[发明专利]一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于ROS‑Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，包括以下步骤：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；2)将三维模型导出生成xml语法格式的参数化模型文件，并导入到ROS仿真环境；3)建立描述刚体运动特征的无人艇六自由度运动方程；4)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；5)利用ROS进程间通信机制，设计分布式仿真软件架构；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，实现系统各个功能模块的消息传递；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。本发明无人艇仿真方法提高了仿真模型的准确性。

技术领域

本发明涉及无人艇仿真建模技术，尤其涉及一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法。

背景技术

无人艇运动仿真技术是测试和验证无人艇在复杂海况下航行和作业能力的重要手段。如何设计能够模拟复杂海况、具有较高运动响应可信度、实时三维视景交互的仿真测试平台是国内外科学与工程技术人员关心的要点。

船舶仿真模拟器以训练仿真为主，具备实时三维视景交互，重点解决虚拟环境下对船员的作业流程培训问题。当船舶发展无人化技术后，能够具备测试无人装备性能、开展无人系统作业方案仿真预演与验证的专用仿真建模方法及平台成为新的发展需求。为此，国内外利用Matlab、Creator、Vega Prime、Unity等平台设计了多种不同用途的无人艇仿真模拟器，但现有仿真平台在通用性、逼真度、拓展性方面却难以满足无人艇及其日益增多的感知设备、执行单元的模拟。现有无人艇仿真测试平台面临的主要问题包括：无人艇仿真模型通常是依靠简化后的三自由度或四自由度数学模型，难以对无人艇的纵摇与横摇姿态进行准确模拟；无人艇仿真环境风浪流模拟难以做到跟环境外流场的耦合，简化定常环境模拟难以准确表达真实海况的运行响应；专用开发的无人艇平台难以做到快速兼容新模块、新对象的集成仿真测试，对仿真环境的适用性带来限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法，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；

式(1)中，矩阵M为系统惯性矩阵(包含附加质量)，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；