[發明專利]一種通用無人潛水器及其仿真軟件平臺

有效

• 申請號: 202011541255.0
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112530007B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 張立偉;劉潔琳;王文凱;何炳蔚
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 丘鴻超;蔡學俊

1.一種通用無人潛水器的仿真軟件平臺，其特征在于，所述通用無人潛水器包括底板，所述底板上方設有兩個密封艙，其中第一密封艙用于放置鋰電池，第二密封艙用于放置相機云臺與IMU模塊、通信、控制系統，所述無人潛水器的前方、后方、上方各裝有兩個推進器，底板下方設有DVL和測深聲吶傳感器，兩側設有支撐擋板，兩支撐擋板中間設有浮力架及浮力塊；

所述通用無人潛水器的仿真軟件平臺，包括：

（1）創建所述無人潛水器的三維模型，在推進器坐標系XYZ中，設置X軸方向與旋轉軸平行，無人潛水器推進器裝配位置處坐標系設為UVW，其中U軸為旋轉軸，將無人潛水器本體與推進器進行裝配時讓X軸和U軸重合，裝配完成；進行相關參數設置后導出無人潛水器的模型文件；

（2）創建仿真環境的海底三維模型，導出模型文件；創建文件配置仿真環境的物理屬性：流速、水密度、碰撞屬性及其相關屬性的可視化；

（3）創建兩個可視化窗口，分別為可實時觀察無人潛水器運動狀態及其周圍水域環境的三維動畫窗口和實時觀察到相機云臺錄像、無人潛水器運動軌跡、測深聲吶圖像的可視化窗口。

2.根據權利要求1所述的一種通用無人潛水器的仿真軟件平臺，其特征在于，所述底板為中間為圓形的工字形底板，具有四個線性陣列分布的用于安裝第一密封艙的螺紋孔以及四個圓周陣列分布的用于安裝DVL的螺紋孔；所述底板、支撐擋板材料為鋁合金；所述第一密封艙為圓柱形殼體，其材料為鋁合金；所述第二密封艙為半球形封頭的圓柱形殼體，所述半球形封頭為相機云臺的觀察窗口，其材料為丙烯酸塑料，所述圓柱形殼體材料為鋁合金。

3.根據權利要求2所述的一種通用無人潛水器的仿真軟件平臺，其特征在于，所述第二密封艙內的上位機通過USB端口與相機云臺、測深聲吶與IMU連接，DVL通過RS485通訊總線與MODBUS協議實現與上位機的通訊，其中相機云臺和IMU模塊位于第二密封艙內。

4.根據權利要求1所述的一種通用無人潛水器的仿真軟件平臺，其特征在于，所述無人潛水器三維模型的世界坐標為X1Y1Z1，設Z1軸方向向上，X1向前，Y1軸向左；無人潛水器的六個推進器裝配處的坐標系均為UVW，其中U軸方向與裝配處柱面軸線平行；其子裝配體，即推進器的坐標系為XYZ，其中X軸方向與旋轉軸平行；

基架與推進器進行裝配，令U軸與X軸重合，導出無人潛水器的URDF模型，模型文件分為總裝配體模型文件、基架模型文件、與子裝配體數量相同的推進器模型文件；為減少推進器的運動過程中異常情況的發生率，對URDF模型中所有的子裝配體取相同的模型文件。

5.根據權利要求1所述的一種通用無人潛水器的仿真軟件平臺，其特征在于，所述仿真軟件平臺的應用方法為：

（1）將創建的所述無人潛水器模型，導入所述仿真環境中，操作者通過鍵盤或遙控器控制進行運動，實現無人潛水器包括：進退、側移、潛浮、回轉、橫搖、縱傾在內的六個自由度的運動；在所述可視化窗口實時顯示相機云臺所拍攝的水下場景錄像，在所述三維動畫窗口實時顯示無人潛水器的運動狀態的三維動畫；

（2）將創建的所述無人潛水器模型，導入所述仿真環境中，操作者通過指定若干個坐標點的方式，驅動無人潛水器進行定點作業，從而實現無人潛水器既定軌跡的自主航行任務；在選定軌跡進行運動時，具有補償外部擾動的功能，通過對無人潛水器進行實時狀態估計，當無人潛水器偏離既定軌跡時，自動回到正確軌跡，來保證無人潛水器到達的定點位置的正確性；

（3）在完成既定軌跡自主航行任務過程中，在所述可視化窗口通過三維動畫顯示既定軌跡以及實時運動軌跡，操作者實時觀察運動準確性，以給予操作者沉浸式體驗；

（4）在無人潛水器鍵盤控制運動過程中，根據航行任務需要開啟測深聲吶，完成對無人潛水器所航行領域的海底三維模型的獲取，同時在可視化窗口中實時看到海底三維模型的獲取進度以及已獲得的模型。

6.根據權利要求5所述的一種通用無人潛水器的仿真軟件平臺，其特征在于，所述既定軌跡自主航行，基于運動控制算法以及濾波算法，實現無人潛水器在獲取指定坐標點數據后，按既定軌跡自主航行至各個坐標點，并通過EFK算法進行位姿估計，當無人潛水器位姿偏離既定軌跡時自動進行糾正，提高無人潛水器在補償外部擾動的狀態下進行工作的能力，保證其運動位置的準確性；同時操作者在仿真軟件中可看到航行過程無人潛水器的實時運動狀態以及周圍的水域環境，在可視化環境中可看到無人潛水器運行的既定軌跡以及無人潛水器實時運動軌跡，通過對二者重合度的直接觀察可了解無人潛水器的運動情況。