觀測級(jí)ROV半實(shí)物仿真系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

倪 昱，蘇 濤，孫功武，李新光

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，為仿真技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，仿真系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。建立仿真系統(tǒng)對(duì)于ROV等水下機(jī)器人主要具有兩方面的作用：一方面可以在仿真環(huán)境下開展功能驗(yàn)證，盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題，降低水池或海上試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面可通過仿真系統(tǒng)對(duì)操作人員進(jìn)行模擬訓(xùn)練，大幅降低培訓(xùn)成本并保證培訓(xùn)的安全性[1-2]。

國內(nèi)外在ROV仿真系統(tǒng)的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了不少成果。加拿大GRI公司開發(fā)了仿真系統(tǒng)Vortex ROV，為ROV操作人員提供模擬培訓(xùn)；國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)也基于Vortex建立了一套功能相對(duì)齊全、模擬效果逼真、滿足仿真要求的ROV仿真系統(tǒng)[3]。

以往ROV仿真的研究及應(yīng)用通常采用純虛擬仿真技術(shù)，主要用于模擬培訓(xùn)。為了對(duì)ROV控制系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)、程序邏輯、數(shù)據(jù)接口、可靠性等進(jìn)行更加有效的驗(yàn)證，中國船舶科學(xué)研究中心研究了ROV半實(shí)物仿真平臺(tái)的技術(shù)方案，并實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)的觀測級(jí)ROV的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

1 觀測級(jí)ROV

本文建立的仿真系統(tǒng)理論上可用于各種纜控潛器（ROV），這里主要針對(duì)某觀測級(jí)ROV，如圖1所示。該觀測級(jí)ROV用于海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目，由中國船舶科學(xué)研究中心自主研制，目前已完成水池試驗(yàn)和海上試驗(yàn)。

圖1 觀測級(jí)ROVFig. 1 Observation level ROV

2 ROV半實(shí)物仿真系統(tǒng)架構(gòu)

圖2為觀測級(jí)ROV半實(shí)物仿真系統(tǒng)的架構(gòu)，左側(cè)虛框內(nèi)為實(shí)物部分，即ROV控制系統(tǒng)，右側(cè)虛框內(nèi)為虛擬的ROV仿真系統(tǒng)。

圖2 ROV仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 Framework for the ROV simulation system

ROV控制系統(tǒng)實(shí)物硬件上包含顯控計(jì)算機(jī)和航控嵌入式計(jì)算機(jī)。顯控計(jì)算機(jī)采用Intel x86-64平板電腦，安裝Windows10操作系統(tǒng)，外接操控手柄作為輸入設(shè)備。顯控計(jì)算機(jī)運(yùn)行顯示控制程序，主要用于水面人機(jī)交互，可以發(fā)送用戶的操控指令，并對(duì)ROV的狀態(tài)數(shù)據(jù)和攝像機(jī)視頻進(jìn)行顯示。航控嵌入式計(jì)算機(jī)采用arm 64的嵌入式計(jì)算機(jī)，安裝嵌入式Linus操作系統(tǒng)，運(yùn)行航行控制程序，主要用于ROV航行運(yùn)動(dòng)控制及狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，可根據(jù)ROV當(dāng)前狀態(tài)和操控指令解算推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

ROV仿真系統(tǒng)的硬件是仿真計(jì)算機(jī)，采用Intel x86-64圖形工作站，配置nvidia RTX 2 080顯卡，安裝Windows10操作系統(tǒng)，主要用于運(yùn)動(dòng)仿真和視景仿真。其運(yùn)行運(yùn)動(dòng)仿真程序基于國產(chǎn)多領(lǐng)域建模仿真軟件MWorks實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)求解出ROV的位置和姿態(tài)；運(yùn)行視景仿真程序基于跨平臺(tái)視景仿真軟件Unity3D實(shí)現(xiàn)，可模擬攝像機(jī)/燈光設(shè)置，并根據(jù)ROV的位置和姿態(tài)進(jìn)行視景實(shí)時(shí)渲染。

ROV半實(shí)物仿真系統(tǒng)軟件的信息流如下：

1）顯示控制程序?qū)⒉倏刂噶畎l(fā)送給航行控制程序，并接收航行控制程序采集的ROV狀態(tài)信息；

2）航行控制程序?qū)⑼七M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)送給運(yùn)動(dòng)仿真程序，并將觀察設(shè)備控制指令發(fā)送給視景仿真程序；

3）運(yùn)動(dòng)仿真程序?qū)a(chǎn)生的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給航行控制程序和視景仿真程序；

4）視景仿真程序?qū)⒁暰颁秩井a(chǎn)生的視頻發(fā)送給顯示控制程序。

ROV半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，顯控計(jì)算機(jī)、航控嵌入式計(jì)算機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)通過高速以太網(wǎng)進(jìn)行連接，其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信通過OPC UA協(xié)議實(shí)現(xiàn)[4]。航控計(jì)算機(jī)的航行控制程序中包含OPC UA服務(wù)器，其建立了通信數(shù)據(jù)的OPC UA信息模型，顯控程序和仿真程序作為OPC UA客戶端對(duì)信息模型進(jìn)行讀寫操作，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取或者指令發(fā)送。相對(duì)于傳統(tǒng)TCP，UDP等通信協(xié)議，使用OPC UA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，軟件之間耦合度更低，更易于系統(tǒng)集成調(diào)試。仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)仿真程序和視景仿真程序，通過內(nèi)存映射文件技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通信。

3 ROV運(yùn)動(dòng)控制仿真

該觀測級(jí)ROV的運(yùn)動(dòng)仿真根據(jù)水下機(jī)器人的六自由度運(yùn)動(dòng)方程[5]（式（1）為動(dòng)力學(xué)平衡方程，式（2）為運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換方程）進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮了水流、波浪等環(huán)境影響，其中水動(dòng)力系數(shù)根據(jù)CFD模擬計(jì)算獲得[6]。

其中：M為ROV慣性矩陣；C(v)為ROV科氏及向心力矩陣；D(v)為ROV流體阻力矩陣；g(η)為由重力和浮力組成的回復(fù)力矩陣；τ為ROV推進(jìn)器提供的推力；C(v)=CRB+CA；ξ為環(huán)境干擾力，ξ∈R6×1；vξ=v?vd

ROV的動(dòng)力學(xué)求解在MWorks軟件上實(shí)現(xiàn)，MWorks采用多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica，支持基于方程的陳述式建模，相對(duì)于基于傳統(tǒng)的因果建模更適于表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)力學(xué)求解Modelica實(shí)現(xiàn)流程Fig. 3 Implementation process of dynamic solution with Modelica

觀測級(jí)ROV運(yùn)動(dòng)控制中最重要的是定深和定向功能。航行控制程序?qū)ι疃?、航向這2個(gè)自由度進(jìn)行閉環(huán)控制，首先讀取自由度反饋值，計(jì)算自由度偏差，然后通過控制算法得到自由度位置控制量，最后解算出6個(gè)推進(jìn)電機(jī)的推力分配和電機(jī)轉(zhuǎn)速[7]?？刂扑惴ㄊ褂肞ID算法（式（3）），其控制參數(shù)需要在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行調(diào)整。

圖4為定向測試的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。t=0時(shí)設(shè)開始下潛，到達(dá)6 m時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)定深。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定深功能正常，能以當(dāng)前值定深或改變目標(biāo)值后重新定深。

圖4 定深測試的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Simulation results of depth control

圖5為定向測試的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。t=0時(shí)設(shè)置目標(biāo)航向值270°，啟動(dòng)自動(dòng)定向；然后取消自動(dòng)定向；再設(shè)置目標(biāo)航向值300°，啟動(dòng)自動(dòng)定向；最后設(shè)置定向目標(biāo)值90°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定向功能正常，能以當(dāng)前值定向或改變目標(biāo)值后重新定向。

圖5 定向測試的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Simulation results of yaw control

4 ROV視景仿真

Unity3D引擎具有開放性好、支持跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)，目前在虛擬現(xiàn)實(shí)、視景仿真等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖6為基于Unity3D的觀測級(jí)ROV視景仿真實(shí)現(xiàn)流程。

1）場景對(duì)象建模

圖6 視景仿真流程圖Fig. 6 Flow chart of visual simulation

視景仿真首先需要給ROV和其他場景對(duì)象建模。在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)用CATIA軟件制作了該觀測級(jí)ROV幾何模型。將此幾何模型導(dǎo)入到三維建模軟件3DS MAX中，進(jìn)行模型層級(jí)關(guān)系調(diào)整和曲面網(wǎng)格簡化，并增加表面材質(zhì)、紋理信息得到貼圖模型[8]。因?yàn)閁nity3D中采用的是左手坐標(biāo)系，在3DS MAX中需要將模型沿X軸旋轉(zhuǎn)90°，以保證視景模型在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后初始?xì)W拉角為0°。為了增加視景仿真的真實(shí)感，可以在場景中增加其他對(duì)象，包括魚、珊瑚、水草、?？⒑Ｄ懙群Ｑ髣?dòng)植物，在3DS MAX可以通過創(chuàng)建AEC對(duì)象來創(chuàng)建，也可以下載現(xiàn)有的3DS MAX動(dòng)植物模型。場景對(duì)象建模完成后，保存成FBX文件格式。

2）搭建水下和水面場景

將場景對(duì)象FBX文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后，搭建水下和水面場景，主要任務(wù)是水下地形地貌、水下和水面視景效果的生成和展現(xiàn)。Unity3D包含了地形編輯Terrain工具，而真實(shí)的地形數(shù)據(jù)一般通過數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行描述，Unity3D展示真實(shí)地形需要在Terrain中導(dǎo)入DEM數(shù)據(jù)[9]。具體過程如下：首先通過Global Mapper等地圖軟件將DEM數(shù)據(jù)保存成文本格式，然后將絕對(duì)的高度值轉(zhuǎn)換成Terrain需要的高度差值，最后對(duì)terrain.terrainData賦值完成高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入。在Terrain中還需要進(jìn)行貼圖以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的地形地貌效果。水下和水面的視景效果通過Unity3D的插件AQUAS Water實(shí)現(xiàn)，該插件可以設(shè)置水下的霧效果、氣泡效果、能見度、光學(xué)折射效果等屬性，也可以設(shè)置水面的水面顏色、波浪紋理和強(qiáng)度等屬性。

3）確定場景對(duì)象展示

通過C#腳本二次開發(fā)，Unity3D可通過內(nèi)存映射文件從運(yùn)動(dòng)仿真程序讀取當(dāng)前時(shí)刻、觀測級(jí)ROV的位置、姿態(tài)、速度、角速度等數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)仿真程序更新頻率太低時(shí)，可在當(dāng)前時(shí)刻位置、姿態(tài)的基礎(chǔ)上，加上速度/角速度與時(shí)間間隔的乘積進(jìn)行修正。為避免讀取數(shù)據(jù)阻塞影響視圖的渲染效率，需要通過獨(dú)立的線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，而不是在Unity3D主線程的Update（）函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

在Unity3D中可設(shè)置多個(gè)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)第一人稱視角和第三人稱視角的轉(zhuǎn)換。當(dāng)采用第一人稱視角時(shí)模擬真實(shí)攝像機(jī)，需讀取OPC UA的攝像機(jī)焦距、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)改變攝像機(jī)設(shè)置；當(dāng)采用第三人稱視角時(shí)，可通過C#腳本實(shí)現(xiàn)第三人稱攝像機(jī)跟隨ROV自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。Unity3D還需要讀取OPC UA的燈光亮度，以該改變場景中的燈光設(shè)置。根據(jù)攝像機(jī)/燈光設(shè)置，按ROV和其他場景對(duì)象的三維位姿將其投影到二維平面，可確定實(shí)際展示的場景對(duì)象。

4）視景實(shí)時(shí)渲染及輸出

Unity3D完成視景實(shí)時(shí)渲染并輸出到流媒體服務(wù)器，通過H264/265格式進(jìn)行視頻壓縮編碼，然后以RTSP流媒體協(xié)議傳輸?shù)斤@控計(jì)算機(jī)，模擬攝像機(jī)的視頻顯示。

5 結(jié) 語

本文研究和實(shí)現(xiàn)了觀測級(jí)ROV半實(shí)物仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能模擬ROV在水中的運(yùn)動(dòng)，并具有逼真的視景展示效果，其運(yùn)動(dòng)控制功能通過了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)基于OPC UA協(xié)議建立半實(shí)物仿真架構(gòu)，軟件耦合度較低，方便進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。后續(xù)將進(jìn)一步研究機(jī)械手、導(dǎo)航設(shè)備、聲吶設(shè)備等的模擬仿真，以提升半實(shí)物仿真系統(tǒng)的完整性和真實(shí)性。