船组件或ROV组成单AUV模拟平台；采集模拟AUV的传感器信息，每个单AUV模拟平台在上位机上搭载一个MOOS平台，由数据通信模块、融合导航模块、规划决策模块和运动控制模块组成。本发明专利技术设计实现了多AUV的消息通信方案，并利用心跳检测机制保证了可靠性；可融合速率不同的多源传感器信息，解决了传感器测量延迟问题，并且能够自动检测和剔除野值，提高导航精度；具有实验过程简便、调试效率高、设计成本低，扩展性好和可靠性高等优点；实验证明本发明专利技术具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台
本专利技术属于自主水下航行器领域，尤其涉及一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台。
技术介绍
海洋占地球表面的71％，蕴藏着丰富的海洋生物资源、矿物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。随着人类越来越频繁和深入的开展海洋开发活动，在水下恶劣环境中，搭载多传感器的自主水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)已成为人类延伸自己感知能力的主要工具之一。AUV进行水下作业，需要每时每刻了解自身所处的位置，才能决定下一步要进行的动作，因而高精度的融合多传感器信息的导航方法是AUV完成任务的技术保障。在导航基础上，AUV还要实现路径规划，任务决策，自主控制等功能，从而完成一个完整的水下作业。然而AUV的研制过程较长，多AUV水下协同实验更是需要大量的财力和精力支持，因此出现了一些AUV模拟实验平台。这些实验平台通常用软件仿真或者半实物模拟AUV运动，将相应传感器数据上传到一台计算机中，运行核心算法程序，生成相应的运动指令信息再下发到模拟AUV中。但现有的AUV模拟实验平台仍存在以下不足：1.现有的模拟实验平台多是依赖纯软件来模拟AUV运动或是半实物的仿真平台；2.现有的模拟实验平台多是针对单AUV进行模拟，对多AUV协同的模拟实验平台涉及较少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台，是由多个互相通信的单AUV模拟平台扩展得到的多AUV协同平台；所述单AUV模拟平台由上位机、模拟AUV组成；所述模拟AUV为遥控船组件或ROV；所述遥控船组件包括遥控船、遥控器、单片机和智能终端；所述ROV包括运行机构、处理机和传感器模块；所述智能终端用于采集传感器信息，包括角速度、加速度、旋转矩阵、GPS定位数据和姿态角；所述ROV的传感器模块用于采集传感器信息，包括角速度、加速度、旋转矩阵、GPS定位数据、姿态角和深度；每个单AUV模拟平台在上位机上搭载一个MOOS平台，由数据通信模块、融合导航模块、规划决策模块和运动控制模块组成；一方面每个MOOS平台的pShare进程连接MOOSDB，获取该MOOS平台中其它进程的消息；另一方面不同MOOS平台通过pShare进程两两连接互相通信；所述数据通信模块用于通过pComm进程分别与各单AUV模拟平台的智能终端或处理机通信，获取传感器信息并通过MOOSDB发送给融合导航模块，以及实时监测连接活性；所述融合导航模块用于通过导航滤波算法处理传感器信息，得到模拟AUV当前状态估计值并发送给规划决策模块；所述规划决策模块用于根据各模拟AUV当前状态估计值，通过路径规划算法结合优化方法，得到各模拟AUV下一时刻的状态期望值并发送给运动控制模块；所述运动控制模块用于根据各模拟AUV下一时刻的状态期望值，通过pRB_PID进程的控制逻辑转化为控制信息，再由pUART进程封装成数据帧后发送给模拟AUV实现运动控制；所述pUART进程用于串口通信，将控制信息组装成帧；所述模拟AUV的状态信息包括三维位置、速度、姿态角。进一步地，所述pComm进程采用IO多路复用机制，包括一个主线程和两个子线程；其中，主线程用于获取数据和MOOSDB通信；一个子线程用于启动进程与MOOSDB通信；另一个子线程用于pComm与客户端通信；所述客户端为智能终端或ROV处理机；pComm与客户端通信的子线程使用基于事件驱动的支持IO多路复用技术的网络通信服务器，支持多个客户端同时连接；在初始化后等待事件发生，包括连接事件、读事件、写事件和定时事件；所述连接事件用于处理新客户端的网络连接并为其注册读写事件；所述读事件用于读取客户端的传感器信息数据包，解码提取原始数据；所述写事件用于发送命令信息，将其编码成帧后发送给客户端；所述定时事件用于检测连接活性，客户端定时发送心跳检测数据到pComm进程，在定时器中检查最近接收的心跳包是否超时；如超时则连接失效，尝试重新连接，同时pComm进程自动清理失效连接有关的数据，为新连接创建所需资源。进一步地，所述pComm进程还将传感器信息数据包分发到MOOS平台中的各传感器进程，并统计传输速率和延时用来验证各模块通信是否能达到实时要求；所述传感器进程包括惯导模拟传感器进程、声传感器模拟进程、其他目标模拟进程和视觉传感器进程；所述惯导模拟传感器进程用于模拟惯导传感器的数据采集，包括模拟AUV位置、速度和姿态；所述声传感器模拟进程用于模拟声传感器数据生成，包括各模拟AUV之间距离和方位；所述其他目标模拟进程用于产生其他模拟AUV的信息，包括三维位置；所述视觉传感器进程用于输出视觉处理信息，包括各模拟AUV之间相对距离和相对姿态。进一步地，所述pRB_PID进程的控制逻辑为：首先计算模拟AUV的导航航向角与期望航向角的差值；若航向角差值的绝对值小于给定阈值，则沿原方向前进；否则，如航向角差值为正则左转，为负则右转；还需要考虑ROV的深度，计算导航深度与期望深度的差值，若深度差值为正，则下潜，为正则上浮；左转右转的转向速度和上浮下潜的速度均由PID控制算法根据航向角差值和深度差值得到。进一步地，所述模拟AUV采用遥控船组件；由于遥控船在水面运动，模拟AUV的深度始终为0；遥控船组件的智能终端固定在遥控船上采集传感器信息，并通过WIFI发送给数据通信模块，由运动控制模块发送控制信息给单片机提取出指令数据发送给遥控器；指令数据分为两部分：第一部分为标志位，取值对应遥控船直行、左转、右转；第二部分为根据左转或右转的转向速度得到螺旋桨转速映射值的电压信息；遥控器将指令数据经过DA转换，根据电压信息改变两个控制引脚处的电压，遥控器再发送电机控制指令给遥控船，控制对应的两个螺旋桨转速；如两引脚电压相同，则对应螺旋浆转速相同，遥控船直行；如两引脚电压不同，电压较高的引脚对应的螺旋桨转速也较高，遥控船向转速较低的一边转向。进一步地，所述遥控船组件的智能终端连接USB摄像头后拍摄水下图像，并通过WIFI传输给上位机；所述ROV连接水下声呐或水下摄像头后采集声呐数据或水下图像，并通过线缆传输给上位机。进一步地，还包括图形交互模块，一方面是负责显示各个模块的关键数据，包括AUV的实时导航数据、摄像头的图像数据和网络传输数据；另一方面接收交互命令，包括对接任务开始与对接终止命令和对AUV进行手动操控的方向控制命令，均以按钮形式显示。进一步地，所述对AUV进行手动操控的方向控制命令包括前进、左转、右转、后退和停止；由图形交互模块发送控制信息给单片机提取出指令数据发送给遥控器；其中，指令数据的第一部分标志位为后退时，遥控器两引脚电压取反且相同时，对应螺旋桨则向相反方向转动且转速相同。进一步地，所述pShare进程通过水声通信模拟模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台，其特征在于，是由多个互相通信的单AUV模拟平台扩展得到的多AUV协同平台；/n所述单AUV模拟平台由上位机、模拟AUV等组成。/n所述模拟AUV为遥控船组件或ROV；所述遥控船组件包括遥控船、遥控器、单片机和智能终端；所述ROV包括运行机构、处理机和传感器模块。/n所述智能终端用于采集传感器信息，包括角速度、加速度、旋转矩阵、GPS定位数据和姿态角。/n所述ROV的传感器模块用于采集传感器信息，包括角速度、加速度、旋转矩阵、GPS定位数据、姿态角和深度。/n每个单AUV模拟平台在上位机上搭载一个MOOS平台，由数据通信模块、融合导航模块、规划决策模块和运动控制模块组成；一方面每个MOOS平台的pShare进程连接MOOSDB，获取该MOOS平台中其它进程的消息；另一方面不同MOOS平台通过pShare进程两两连接互相通信。/n所述数据通信模块用于通过pComm进程分别与各单AUV模拟平台的智能终端或处理机通信，获取传感器信息并通过MOOSDB发送给融合导航模块，以及实时监测连接活性。/n所述融合导航模块用于通过导航滤波算法处理传感器信息，得到模拟AUV当前状态估计值并发送给规划决策模块。/n所述规划决策模块用于根据各模拟AUV当前状态估计值，通过路径规划算法结合优化方法，得到各模拟AUV下一时刻的状态期望值并发送给运动控制模块。/n所述运动控制模块用于根据各模拟AUV下一时刻的状态期望值，通过pRB_PID进程的控制逻辑转化为控制信息，再由pUART进程封装成数据帧后发送给模拟AUV实现运动控制；/n所述pUART进程用于串口通信，将控制信息组装成帧。/n所述模拟AUV的状态信息包括三维位置、速度、姿态角。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多AUV水下协同作业的模拟实验平台，其特征在于，是由多个互相通信的单AUV模拟平台扩展得到的多AUV协同平台；
所述单AUV模拟平台由上位机、模拟AUV等组成。
所述模拟AUV为遥控船组件或ROV；所述遥控船组件包括遥控船、遥控器、单片机和智能终端；所述ROV包括运行机构、处理机和传感器模块。
所述智能终端用于采集传感器信息，包括角速度、加速度、旋转矩阵、GPS定位数据和姿态角。
所述ROV的传感器模块用于采集传感器信息，包括角速度、加速度、旋转矩阵、GPS定位数据、姿态角和深度。
每个单AUV模拟平台在上位机上搭载一个MOOS平台，由数据通信模块、融合导航模块、规划决策模块和运动控制模块组成；一方面每个MOOS平台的pShare进程连接MOOSDB，获取该MOOS平台中其它进程的消息；另一方面不同MOOS平台通过pShare进程两两连接互相通信。
所述数据通信模块用于通过pComm进程分别与各单AUV模拟平台的智能终端或处理机通信，获取传感器信息并通过MOOSDB发送给融合导航模块，以及实时监测连接活性。
所述融合导航模块用于通过导航滤波算法处理传感器信息，得到模拟AUV当前状态估计值并发送给规划决策模块。
所述规划决策模块用于根据各模拟AUV当前状态估计值，通过路径规划算法结合优化方法，得到各模拟AUV下一时刻的状态期望值并发送给运动控制模块。
所述运动控制模块用于根据各模拟AUV下一时刻的状态期望值，通过pRB_PID进程的控制逻辑转化为控制信息，再由pUART进程封装成数据帧后发送给模拟AUV实现运动控制；
所述pUART进程用于串口通信，将控制信息组装成帧。
所述模拟AUV的状态信息包括三维位置、速度、姿态角。


2.如权利要求1所述多AUV水下协同作业的模拟实验平台，其特征在于，所述pComm进程采用IO多路复用机制，包括一个主线程和两个子线程；其中，主线程用于获取数据和MOOSDB通信；一个子线程用于启动进程与MOOSDB通信；另一个子线程用于pComm与客户端通信；所述客户端为智能终端或ROV处理机；
pComm与客户端通信的子线程使用基于事件驱动的支持IO多路复用技术的网络通信服务器，支持多个客户端同时连接；在初始化后等待事件发生，包括连接事件、读事件、写事件和定时事件；
所述连接事件用于处理新客户端的网络连接并为其注册读写事件；
所述读事件用于读取客户端的传感器信息数据包，解码提取原始数据；
所述写事件用于发送命令信息，将其编码成帧后发送给客户端；
所述定时事件用于检测连接活性，客户端定时发送心跳检测数据到pComm进程，在定时器中检查最近接收的心跳包是否超时；如超时则连接失效，尝试重新连接，同时pComm进程自动清理失效连接有关的数据，为新连接创建所需资源。


3.如权利要求2所述多AUV水下协同作业的模拟实验平台，其特征在于，所述pComm进程还将传感器信息数据包分发到MOOS平台中的各传感器进程，并统计传输速率和延时用来验证各模块通信是否能达到实时要求；所述传感器进程包括惯导模拟传感器进程、声传感器模拟进程、其他目标模拟进程和视觉传感器进程；所述惯导模拟传感器进程用于模拟惯...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐元欣，阮亮，马鑫奇，李曾妮，战元龙，林佳祥，裴鹏辉，李铭凯，郑少波，张彩宝，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33