一种用于海洋机器人的兼容半物理/全数字的仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于自主海洋机器人的兼容半物理/全数字仿真模式的仿真系统设计方法，具体的说是采用面向对象的模块化软件设计开发技术，结合虚拟机技术并通过局部硬件替换，构建兼容半物理和全数字两种模式的虚拟运行环境并使自主海洋机器人的智能控制软件在这个虚拟环境中执行，进而使自主海洋机器人的智能控制软件在进行实航试验前得到充分验证的仿真方法。
【背景技术】
[0002]以往的自主海洋机器人通常采用半物理的方式构建仿真系统，并通过半物理仿真的手段来验证其智能控制软件的正确性和有效性，虽然这种仿真具有验证全面、有效的优点，但整个仿真系统体积较大，信号连接线路复杂，随着研制阶段的进展，仿真验证工作重点的转移，其使用不便的缺点逐渐显露。针对半物理仿真的不足，出现了使用全数字方式构建仿真系统的技术，从而大幅度减小了仿真系统的体积并提高了使用便利性，但这种全数字仿真模式下所验证的海洋机器人智能控制软件和所使用的仿真工控机软件都是经过裁剪的软件，它们的整体结构和功能与实际使用及半物理仿真使用的软件差异较大，只能用于验证特定的功能或方法，与半物理方式相比其仿真验证的全面性及有效性大大降低。为了结合半物理仿真和全数字仿真的优点，避免它们的不足，需要形成一种新的仿真系统设计方法，以便根据实际需要或研制阶段的不同灵活方便的使用不同的仿真技术，并使它们具有极大的等效性。
[0003]专利内容
[0004]为了克服目前自主海洋机器人仿真方法的不足，本专利提供了一种用于自主海洋机器人的兼容半物理/全数字仿真模式的仿真系统设计方法。
[0005]本专利采用的技术方案是:一种用于海洋机器人的兼容半物理/全数字的仿真方法，包括以下步骤:
[0006]一种用于海洋机器人的兼容半物理/全数字的仿真方法，包括以下步骤:
[0007]在仿真工控机的仿真软件中建立多个软件层，使其能够在连接便携计算机以及、通过电气信号转接盒连接机器人控制系统计算机的两种仿真模式之间进行切换，实现全数字或半物理仿真。
[0008]所述建立多个软件层具体为依次建立虚拟设备层、通信层、虚拟电气信号转接盒;
[0009]建立虚拟设备层具体为建立多个虚拟设备对象，模拟实际机器人所安装的设备和传感器功能；所述虚拟设备层通过通信层接收便携计算机或海洋机器人控制系统计算机发来的控制信息，并发送至动力及运动学模型；还接收由动力及运动学模型得到的传感器信息，并发送至通信层；
[0010]建立通信层具体为建立多个信道对象，实现虚拟设备对象与便携计算机或机器人控制系统计算机之间的通信；所述通信层接收便携计算机或机器人控制系统计算机发来的控制信息，并发送至多个虚拟设备对象；所述通信层还接收多个虚拟设备对象的反馈信息，并发送至便携计算机或机器人控制系统计算机；
[0011]建立虚拟电气信号转接盒具体为建立其内部包含两组网络信道对象的虚拟设备，一组网络信道对象与通信层中的多个信道对象通信，另一组与便携计算机通信；所述虚拟电气信号转接盒进行模拟实际电气信号转接盒的信号转接以及数据格式转换的功能。
[0012]所述通信层接收便携计算机或机器人控制系统计算机发来的控制信息中，接收便携计算机发来的控制信息具体为:所述通信层通过虚拟电气信号转接盒将便携计算机发来的控制信息转发至与半物理仿真时相应的虚拟设备对象。
[0013]所述通信层还接收多个虚拟设备对象的反馈信息，并发送至便携计算机具体为:接收多个虚拟设备对象的反馈信息，并经虚拟电气信号转接盒发送至便携计算机。
[0014]所述便携计算机和机器人控制系统计算机的控制软件中驱动层内均包括两组接口函数，其中一组接口函数用于半物理仿真时与仿真工控机中的通信层进行通信，另一组接口函数用于全数字仿真时，通过仿真工控机中的虚拟电气信号转接盒与通信层进行通?目。
[0015]本方法具有以下有益效果及优点:
[0016]1.本方法采用的仿真系统设计方法可以实现半物理和全数字两种仿真模式下仿真工控机软件和智能控制软件的同步设计、开发和实现，实现两种仿真模式下仿真工控机软件和智能控制软件中绝大部分软件模块(仿真工控机软件中的信道对象及智能控制软件驱动层中的数据输入输出接口函数不能复用)的复用。
[0017]2.在全数字仿真模式下，除设备/传感器数据输入输出方法方面外，通过仿真对智能控制软件验证的全面性及有效性完全等同于半物理仿真。
[0018]3.本方法简单可行，工作可靠，在仅局部替换计算机及小范围替换软件模块(仅智能控制软件驱动层中的数据输入输出方法和仿真工控机软件中的信道对象需随着仿真模式不同进行相应的替换，除此之外的软件模块不需要进行任何更改)的前提下兼容了半物理和全数字两种不同的仿真模式。
[0019]4.本方法可在保证仿真工控机软件及海洋机器人智能控制软件整体架构稳定的条件下，通过硬件替换实现兼容半物理/全数字仿真的功能，并使全数字仿真与半物理仿真具有极大的等效性，为保障自主海洋机器人智能控制软件的正确性和有效性提供有效验证手段。
【附图说明】
[0020]图1是本发明采用面向对象方法设计的仿真工控机软件结构图；
[0021]图2是仿真工控机软件中虚拟设备对象的派生关系图；
[0022]图3是仿真工控机软件中信道对象的派生关系图；
[0023]图4是仿真工控机软件中虚拟设备对象和信道对象关系的示意图；
[0024]图5是仿真工控机软件中虚拟电气信号转接盒的示意图；
[0025]图6是海洋机器人智能控制软件的总体结构图；
[0026]图7是半物理仿真模式的系统结构图；
[0027]图8是全数字仿真模式的系统结构图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本专利做进一步的详细说明。
[0029]使用面向对象方法设计仿真工控机软件，使仿真工控机软件包括虚拟设备层、通信层和虚拟电气信号转接盒等软件层次；使用分层结构设计海洋机器人智能控制软件；将海洋机器人控制系统计算机连接实际设备/传感器的硬件接口通过电气信号转接盒连接到仿真工控机的硬件接口板卡上，将仿真工控机和视景显示计算机连接到一个以太网上，构建半物理仿真系统；将海洋机器人控制系统计算机替换为普通便携计算机，使用虚拟机软件在普通便携计算机内创建一台虚拟计算机，设置其与实际海洋机器人控制系统计算机具有相同的硬件配置，并在其中安装实际海洋机器人控制系统计算机内使用的嵌入式实时操作系统；在此操作系统内运行海洋机器人的智能控制软件，将上述便携计算机连接至仿真工控机和视景显示计算机所在的以太网中，去除电气信号转接盒，通过硬件替换构建全数字仿真系统。
[0030]虚拟设备层:包括多个虚拟设备对象，用于模拟实际机器人所安装的设备和传感器功能；通过通信层接收便携计算机或海洋机器人控制系统计算机发来的控制信息，并发送至动力及运动学模型；还接收由动力及运动学模型得到的传感器信息，并发送至通信层；本层通过创建各具体虚拟设备类的对象实例的方法建立；
[0031]通信层:包括多个信道对象，用于虚拟设备模块与，便携计算机或机器人控制系统计算机之间的通信；接收便携计算机或机器人控制系统计算机发来的控制信息，并发送至多个虚拟设备对象；还接收多个虚拟设备对象的虚拟反馈信息，并发送至便携计算机或机器人控制系统计算机；在半物理仿真时，本层通过创建各具体信道类的对象实例的方法创建，在全数字仿真时，本层通过创建网络信道类的对象实例(个数等同于半物理仿真时的对象实例个数)的方法创建；创建信道对象后，将虚拟设备层中的虚拟设备对象按照对应关系分别关联到各信道对象，之后启动各信道对象让其进入工作状态；
[0032]虚拟电气信号转接盒:从虚拟设备基类派生的特殊虚拟设备，其内部包括两组网络信道对象，一组用于与通信层中的多个信道对象通信，另一组用于与便携计算机通信；进行模拟实际电气信号转接盒的信号转接以及数据格式转换的功能；本层通过创建虚拟电气信号转接盒类的对象实例的方法建立，对象建立之后，调用其启动方法让其进行工作状态，启动方法内部将虚拟电气信号转接盒对象自身分别关联到两组网络信道对象中的每一个，然后让各网络信道对象进入工作状态，在半物理仿真时，虚拟电气信号转接盒没有实际作用。
[0033]1.使用面向对象方法设计仿真工控机软件
[0034]设计结果如图1所示，具体包括以下4个关键步骤:
[0035]如图2所示，抽取海洋机器人所安装各种设备/传感器的共性定义一个虚拟设备基类(CVirtualDevice),由它定义一个抽象界面，各具体虚拟设备用这个抽象基类的派生类来表示，以实现特定