水下机器人半实物运动仿真系统的设计

　　摘要：通过对水下机器人体系结构中的控制层进行实物仿真和对感知层以及执行层进行虚拟仿真相结合的方法建立了水下机器人半实物运动仿真系统，该仿真系统不仅能够对整个系统的软件逻辑进行测试，同时能够对水下机器人控制系统的硬件体系、数据接口、可靠性都进行验证。详细阐述了水下机器人半实物运动仿真系统的硬件和软件体系结构，并对虚拟仿真中的水动力仿真、运动传感器仿真以及实物仿真中的运动控制系统的设计进行了说明。最后通过远距离航行仿真试验和避碰仿真试验证明了所设计的水下机器人半实物运动仿真系统对实际海试具有重要的参考价值。

　　关键词：水下机器人，半实物运动仿真，硬件体系，软件体系，运动控制

　　引言1

　　智能水下机器人在军事应用和海洋开发方面有极为广阔的应用前景，已成为西方发达国家发展智能化海军武器的重要方向之一[1]。海洋中的环境十分复杂，并且缺少必要的观察和通讯手段，当水下机器人在海中进行工作和试验时，很难现场实时地进行监控。水下机器人本身是十分复杂、昂贵的设备，一旦在试验或工作的过程中出现失误，可能会造成大量时间和金钱的浪费，这就要求在进入正式工作或试验之前，必须确保水下机器人工作的稳定性。传统的水下机器人仿真系统仅仅能够对于整个系统的软件逻辑进行测试[2][3]，可是对于水下机器人控制系统的硬件体系、数据接口、可靠性都缺乏有效的手段来验证。文中提出了水下机器人半实物仿真系统，通过对于水下机器人体系结构中的控制层进行实物仿真，而对于感知层以及执行层进行虚拟仿真来构建水下机器人半实物仿真系统。

　　水下机器人的体系结构可以用感知层、控制层、执行层来表示[4]。感知层主要是从各种传感器获取信息，控制层主要是水下机器人执行算法程序、数据采集、下达指令的系统，执行层主要是指水下机器人的动力系统，如推进器等等。由于水下机器人所采用设备一般都要求在水下工作如传感器往往都是水下声学设备，推进器为特种水下设备，在空气中都是不能使用，这些都导致很难实现全实物仿真。控制层是智能水下机器人的核心控制系统，包括一系列的工控设备、算法实现，其数据接口、可靠性都急需通过仿真调试来验证。本文通过实物仿真控制层和接口协议，并结合虚拟仿真感知层、执行层的方法来设计智能水下机器人的半实物仿真系统，并将其应用到实验室开发的“ZS-IV”型水下机器人的仿真调试。

　　1 半实物运动仿真硬件体系结构

　　图1 为“ZS-IV”型水下机器人半实物运动仿真系统的硬件体系结构，虚线框外为实物仿真的部分，虚线框内为虚拟仿真部分。

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