深水环境下应急维修半物理仿真系统的实时性检测及实现

摘要

随着人类对深水环境开展的各项活动的增加，水下机器人的应用变得越来越广泛。然而，由于水下环境十分复杂，特别是在深水环境下（水深大于1500米）缺少监测机器人运行状态的有效办法，这使得操作水下机器人十分困难，由于操作不当而引发问题的概率也大大增加。而水下机器人的科技含量与成本都很高，一个微小的操作错误都可能导致浪费大量的时间与金钱。因此，必须对操作员先进行仿真训练，熟练后才能让其操作实物。为了应对这种需求，越来越多的水下机器人仿真控制系统被建立起来。其中，可靠性较高的就是半物理仿真系统，其特点是将虚拟设备与控制器实物相连接，以替代纯粹的数学模型或软件仿真，这样做能减少仿真误差、更接近实际情况。但每一个仿真系统最终都要进行可信度评估，一个不可靠的、与真实系统差异过大的仿真系统是没有意义的。本文主要工作即是围绕仿真可信度评估展开的研究。
　　对仿真系统可信度的评估是一个庞大而复杂的过程，其涉及到的指标有很多，例如：仿真精度，仿真可靠性、仿真系统实时性程度等，本文只围绕可信度评估中的一项，即仿真系统实时性程度开展研究。针对被测半物理仿真系统，本文提出了一种测量其系统延时的方法，并且根据该方法，建立了一套半物理仿真系统专用检测平台。该检测平台主要由两个部分组成，第一部分为控制台部分。所有的外设（例如：步进电机和电磁铁）都与之相连。控制台的核心部分是一个单片机，其主要功能是接收来自上位机的命令，并按照命令控制外部设备的运行状态，目的是使用外部设备模拟人对仿真系统的操作；另一个部分为上位机部分，主要硬件单元为一台计算机，计算机与控制台之间采用串口通信，计算机可以通过网络接收来自半物理仿真系统服务器的响应信号。本文为检测半物理仿真系统编写了一套检测程序，通过此程序可以计算出半物理仿真系统的延时时间。该检测程序的核心思想为：用微控器控制一些设备，模拟人对半物理仿真系统的操作，同时记下开始的时间，待从半物理仿真系统服务器收到响应信息时，记下结束时间，最终以二者之差反映出整个仿真系统的延时。
　　本文设计并完成了整个检测系统，并且对检测系统进行了误差分析。通过检测系统对被测仿真系统的大量检测实验表明，该检测系统能很好地反映被测仿真系统实时性程度的可信度是否符合要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 仿真可信度评估理论的国内外研究现状

1.3 本文研究主要内容

1.4 本文主体架构

第二章 仿真可信度理论

2.1 基本理论

2.2 仿真可信度评估方法

2.3 本章小结

第三章 用于半物理仿真系统实时性检测的框架设计

3.1 项目背景介绍

3.2 设计内容简介

3.3 半物理仿真系统专用检测平台硬件部分设计

3.4 半物理仿真系统专用检测平台与上位机间的通信协议

3.5 半物理仿真系统专用检测平台软件部分设计

3.6 本章小结

第四章 检测系统误差分析

4.1 误差分析基本理论

4.2 本检测系统的误差分析

4.3 本章小结

第五章 实时性程度检测流程及结果分析

5.1 对被测系统进行实时性程度检测的流程

5.2 测量结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B 攻读硕士学位期间获批的专利及获奖