水下滑翔机器人实时仿真平台研究与开发

论文摘要

水下机器人(UUVs)可分为遥控型水下机器人(ROVs)和自治水下机器人(AUVs)两大类。本文所研究的水下滑翔机器人(Underwater Glider)属于自治水下机器人的一种。它是一个由载体系统、通讯系统、导航系统、传感器系统、能源系统和智能控制系统组成的复杂大系统。一方面,水下滑翔机器人的可靠性、稳定性和自主能力在没有得到确切的验证之前,对它进行海上实验是有很大的危险性。另一方面,由于海洋环境复杂、危险,在海上进行水下实验,还有实验成本高,周期长的缺点。针对上述问题,本文开展了水下滑翔机器人实时仿真系统的开发研究工作,并成功建立了一个实时仿真系统平台。为了充分实现仿真的实时性,在实时仿真系统平台中,采用半实物的实时仿真模式。系统硬件由自动驾驶计算机、虚拟水下滑翔机器人计算机和虚拟显示计算机三部分组成。在系统进行仿真时,将自动驾驶计算机与机载设备断开,而将自动驾驶计算机连接到虚拟水下滑翔机器人计算机上。由自动驾驶计算机产生控制指令来驱动虚拟水下滑翔机器人系统,同时从虚拟水下滑翔机器人系统获得需要的虚拟水下滑翔机器人的运动状态信息、设备状态信息、导航信息以及虚拟环境信息,而虚拟显示系统通过以太网从虚拟水下滑翔计算机接收虚拟载体位置、姿态信息,并通过动画形式显示出来,完成整个实时仿真过程。本论文所完成的工作包括:虚拟显示系统中虚拟水下滑翔机器人三维载体的MultiGen Creator建模、海底地形的Creator建模、以及MFC框架下基于Vega的实时三维视景程序的编制;虚拟水下滑翔机器人系统中GPS、电台、TCM3传感器模型和电机模型的建立;网络数据交换及三部分的联机调试。通过水下滑翔机器人实时仿真平台的成功搭建,很好的解决了水下滑翔机器人在研究开发及试验中的两个主要问题,并达到了预期的目标。更加合理、完善的仿真系统还有待研究,也是以后工作的重点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题开展的现实意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.3 水下滑翔机器人实时仿真平台设想的提出
• 1.4 水下滑翔机器人实时仿真平台的硬软件结构及工作原理
• 1.4.1 水下滑翔机器人实时仿真平台的硬件结构
• 1.4.2 水下滑翔机器人实时仿真平台的软件结构
• 1.5 本课题的主要内容
• 第二章 虚拟水下滑翔机器人系统
• 2.1 虚拟水下滑翔机器人系统软件系统流程图
• 2.1.1 参数设置部分
• 2.1.2 调试部分
• 2.1.3 运行部分
• 2.1.4 查看部分
• 2.2 虚拟传感器的实现
• 2.2.1 导航传感器的实现
• 2.2.2 声纳系统的实现
• 2.2.3 应急传感器的实现
• 2.2.4 能源系统的实现
• 2.2.5 推进系统的实现
• 2.2.6 其它虚拟传感器的实现
• 第三章 虚拟显示系统
• 3.1 Multigen Cretor建模在虚拟显示系统中的应用
• 3.1.1 建模工具MultiGen Creator介绍
• 3.1.2 基于MultiGen Creator的水下滑翔机器人虚拟三维载体建模
• 3.1.3 基于Multigen Creator虚拟场景的建模
• 3.2 实时三维视景仿真软件Vega在虚拟显示系统中的应用
• 3.2.1 Vega开发工具简介
• 3.2.2 ADF文件的生成
• 3.3 基于MFC的Vega应用程序在虚拟显示系统中的应用
• 3.3.1 Vega开发环境的选择
• 3.3.2 建立Vega应用程序的一般步骤
• 3.3.3 基于MFC的Vega应用程序在本课题中的具体实现
• 3.4 虚拟显示系统中所涉及的关键问题
• 3.4.1 建立模型的关键技术
• 3.4.2 视景仿真系统实现的关键
• 第四章 视景仿真应用软件中不同坐标系的转换
• 4.1 视景仿真系统常用软件及坐标系介绍
• 4.1.1 底层图形库及其所采用的坐标系
• 4.1.2 建模软件及其所采用的坐标系
• 4.1.3 高层场景管理软件及其所采用的坐标系
• 4.2 水下滑翔机器人三维载体视景系统中的坐标系及坐标变换
• 4.2.1 世界坐标系的定义
• 4.2.2 水下滑翔机器人三维载体视景库建模
• 4.2.3 几何模型从物体坐标系到世界坐标系的变换
• 4.2.4 采用场景管理软件对模型管理
• 第五章 水下滑翔机器人实时仿真平台的联机调试
• 5.1 水下滑翔机器人实时仿真平台硬件连接
• 5.2 水下滑翔机器人实时仿真平台中软件实现
• 5.2.1 两种通信协议介绍及选择
• 5.2.2 网络通信在本课题中的应用
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢