一种AUV模拟训练系统及模拟训练方法

摘要

本发明公开了一种AUV模拟训练系统及模拟训练方法，模拟训练系统包括显示模块、通信模块、模拟设备模块、模拟自主航行模块和文件读取模块；显示模块用于向通信模块发出AUV控制指令或文件读取指令，并显示AUV状态；通信模块用于解析相关指令，并将解析后的指令传递至模拟设备模块、文件读取模块或显示模块；模拟设备模块用于执行相关指令，并向通信模块发出状态反馈信号；文件读取模块执行相关指令，从存储装置中获取预置的任务规划航路文件；模拟自主航行模块用于解析任务规划航路文件，并向模拟设备模块发出指令。该系统提高了AUV模拟训练的准确性，降低了实际AUV使用成本。

说明书

技术领域

本发明涉及AUV(水下自主无人航行器)技术领域，具体涉及一种AUV模拟训练系统及模拟训练方法。

背景技术

随着AUV技术的发展和成熟，其已在海洋勘探、军事、甚至民用等领域开始实际应用。但无论是中大型AUV还是小型AUV，AUV熟练的操作使用都是使AUV高效率工作的重要保障之一，而且熟练的操作使用也是保障AUV安全的需要。

然而由于AUV工作于海洋深处，不可能每次培训人员使用AUV时都将实际AUV下水进行培训，原因主要有三个：其一，中大型AUV下水条件复杂，不适合专门为个人进行；其二，中大型AUV的价值很高，若专门为了培训而将AUV进行下水，一旦因为操作失误导致AUV出现意外，则造成重大经济损失；其三，小型AUV下水后，可能无法观察AUV状态，以致无法形成对操作人员进行直观指导作用。

因此，在AUV实际使用前，对其开发相应的模拟训练系统并基于该模拟训练系统进行AUV模拟训练是相当有必要的。显然，为了满足市场需求，AUV的功能也多种多样，但是AUV基本的操作方式一般是相通的，因此可以在具备基本操作的模拟训练系统的基础上，再结合各个AUV特有的工作性质，进行功能迭代，即可完成模拟训练系统的配置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种AUV模拟训练系统及模拟训练方法，能够模拟AUV沿规划航路自主航行并将其运行状态通过显示模块进行显示。

本发明采用的技术方案如下：

一种AUV模拟训练系统，包括显示模块、通信模块、模拟设备模块、模拟自主航行模块和文件读取模块；

所述显示模块用于向所述通信模块发出AUV控制指令或文件读取指令，并显示AUV状态；

所述通信模块用于解析所述AUV控制指令或所述文件读取指令，将解析后的所述AUV控制指令传递至所述模拟设备模块或将解析后的所述文件读取指令传递至所述文件读取模块；并解析来自所述模拟设备模块的状态反馈信号，将解析后的状态反馈信号传递至所述显示模块；

所述模拟设备模块用于执行所述AUV控制指令，并向所述通信模块发出状态反馈信号；执行来自所述模拟自主航行模块的文件控制指令，进行自主航行模拟，并向所述通信模块发出状态反馈信号；

所述文件读取模块执行所述文件读取指令，从存储装置中获取预置的任务规划航路文件；

所述模拟自主航行模块用于解析所述文件读取模块中的所述任务规划航路文件，并向所述模拟设备模块发出文件控制指令。

进一步地，所述通信模块可模拟AUV水面无线电通信和AUV水下水声通信。

进一步地，所述模拟设备模块包括电源控制设备、推进电机、舵机、电源管理装置、激光惯组、深度传感器、图像声呐、液压控制装置以及浮力系统，用于模拟AUV各组成设备。

进一步地，所述模拟自主航行模块包括深度控制策略、航向控制策略、潜浮控制策略、避碰控制策略、速度控制策略。

进一步地，所述模拟自主航行模块解析出的内容包括AUV编号、航路点总个数、经纬度、速度属性、速度、深度、是否校准、是否避碰以及任务总时间。

进一步地，所述显示模块还可用于设置AUV初始参数和虚拟海域环境参数。

本发明还提供了一种基于上述AUV模拟训练系统实现AUV模拟训练的方法，包括如下步骤：

步骤S1：AUV模拟训练系统启动；

步骤S2：通过显示模块设置AUV初始参数和虚拟海域环境参数；

步骤S3：通过显示模块输入AUV控制指令进行人工操控训练，检查AUV是否响应，若响应则进行下一步；否则，返回步骤S1；

步骤S4：通过显示模块输入文件读取指令，文件读取模块获取任务规划航路文件；

步骤S5：通过显示模块观察AUV自主航行模拟状态，并等待自主航行模拟结束。

进一步地，所述AUV初始参数包括初始速度、初始航向角、初始航行深度、初始电量、初始经度、初始维度、以及初始水舱液位；

所述虚拟海域环境参数包括初始海域深度以及障碍物信息。

进一步地，所述预置的任务规划航路文件以时间戳的形式存储于存储装置。

进一步地，若AUV不响应，进一步对所述模拟训练系统中的各模块进行虚拟串口重新配置。

有益效果：

1、本发明基于实际AUV的操作开发了一种AUV模拟训练系统，该模拟训练包括显示模块、通信模块、模拟设备模块、文件读取模块以及模拟自主航行模块，这些模块与实际AUV主要组成相当，提高了AUV模拟训练的准确性，降低了实际AUV使用成本；而且模拟训练系统的这些组成模块之间冗余性小，提高了AUV模拟训练的效率；

针对不同型号的AUV进行模拟训练时，模拟设备模块中的设备与实际AUV的设备相同就无需重复性开发，不同的设备部分，则根据不同AUV的功能需求进行增减即可，例如：实际AUV一般包括推进电机与舵机，那么模拟设备模块中的推进电机设备、舵机设备就可以不进行重新开发模拟内容，仅需要调整相关参数即可；某些AUV需要桅杆动作时，则需要增加桅杆动作机构的模拟，同时增加桅杆状态的反馈等。这种模块化管理的模拟训练系统避免了重复性开发，提高了模拟训练系统的维护效率。

2、本发明的模拟训练系统中的模拟训练设备模块将自身状态信息如AUV位置、AUV姿态与AUV深度等信息反馈至显示模块，操作人员据此反馈信息可以获知自己的遥控操作方式与AUV状态之间的对应关系，而且也能获知AUV在自主航行时的几乎全部必要的状态数据，弥补了实际AUV工作时由于通信能力不够强或者出于保密航行的原因等只能反馈AUV少量数据的不足。

3、本发明的AUV模拟训练系统中的模拟设备模块包括电源控制模拟设备、推进电机设备、电源管理设备与模拟激光惯组设备等，可以模拟AUV的电源状态信息、推进电机的转动与AUV的姿态等，为提供全面的AUV模拟数据提供了保障。

4、本发明的AUV模拟训练系统中的通信模块采用应答交互握手的方式可以实现水下水声通信与水面无线电通信，覆盖了AUV的实际水下与水面运行环境，扩展了该模拟训练系统的应用范围，且模拟训练系统中不存在实际AUV通信能力不强或航行需要保密导致的通信数据不够全面的问题。

5、本发明的AUV模拟训练方法只需通过显示模块对AUV下达控制指令便可使AUV执行相关动作并在显示模块中显示AUV的运行状态，操作简单，通用性强，具有良好的人机交互性；而且接近AUV真实使用环境，便于操作人员在AUV实际使用中熟练安全使用，保障AUV安全。

6、本发明的AUV模拟训练方法与实际AUV使用环境接近，可以在模拟训练的过程中及时发现如规划航路文件或AUV控制策略的问题，为各类AUV的实际操作使用、AUV产品的改进以及维护保障提供参考。

附图说明

图1为本发明AUV模拟训练系统的组成。

图2为本发明AUV模拟训练方法的流程图。

其中，1-显示模块，2-通信模块，3-模拟设备模块，4-文件读取模块，5-模拟自主航行模块。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了一种AUV模拟训练系统，其基本思想是：通过一个包括显示模块1、通信模块2、模拟设备模块3、文件读取模块4以及模拟自主航行模块5的模拟训练系统模拟实际AUV的操作流程。该模拟训练系统中的各模块与实际AUV主要组成相当，提高了AUV模拟训练的准确性，降低了实际AUV使用成本；且在模拟训练过程中能通过显示模块显示AUV几乎所有需要的状态信息，弥补了实际AUV由于通信能力或保密航行原因导致只能显示少量状态信息的问题。

具体地，如图1所示，该模拟训练系统包括显示模块1、通信模块2、模拟设备模块3、文件读取模块4和模拟自主航行模块5；其中显示模块1用于向通信模块2发出AUV控制指令或文件读取指令，并显示AUV状态；通信模块2用于解析AUV控制指令或文件读取指令，将解析后的AUV控制指令传递至模拟设备模块3或将解析后的文件读取指令传递至文件读取模块4；并解析来自模拟设备模块3的AUV状态反馈信号，将解析后的AUV状态反馈信号传递至显示模块1；模拟设备模块3用于执行AUV控制指令，并向通信模块2发出AUV状态反馈信号；并能执行来自模拟自主航行模块5的文件控制指令，进行自主航行模拟，并向通信模块2发出AUV状态反馈信号；文件读取模块4执行所述文件读取指令，从存储装置中获取预置的任务规划航路文件；模拟自主航行模块5用于解析文件读取模块4中的任务规划航路文件，并向模拟设备模块3发出文件控制指令。

针对不同型号的AUV进行模拟训练时，模拟设备模块3中的设备与实际AUV的设备相同就无需重复性开发，不同的设备部分，则根据不同AUV的功能需求进行增减即可，例如：实际AUV一般包括推进电机与舵机，那么模拟设备模块3中的推进电机设备、舵机设备就可以不进行重新开发模拟内容，仅需要调整相关参数即可；某些AUV需要桅杆动作时，则需要增加桅杆动作机构的模拟，同时增加桅杆状态的反馈等。这种模块化管理的模拟训练系统避免了重复性开发，提高了模拟训练系统的维护效率。

其中，该AUV模拟训练系统中的通信模块2是通过其与显示模块1以及模拟设备模块3的虚拟串口获取通信数据，并将该数据解析向显示模块1、模拟设备模块3与文件读取模块4传递，具体如图1所示。因为实际AUV存在水面与水下运行环境，且在水面运行时，通过无线电通信，在水下时通过水声通信，故相应地，该AUV模拟训练系统模拟AUV水面运行时使用了虚拟Com1串口，模拟AUV水下运行时使用了虚拟Com2串口，且均采用应答交互握手的方式进行通信。更具体地，通信模块2与模拟设备模块3之间的通信包括水面无线电方式与水下水声通信方式。操作人员在显示模块1输入操控指令控制AUV动作(操控指令通过通信模块2传递至模拟设备模块3，模拟设备模块3根据指令动作，可以检查显示模块1与模拟设备模块3之间是否建立通信)即AUV人工操控状态下时会进行水面无线电通信方式；AUV根据航路规划文件(在显示模块1中输入文件读取指令，通信模块2将该指令传递至文件读取模块4，文件读取模块4加载预置的航路规划文件，模拟自主航行模块5解析规划航路文件中的指令并传递至模拟设备模块3，模拟设备模块3在模拟自主航行模块5的控制策略下执行文件指令)上浮于水面(如进行上浮校准)即模拟AUV自主航行状态下时也会进行水面无线电通信方式；AUV根据航路规划文件自主航行于水下时(AUV自主航行时大部分时间处于水面以下)会进行水下水声通信。可以说，模拟水面无线电通信主要用于AUV人工操控和模拟AUV自主航行过程中，模拟水声通信主要用于模拟AUV水下自主航行过程中。水声通信与水面无线电通信，覆盖了AUV的实际水下与水面运行环境，使模拟训练系统的模拟训练更加全面真实；而且在模拟训练系统中的通信摆脱了实际某些国产AUV存在的通信能力(比如水声通信)较弱或实际AUV航行有时通信需要保密导致的只能传输少量数据的问题，使操作人员可以更全面地把握AUV运行状况，极大地方便了后期实际AUV的操作。

参照图1，该AUV模拟训练系统中的模拟设备模块3在指令下模拟实际AUV组成设的动作，其组成包括电源控制设备、推进电机设备、舵机设备、电源管理设备、激光惯组设备、深度传感器设备、图像声呐设备、液压控制设备以及浮力系统设备，这些设备可执行操作人员通过显示模块1发出的AUV控制指令，并向通信模块2发出状态反馈信号(比如AUV的经纬度、推进电机设备的转速值、舵机舵角值等)，检查AUV在操作人员的指令下的动作，即进行人工操控训练，据此可检查显示模块1与模拟设备模块3是否建立通信；通信建立正常后，也可在模拟自主航行模块5的控制策略下执行规划航路文件中的文件控制指令，并向通信模块2发出状态反馈信号(比如AUV位置、AUV姿态、AUV深度、推进电机的转速值等)，即进行模拟自主航行。模拟设备模块3中的设备相关信息如下：

电源控制：模拟控制AUV组成设备电源上电/断电；

推进电机：模拟推进电机转速，是在真实推进电机每秒转x转，增加一个随机抖动值，如x+random(10)；

舵机设备：模拟舵机动作，主要体现在舵角值的模拟，根据AUV的配置，可分为多种舵机模式，例如十字舵机和X型舵机等，模拟训练系统内模拟舵机舵角值变化是在真实舵角每秒转y角度的基础上，增加一个随机抖动值，如y+random(5)；

电源管理设备：模拟实际AUV组成设备的电池状态，主要是电池的电流、电压和电量信息。

激光惯组设备：模拟AUV姿态信息，主要包括：AUV的经纬度、航向角、俯仰角、横滚角、速度、离底高度、航程等信息，是在实际的航向控制策略和速度控制策略的基础上，结合转速和速度之间的经验公式进行积分，得到AUV的实时位置信息；

深度传感器设备：模拟AUV深度信息，是在结合深度传感器设备数据、实际的深度控制策略和潜浮控制策略的基础上，根据速度和俯仰角得到AUV深度信息；

图像声呐设备：模拟探测障碍物信息，是在结合避碰控制策略的基础上，得到碍物信息及AUV应急反应信息(如经度、纬度的改变)；

液压控制设备：模拟AUV液压控制机构的动作，主要包括：信标收放机构、桅杆动作机构等，主要实现信标释放/回收、桅杆升起/下降；

浮力系统设备：模拟AUV水舱液位变化，是在结合实际水舱液位注排水变化L的基础上，增加一个随机抖动值，如L+random(2)；

上述AUV模拟设备模块3的组成与实际AUV的组成相当，可以模拟AUV的组成设备的电源状态信息、AUV中的推进电机的转动与AUV的姿态等等，对使用AUV的操作人员能观地解AUV的性能，进一步提高了AUV模拟训练的准确性与实用性；而且模拟数据中增加了抖动值，这也增加了模拟的真实性。

参照图1，在显示模块1中输入规划航路文件编号后，即通过显示模块1下发了文件读取指令，通信模块2将该文件读取指令传递至文件读取模块4，文件读取模块4接收到自通信模块3的文件读取指令后，将从存储装置(可存在于模拟训练系统中，也可以存在模拟训练系统之外，如计算机的C盘或D盘等)中读取预置的规划航路文件(通过其它软件产生)，该预置的规划航路文件为txt文本形式，并以时间戳命名，例如：2021100101.txt表示2021年10月1日的第01个任务。

文件读取模块4读取规划航路文件后，模拟自主航行模块5以既定的格式对文件进行解析，解析出内容为：AUV编号、航路点总个数、经纬度、速度属性、速度、深度、是否校准、是否避碰、任务总时间，例如：

AUV：3(AUV编号3)

Time＝120(任务总时间：120分钟)

PointNum：2(航路点个数2)

Point＝1；Long＝119；Lat＝18；V_Mode＝1；V＝5；D＝20；GPS＝1；BP＝1；

Point＝2；Long＝118；Lat＝17；V_Mode＝2；V＝500；D＝10；GPS＝0；BP＝0；

代表初始点以航速模式为定航速(V_Mode＝1)，航速5节(V＝5)，深度20米(D＝20)向Point＝1点航行，并且航行过程中遇到障碍物后进行避碰动作(BP＝1)，在到达Point＝1后，进行校准动作(GPS＝1)。完成进行校准动作后，以航速模式为定转速(V_Mode＝2)，转速500转(V＝500)，深度10米(D＝10)向Point＝2点航行，期间不进行避碰动作(BP＝0)。

模拟设备模块3在模拟自主航行模块5中的初始速度、初始航向角、初始航行深度等控制策略下执行上述解析出的指令，并将模拟设备模块3中各设备状态通过通信模块2反馈至显示模块1显示，进行自主航行模拟。

该AUV模拟训练系统中的显示模块1还可用于设置AUV初始参数和虚拟海域环境参数，比如设置AUV的初始速度(V0)、初始航向角(P0)、初始航行深度(D0)、AUV初始状态信息(初始电量SOC:0％～100％、初始经度、初始纬度、初始水舱液位、故障信息等)以及虚拟的海域环境参数(初始海域深度H0和障碍物信息等)，其目的是创建AUV的工作状态以及AUV外界虚拟环境，AUV可在该AUV初始参数和虚拟海域环境参数的基础上进行更好的人工操控训练和模拟自主航行。

本发明还提供了一种基于上述AUV模拟训练系统实现AUV模拟训练的方法，该方法只需通过显示模块1对AUV下达控制指令便可使AUV执行相关动作并在显示模块1中显示AUV的运行状态，操作简单，通用性强，具有良好的人机交互性；而且接近AUV真实使用环境，便于操作人员在AUV实际使用中熟练安全使用，保障AUV安全；另外，该方法与实际AUV使用环境接近，可以在模拟训练的过程中及时发现如规划航路文件或AUV控制策略的问题，为各类AUV的实际操作使用、AUV产品的改进以及维护保障提供参考。

如图2所示，该方法具体包括如下步骤：

步骤S1：AUV模拟训练系统启动；

步骤S2：通过显示模块1设置AUV初始参数和虚拟海域环境参数；

步骤S3：通过显示模块1输入AUV控制指令进行人工操控训练，检查AUV是否响应，若响应则进行下一步；否则，返回步骤S1；

步骤S4：通过显示模块1输入文件读取指令，文件读取模块4获取预置的任务规划航路文件；

步骤S5：通过显示模块1观察AUV自主航行模拟状态，并等待自主航行模拟结束。

结合上述AUV模拟训练系统的组成与运行原理，可知执行上述五个步骤可以实现AUV按规划航路文件自主航行的模拟，而且，也容易知道步骤S2中的AUV初始参数包括初始速度、初始航向角、初始航行深度、初始电量、初始经度、初始维度、以及初始水舱液位；虚拟海域环境参数包括初始海域深度以及障碍物信息；步骤S4中预置的任务规划航路文件是以时间戳的形式命名并以txt格式存储于存储装置。

另外，步骤S3中若AUV不响应，除了重启模拟训练系统之外，还可以对所述模拟训练系统中的各模块进行虚拟串口重新配置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。