[发明专利]一种有缆水下作业机器人仿真系统

权利要求书

1.一种有缆水下作业机器人仿真系统，其特征在于：包括：

机器人控制模块，用于切换水下机器人控制模式及控制水下机器人运动；

仿真模块，该仿真模块用于仿真水下环境、机器人运动及传感器；

图形用户界面模块，该图形用户界面模块主要用于人机交互及显示相关的文本视频数据；

数据平台，数据平台用于存储来自传感器的数据，用于后续进行数据分析及回放仿真过程；

单机集成模块，该单机集成模块用于将机器人控制模块、仿真模块及图形用户界面模块通过AssestBundle技术打包形成完整的仿真软件包。

2.根据权利要求1所述的有缆水下作业机器人仿真系统，其特征在于：所述机器人控制模块具有手动控制模式和自动控制模式，所述手动控制模式为采用触屏功能按键及手柄给机器人、机械臂及机械爪发送运动指令，所述自动控制模式为通过外部开发好的环境感知、决策规划及运动控制算法，控制机器人、机械臂及机械爪完全自主式地执行相关动作，其中，自动控制模式支持SIL及HIL两种方式：SIL采用以太网实现运行仿真系统的服务器PC与基于MATLAB/Simulink实现自动控制算法的客户端PC之间的双向通信；HIL采用以太网实现运行仿真系统的服务器PC、嵌入式控制器及客户端PC三者之间的通信，嵌入式控制器用于环境感知、决策规划及运动控制，客户端PC基于ADAMS实现水下机器人的动力学建模。

3.根据权利要求2所述的有缆水下作业机器人仿真系统，其特征在于：所述仿真模块包括：

3D模型及场景库，该3D模型库及场景库提供多种接口，可支持3D建模软件，构建的模型及场景涵盖不同的水域深度，可用于不同水域深度的仿真；

机器人运动仿真，该机器人运动仿真由机器人模型、动力学模型及物理引擎PhysX配合完成；

3D静态场景仿真，该3D静态场景通过3D物体模型组合及渲染引擎OSG配合完成，渲染引擎主要负责构建水底地形、水下环境颜色、水体及光照，水底地形基于加权外推及双三次样条插值细分算法进行建模，水下环境颜色由OSG的雾效设置，水体的浑浊效果由OSG的粒子系统并兼顾能见度及实时性产生，水下光照采用Iwasaki提出的基于物理模型的方法进行模拟；

3D动态场景仿真，该3D动态场景通过3D物体模型组合及物理引擎PhysX配合完成，编写脚本配置物体运动参数，由PhysX产生具体的可视化运动效果；传感器仿真，该传感器仿真用于模拟水下作业机器人搭载的各种传感器，包括摄像头、声呐、压力传感器、深度传感器、定位传感器、速度传感器、IMU；其中，摄像头仿真采用基于物理真实的仿真方法，声呐仿真过程中采用光栅化方法基于探测物体表面法线及深度值计算主反射并采用射线追踪方法对反射区域进行二次反射，机器人定位仿真采用基于USBL原理的声学定位传感器，压力传感器、深度传感器、速度传感器及IMU的仿真均直接仿真传感器目标。

4.根据权利要求3所述的有缆水下作业机器人仿真系统，其特征在于：所述图形用户界面模块用于人机交互界面及显示相关的文本视频数据；

所述人机交互界面采用触控虚拟按键，通过虚拟按键可以实现仿真参数设置及数据调取，虚拟按键可设置的内容包括：水下照明灯的开关、各种传感器的开关、缆绳的收放、机器人控制模式切换、报警开关、推进器使能与否；

文本数据显示的内容包括：水下机器人的位置、姿态、所在海拔、所在深度、运动速度，视频数据显示的内容包括：水下机器人所处水下环境、机械臂及机械爪细节、水下机器人作业过程。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的有缆水下作业机器人仿真系统，其特征在于：所述仿真软件包的执行步骤如下：

第一步：运行仿真软件；

第二步：从仿真软件的3D模型及场景库中选择并加载机器人模型及水下场景；

第三步：通过触控屏虚拟按键选择控制模式，自动控制软件在手动控制模式下不运行，在自动控制模式下运行；

第四步：运行数据平台，数据平台与仿真软件通过UDP协议进行通讯；

第五步：手动控制模式下，用户通过图形用户界面中的功能按钮及手柄控制水下机器人运动；自动控制模式下，用户在自动控制软件中输入水下机器人的期望位姿；

第六步：仿真模块中的机器人运动仿真单元产生水下机器人、机械臂及机械爪的运动效果；手动控制模式下，传感器仿真单元将采集的水下环境、水下机器人状态等信息传递给数据平台；自动控制模式下，传感器仿真单元除了将采集的信息传递给数据平台，还会传递给自动控制软件；

第七步：当需要回放并分析仿真过程时，仿真软件可以从数据平台调取已存储的仿真过程视频进行回放。