[发明专利]一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法

权利要求书

1.一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)获取包括无人艇、无人艇作业环境、无人艇任务载荷对象的三维模型；

步骤2)将三维模型导出生成xml语法格式的参数化模型文件URFD，并导入到ROS仿真环境；

步骤3)建立描述刚体运动特征的无人艇六自由度运动方程；

步骤4)设计基于ROS-Gazebo的无人艇仿真功能包，在Gazebo三维可视化放仿真环境下定义全局和附体运动坐标系，导入作业环境模型、无人艇模型以及任务载荷模型在内的几何模型；通过插件形式将无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力加载到Gazebo刚体物理引擎获得无人艇六自由度运动状态更新信息；

步骤5)利用ROS进程间通信机制，设计分布式仿真软件架构，将无人艇自主航行、任务载荷功能划分为以下功能模块：决策模块、制导模块、导航模块、控制模块、任务模块、环境干扰外力模块、水动力模块以及控制力模块，利用插件形式实现各个功能模块的功能；

步骤6)以功能模块为节点，建立节点之间通信的消息发布与订阅规则库，通过进程通信、UDP通信方式实现系统各个功能模块的消息传递；

步骤7)设计面向认定任务需求的节点启动、环境参数配置规则，实现基于启动文件的无人艇仿真测试。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，其特征在于，所述无人艇六自由度运动方程具体如下：

式中，矩阵M为系统惯性矩阵，M＝M_RB+M_A；其中，M_RB为无人艇刚体惯性矩阵，M_A为无人艇水中航行带来的附加质量惯性矩阵；C(v)为总科里奥利向心力矩阵，C(v)＝C_RB(v)+C_A(v)，其中，C_RB(ν)为无人艇运动科里奥利向心力矩阵，C_A(ν)为附加质量的科里奥利向心力矩阵；D(v)是水动力阻尼矩阵，D(v)＝D+D_n(v)，水动力阻尼矩阵用于描述水动力在无人艇上的作用，其中，D为线性水动阻力系数矩阵，D_n(v)为非线性水动阻力系数矩阵；τ为推进器提供的纵向推力和转向力矩；τ_d为风、浪、流在内的环境扰动力和力矩；一维向量v＝[u,v,w,p,q,r]^T为无人艇六自由度运动状态矩阵，包括纵荡u、横荡v、垂荡w、艏摇r、纵摇q、横摇p；R(ψ)为附体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵；为无人艇在惯性坐标系下的六自由度位移和姿态描述矩阵，包括三个方向的位置描述x,y,z，以及横倾角φ，纵倾角θ，艏向角ψ。

3.根据权利要求1所述的一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，其特征在于，所述步骤4)中，计算无人艇运动模型受到的各种外部时变作用力将导入的无人艇模型的无人艇艇体划分为六个部分，每一部分在仿真中单独计算浮力中心相对于水面的高度，波浪起伏导致船体每一部分所在位置的波浪高度不同，由此产生不同的波浪模拟力作用，使船具有由波浪引起的俯仰和横摇运动，实现对波浪坡度的跟随，模拟一阶波浪干扰力。

4.根据权利要求1所述的一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，其特征在于，所述步骤5)中，所述功能模块具体如下：

决策模块，用于基于多目标优化算法设计无人艇仿真航行任务；

制导模块，用于利用启发式搜索算法完成无人艇任务航点之间安全可达航路规划；

导航模块，用于利用输入期望航路计算无人艇期望航向及期望航速；

控制模块，用于利用滑模、反步等控制策略实现航向跟踪控制；

任务模块，用于对作业载荷的单独控制；

环境干扰外力，用于模块通过读取外部环境流场仿真软件对特定作业环境模型的模拟结果，实现精细环境流场的加载；

水动力模块，用于计算无人艇与水环境交互的作用力情况；

控制力模块，用于计算无人艇的执行机构产生的作用力情况。