智能水下航行器動態對接三維視景仿真研究

孫葉義，楊文山，周海波

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

視景仿真是一門年輕的學科[1-2]。隨著計算機技術的進步，人們不再滿足于數字化仿真帶來的便利，而是希望通過構建三維實景仿真環境來模擬真實的世界。目前視景仿真技術在車輛模擬駕駛[3-4]、太空環境仿真[5]、水下機器人回收[6]等方面都得到了廣泛應用。智能水下航行器（AUV）對接回收通過其與固定或者移動的回收裝置實現類似空/天對接的過程，使AUV 完成返航、接近、對接、鎖緊等一系列動作，具備自主、無人等優點，具有廣闊的發展前景。本文基于所設計的智能水下航行器對接方案與半物理仿真平臺，建立三維場景所需的模型，通過在MFC 框架下對Vega 程序進行二次開發，實現仿真場景的驅動，直觀展示對接過程，并借此進一步驗證系統的有效性與可靠性。

1 對接方案設計

對接系統主要包括AUV 載體、母艇與回收裝置，輔助有導引系統。整個回收過程共包括3 個階段，分別為歸航段、調整段以及坐落段。

歸航段：自AUV 返航開始至抵達母艇附近結束，當需要執行對接任務時，母艇將返回對接海域，并在預定的圓形航線上做周期性運動，等待AUV 與之建立聯系。AUV 完成任務后接近對接海域并不斷通過聲學傳感器搜索母艇的位置，AUV 上搭載有USBL 發射裝置與接收基陣，回收裝置上搭載有聲學信標，僅作應答處理。在歸航段，AUV 在主控系統的控制下沿著規劃的全局路徑向著母艇位置航行，當AUV 抵達母艇附近時，通過發射聲學信號給母艇，母艇將逐漸脫離固定航線而做定深直航運動。該階段以聲學導引為主，當攝像機可以捕捉到母艇背部與回收裝置上的光源時，輔助以光學導引以提高精度。

調整段：該階段母艇運動狀態不變，AUV 逐漸接近回收裝置的正上方位置，并且不斷調整自身位置與姿態，使AUV 保持與母艇縱向速度一致，同時調整姿態至適合坐落，準備進入坐落階段。此時導引方式以光學導引為主，聲學導引為輔，母艇背部的列光源可以增加攝像機捕捉范圍，提高導引能力。

坐落段：當AUV 調整自身速度、位置姿態適合坐落時，開始垂直坐落，通過識別布置在回收裝置上的光源不斷調整自身艏向與位置，當AUV 距離回收裝置較近時，導引系統難以發揮作用，此時關閉垂向推進器依靠慣性“降落”到回收裝置內，然后關閉所有推進器，鎖緊完成回收。

整個整個回收系統的體系結構如圖1 所示。

2 視景模塊建模及場景構建

為了能夠直觀的體驗真實的對接過程圖像，下面首先將構建三維仿真環境，包括海底地形、AUV 載體、母艇與對接裝置。

首先應該建立起海底地形的虛擬場景，為了模擬真實的海洋環境，首先通過GeoSwath Plus 軟件，把測深側掃聲吶得到的實際海底地形數據進行濾波插值和網格化處理，將得到的原始地形信息轉換為TIFF 文件，然后利用Creator 軟件生成DED 文件，同時通過細節層次技術設置層次細節參數，在盡量保證視覺觀感的前提下，增加仿真的實時性。

對于AUV 模型，因為不同部位的幾何形狀不同，所以分為4 部分建模，分別是主艇體、側推、主推、螺旋槳葉片。首先，依照機器人的實際尺度，通過幾何體工具箱對機器人外形進行粗略建模，再通過幾何修改工具將模型進行更細致的設計，提高精度。

圖 2 地形建模Fig. 2Terrain module

圖 3 主艇體Fig. 3The main hull

圖 4 尾部Fig. 4The stern

主艇體可以分為首部、中部以及尾部，側、垂推由槽道管與槳葉組成，主推包括4 臺導管槳，呈一定的內傾角分布，另外尾部配備翼板起穩定作用。

最終建立的AUV 模型如圖5 和圖6 所示。

對于母艇搭載回收裝置的模塊，分別設計了母艇與回收裝置。回收裝置采用框架式結構，可以減小航行中的阻力以及對流場的影響，其大小根據AUV 尺度所設計。

將回收裝置安裝在母艇的背部中間位置。另外，因為回收裝置的尺度相對于母艇很小，如果按照實際比例進行顯示，則回收裝置將變得很不明顯，導致在視景場景中無法對坐落過程進行較好的觀察，所以將母艇尺寸進行了縮小，而回收裝置的尺度不變，突出了回收裝置。

至此，海底地形、水下機器人以及回收端的視景仿真模型已經全部建立完畢，通過Vega 軟件將模型導入并渲染成三維場景，并借助Vega 下的圖形化工具Lynx 對三維場景進行觀察和修改，最終場景如圖7所示。

圖 5 AUV 模塊Fig. 5The AUV module

圖 6 回收裝置模塊Fig. 6Recovery unit module

圖 7 回收場景Fig. 7Recycling scenario

在Vega 設計中，Observers 相當于攝像機，Channels 相當于攝像機的鏡頭。首先設置俯視、正視、鳥瞰以及輔助觀察者，然后設置了相應的通道，這樣就可以在窗口中顯示不同的觀察者視角畫面。規定畫面左下角為零點，各個視角的位置大小設置為相對于零點的比例，當該比例為（0，1，0，1）時表示該視角圖像占滿整個畫面，以左下角的俯視視角為例，其顯示區域相對于零點的比例為（0，0.3，0，0.5）。至此，已經完成環境渲染和場景設計，下面需要通過仿真模塊與Vega 模塊聯合驅動整個視景場景的運行。

3 MFC 框架下Vega 三維場景驅動

為了能夠在MFC 框架下對Vega 程序進行二次開發，首先應在VC 中新建單文檔MFC 應用程序，以MFC 為開發環境，可以建立AUV 與母艇動態對接的運動與視景仿真模塊，將Vega 的基礎程序搭載在MFC 應用程序框架之中[7]，然后進行Vega 程序開發。Vega 程序應首先加載ADF 文件加載模型參數以及系統參數，通過調用庫函數與核心類庫，通過Vega 中的繪制線程與 線程實現場景的實時更新與交互[8]。

圖 8 Vega 程序開發Fig. 8Vega program development

Vega 程序的開發通常可以分為2 個階段。第1 階段是Vega 程序的靜態描述，其主要作用是進行必要的系統配置，以保證Vega 程序的正常運行，包括初始化、定義、系統配置等。調用的函數主要是runVega（），runVegaApp（），stopVega（）等。

第2 階段是Vega 程序的動態（主）循環，視景仿真的實現就是在Vega 主循環中完成的。首先通過vg-SynaFrame（）函數使Vega 進程能夠和設定的幀頻率一致，然后通過vgFrame（）函數完成線程的繪制與數據的處理。進而渲染出連續、符合人們視覺感受的動態場景，再編寫對應的交互控制程序即可完成各種視景仿真操作。

在Vega 的主循環程序里面，每進行一次主循環，三維場景就能完成一次更新。當Vega 主循環完成時，求解一次AUV 的動力學方程，結合初始條件的空間位置以及運動狀態，可以解算出當前時刻AUV 的三維坐標和狀態信息，線程之間通過定義全局變量將狀態信息傳遞給Vega 線程，線程之間的通信過程如圖9 所示[9]。

可以看出，包含視景效果的仿真模塊以AUV 動力學模型為基礎，與MFC 環境下改寫的Vega 程序相結合，就能夠實現AUV 坐落式對接的虛擬可視化[10]。

圖 9 線程通信Fig. 9Thread communication

4 AUV 水下對接視景展示

根據設計的仿真平臺，通過半物理仿真平臺與視景仿真程序的聯合開發，可以實時顯示AUV 動態對接的三維圖像，整個對接過程共包括歸航段、調整段以及坐落段，因為歸航段距離較長，所以只截取了歸航末端的圖像。

在視景圖像中，因為海洋模塊中僅有海底地形，所以在左上角的正視視角中，會出現非海底區域。如圖10 所示，在歸航段，母艇在固定航線上航行，AUV從遠處在導引系統作用下不斷向母艇靠近，當AUV 抵達母艇附近后，歸航段完成，母艇開始轉為做定深直航運動，進入對接模式。為了突出顯示回收裝置與AUV，在建模過程中將母艇的尺度進行了縮小，這并不表示母艇與AUV 之間的實際比例大小。

圖 10 歸航Fig. 10Homing

如圖11 所示，在調整段初期，AUV 的位置姿態并不能完全滿足坐落條件，可能出現AUV 位置超調或者姿態偏移等情況，此時AUV 需要不斷調整自身狀態，在保證跟上母艇的前提下，將狀態調整至適合坐落。由于此時母艇與AUV 同時處于運動狀態，所以AUV可以加減速來改變相對于母艇的位置，以及不斷調整姿態。當出現進入禁航區或者出現無法對接等特殊情況時，AUV 可以繞飛遠離母艇并重新嘗試進入調整段，提高了一次對接的成功率，這也是動態對接的優勢之一。

圖 11 調整Fig. 11Adjusting

如圖12 所示，當AUV 調整自身姿態位置適合坐落后，AUV 開啟垂向推進器，對接過程進入到坐落段，由于AUV 處于動態坐落狀態，且受到雙體水動力干擾的影響，AUV 在坐落階段會出現輕微的俯仰角變化，但在控制系統的作用下可以保證AUV 的浮態，并且在坐落末端AUV 的位置姿態滿足對接要求，當AUV 緩慢“降落”至回收裝置內時，對接完成。

圖 12 坐落Fig. 12Fall

如圖13 所示，通過不同的視角觀察，AUV 已經完全進入回收裝置內，當AUV 坐落完成后，關閉所有推進器，鎖緊完成對接。

圖 13 完成對接Fig. 13Complete the docking

5 結 語

本文通過設計回收方案、構建三維模型、生成仿真場景等，開發了AUV 水下對接的三維視景仿真平臺，直觀展示對接過程，得到了以下結論:

1）設計的視景仿真平臺有較好的交互能力，仿真結果具有較高的逼真度。

2）借助Vega 設計平臺，解決了對接場景中三維模型的控制以及多通道顯示問題。

在后續工作中可以嘗試開展更多不同工況下的AUV對接三維視景仿真平臺設計。