AUV虚拟仿真实验教学平台的建设与应用.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2022-12-21 作者简介:李宏娟（1983），女，江苏淮安，硕士，主要从事机电实验教学工作与研究，。引文格式:李宏娟，费新宇，管凯敏.AUV 虚拟仿真实验教学平台的建设与应用J.实验技术与管理,2023,40(6):142-146.Cite this article:LI H J,FEI X Y,GUAN K M.Construction and application of AUV virtual simulation experiment teaching platformJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):142-146.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.022 AUV 虚拟仿真实验教学平台的建设与应用 李宏娟，费新宇，管凯敏（浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310027）摘 要：为了提高自主式水下机器人（AUV）的实验教学质量、突破传统实验教学的局限性、培养高质量海洋智能化领域人才，该文运用虚拟仿真技术搭建了 AUV 虚拟仿真实验教学平台，实现了 AUV 本体设计、运动控制仿真以及水下实训等教学内容。经过教学实践证明，AUV 虚拟仿真实验教学不仅巩固了学生的理论知识，同时提高了学生的 AUV 设计、仿真实践能力和自主创新意识。关键词：自主式水下机器人（AUV）；虚拟仿真；实验教学 中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0142-05 Construction and application of AUV virtual simulation experiment teaching platform LI Hongjuan,FEI Xinyu,GUAN Kaimin(School of Mechanical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)Abstract:In order to improve the experimental teaching quality of autonomous underwater vehicle(AUV),break through the limitations of traditional approaches,and cultivate high-quality talents in marine intelligence area,this paper develops an AUV virtual simulation experimental teaching platform by using virtual reality technology,which includes ontology design,motion control simulation and underwater test of AUV.Through teaching practice,AUV virtual simulation experiment teaching can not only consolidate students theoretical knowledge,but also improve their application ability and independent innovation consciousness on AUV design and simulation.Key words:autonomous underwater vehicle(AUV);virtual simulation;experimental teaching 自主式水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）是一种自带能源、自主推进、自主控制，具有水下操控及感知或作业能力的新型海洋装备，其具有观测范围大、效率高、运动可控、机动性能好、续航力强、可脱离母船自主作业等优点，不仅在海洋科学研究、海洋资源调查等方面得到了广泛的应用，而且在海洋军事安全、防卫等方面发挥重要作用，在一定程度上代表了水下机器人的发展水平，当前水下机器人技术已成为世界各国研究的重点1-5。AUV 技术目前的研究热点难点主要集中在以下几个方面6：整体设计：仿生水下机器人的研究。自主控制：智能自主控制技术和实时规划与控制技术。多平台协同：在多个 AUV 有限时间共识的控 制算法、潜水器编队以及协同作业技术等。相关通用技术：水下导航、仿生动力推进、视觉辅助、智能感知等技术。应用研究：涉及生物多样性、底栖生物研究、地质演化、地貌特征、沉积物分析、天然气水合物勘探以及海底热液、海洋垃圾等具体应用。“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务”，各高校积极响应国家号召，大力开展水下机器人研究，同时开设相关水下机器人教学课程，为国家海洋强国战略培养急需的高端科技人才。1 平台建设必要性 AUV 技术集动力学理论、控制理论、机械设计技术、计算机技术、传感器技术、人工智能等多学科技 李宏娟，等：AUV 虚拟仿真实验教学平台的建设与应用 143 术为一体，是公认的高科技海洋装备。在 AUV 教学中，学生要完全掌握与理解相关理论具有一定难度，因此需要实验教学进行配合。开展 AUV 实验研究需要设计与制造价值不菲的AUV 样机/特定的海上试验场以及配套综合保障设施，因此需要耗费大量的财力与物力，同时还容易发生装备丢失、试验人身安全事故。出于降低试验风险和节约成本考虑，本文利用虚拟仿真实验技术，围绕AUV 本体设计、运动控制仿真以及水下实训的教学重点，搭建 AUV 虚拟仿真实验教学平台，学生能利用该平台开展 AUV 设计以及实验验证工作，有助于提高学生的实践动手能力、创新意识，同时能保证教学过程的高效性，降低实验教学成本，提高教学水平与质量7。2 实验教学的设计与实施 本实验教学目标可以概况为以下 3 点内容。（1）在熟悉 AUV 主要结构组成和工作原理的基础上，学生能够开展 AUV 的总体设计，完成 AUV 的装配与参数调试等实操训练。（2）通过 AUV 的深度控制、航向控制和速度控制算法的设计与调试，学生能掌握 AUV 闭环运动控制器设计方法。（3）通过轨迹跟踪、定点巡航、水下接驳 3 个不同的实训操作任务，学生能探究各设计参数对 AUV性能的影响规律。根据上述实验目标，本实验平台采用任务驱动式设计实验，首先设计一个满足特定性能指标的 AUV，并建立真实海洋虚拟环境，最后完成 AUV 的运动控制仿真和 3 个水下作业任务，实验总体框架如图 1 所示。图 1 实验总体框架图 由图 1 可以看出本平台将整个实验任务分解成 4个目标明确、逻辑关系清晰的子任务。学生首先需要完成 AUV 的性能指标设置，第二步完成 AUV 的本体设计和装配实验，第三步完成 AUV 的运动控制仿真，最后完成 AUV 水下作业任务。平台设计的实验指导模块可供学生在实验过程中调用与学习，设计的考核评价模块可在后台记录实验全流程与参数、分析和评价学生实验效果。2.1 AUV 设计指标模块 本实验以水下工作时间、工作水深、航速、AUV内径、作业任务几个关键参数作为设计指标。学生登录实验平台后首先要对 AUV 的技术性能“设计指标”进行设置，设计指标选项并不唯一，有多种选择，详见表 1。不同学生选择不同的设计指标开展设计任务实验，所设计出来的 AUV 性能参数也不同。表 1 AUV 设计指标可选项 技术指标 参数可选项 水下工作时间/h 5、10、20 工作水深/m 100、2 000、4 500 航速/(ms1)1、2、3 AUV 内径/mm 150、300、600 作业任务 定点巡航、轨迹跟踪、接驳 2.2 AUV 本体设计模块 在 AUV 本体设计模块实验中，点击目录引导按键载入实验、进入操作界面，如图 2 所示，界面右上角有理论学习模块，提供相关学习材料和计算示例，界面左侧为 AUV 关键组件备选区域，在此区域存放着 11 还原的 AUV 组件模型，右侧为 AUV 实体三维模型装配区域。实验中学生首先需要根据目标性能指标计算相关参数，然后结合关键组件与对应功能，从组件库中取出 AUV 的组件，在虚拟仿真环境中自主完成 AUV 的装配过程。图 2 AUV 设计操作界面 AUV 的组成主要包括：耐压壳体、推进系统、方向调节系统、导航系统、传感器系统、能源系统、控144 实 验 技 术 与 管 理 制系统以及通信系统，壳体内部由前到后依次设置有多普勒测速仪（DVL）、摄像头、电池组、运动控制单元、螺旋桨推进模块等，在尾舱外侧装有十字全动舵等设备8。AUV 整体布局9如图 3 所示。图 3 AUV 整体布局图 根据 AUV 的组成，AUV 设计模块将任务分解为图 4 中的 6 大子任务 11 个知识点9-11。图 4 实验功能图 （1）AUV 耐压壳体设计包括耐压壳体材料的选择和耐压舱壁厚的计算及强度分析。学生在理论学习模块中学习耐压材料特性、耐压壳体壁厚的计算方法及计算示例。本实验提供铝合金 6061、钛合金、碳纤维3 种材料，学生根据工作水深选出所用的材料、计算出壁厚后，再通过稳定性校核验证计算壁厚是否满足稳定性要求，如果不能满足要求则需要增加壁厚再校核，最终得到耐压舱壁厚，并填入左侧组件库的文本框中。壁厚（mm）计算公式如下：maxmax2 iPDP（1）其中，maxP为最大工作压力，iD为内径，许用应力 由强度极限b除以安全系数 n 得到，安全系数至少取1.25，b可以通过理论学习模块提供的材料特性参数表得到。（2）AUV 水动力性能涉及导流外形设计，包括AUV 的头部及尾部外形设计，本实验平台能对半椭球和平头两种类型的导流形状进行水动力的仿真并展示给实验者，以表现不同形状对 AUV 水动力性能的影响，实验者根据需要选择相应的导流罩并安装到耐压壳体上。（3）AUV 推进系统设计需要根据外形尺寸和AUV 的航行速度计算 AUV 的水阻力 FR和推进功率P，计算公式如下：2Rd0.5FSv C（2）33d43.397 101600.002 5ldlCdld（3）R/PF V（4）其中，为海水密度，取 1.028 g/cm3，S 为 AUV 的横截面积，v 为 AUV 的航行速度，Cd为阻力系数，l为 AUV 整长，d 为 AUV 直径，为推进器效率。计算得到推进器的功率 P，然后从组件库里的 4款推进器中选择最适合的一款，装配到第二步得到的AUV 本体上。（4）能源系统设计首先是根据 AUV 的功率和AUV 航程（或巡航时间）计算得到所需要的电池容量，再从组件库中选定相应的电池包型号，并计算所需要电池的包个数，最后装配到 AUV 本体上。（5）根据 AUV 实验任务（定点巡航、轨迹跟踪、水下接驳）设计 AUV 的水下导航系统。AUV 自主式导航包括惯性导航、多普勒导航和水声定位导航等，定点巡航和轨迹跟踪任务采取的导航方式为 DVL（多普勒测速仪）+惯性导航方法+压力传感器，水下接驳任务的导航方式为 USBL（超短基线）定位+摄像头（视觉定位）+惯性导航+压力传感器。（6）AUV 任务载荷设计主要是对 AUV 进行配平，即使用浮力块或者重力块对 AUV 的净浮力进行调节，使其保持在一个微小的正浮力范围内。学生学习实验原理内容后对 AUV 进行配平计算，在组件库中选定浮力块或重力块，并将其安装到 AUV 本体上。通过上述 6 个步骤，即可完成 AUV 设计，上述各个环节均支持学生开展探究学习，通过实验原理、计算方法的引导