題，方法類似。
[0068]連接關(guān)系的映射。為了充分利用硬件資源，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件接口與仿真工控機(jī)的硬件接口并沒(méi)有簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如存在控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的兩個(gè)數(shù)字量輸出接口連接到仿真工控機(jī)的一個(gè)數(shù)字量輸入接口的情況。在半物理仿真模式下，這種連接關(guān)系由電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒通過(guò)內(nèi)部連線得以實(shí)現(xiàn)，在全數(shù)字仿真下，由虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)連接關(guān)系映射功能。
[0069]在半物理仿真模式下，智能控制軟件的輸出通過(guò)實(shí)際硬件接口并經(jīng)由電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒到達(dá)仿真工控機(jī)的硬件接口板卡，仿真工控機(jī)通信層中抽象了各硬件接口板卡功能并處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的信道對(duì)象(CAnalogIn等類的實(shí)例)接收數(shù)據(jù)后回調(diào)虛擬設(shè)備層中與其關(guān)聯(lián)的各虛擬設(shè)備對(duì)象的數(shù)據(jù)解析方法，虛擬設(shè)備對(duì)象的數(shù)據(jù)解析方法解析收到的信息并據(jù)此更新其工作狀態(tài)、執(zhí)行所要求的功能，然后根據(jù)設(shè)定的通訊周期經(jīng)過(guò)信道對(duì)象和電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒給智能控制軟件送回反饋。
[0070]在全數(shù)字仿真模式下，智能控制軟件的輸出通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口到達(dá)虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒，虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)換和映射后轉(zhuǎn)發(fā)給通信層中處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象(CNetwork類的實(shí)例，其個(gè)數(shù)與半物理仿真模式下的信道對(duì)象個(gè)數(shù)相同并具有完全相同的軟件接口)，網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象接收數(shù)據(jù)后回調(diào)設(shè)備層中與其關(guān)聯(lián)的各虛擬設(shè)備對(duì)象的數(shù)據(jù)解析方法，虛擬設(shè)備對(duì)象的數(shù)據(jù)解析方法解析收到的信息并據(jù)此更新工作狀態(tài)、執(zhí)行所要求的功能，然后根據(jù)設(shè)定的通訊周期通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象發(fā)送給虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒，虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)換和映射后給智能控制軟件送回反饋。
[0071]2.使用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)海洋機(jī)器人智能控制軟件
[0072]如圖6所示，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將智能控制軟件從總體上劃分為智能層、行為層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，智能層具備行為序列生成、故障處理和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等功能；行為層具備行為序列執(zhí)行、航行控制和故障檢測(cè)等功能；設(shè)備驅(qū)動(dòng)層具備設(shè)備/傳感器的數(shù)據(jù)解析和操控等功能。每個(gè)層次都包含多個(gè)功能模塊，智能層內(nèi)的功能模塊僅和行為層內(nèi)的功能模塊直接交互，行為層內(nèi)的功能模塊通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層內(nèi)的功能模塊和外部設(shè)備/傳感器的交互，對(duì)于智能層和行為層來(lái)說(shuō)，設(shè)備/傳感器使用的通信介質(zhì)是透明的，只要通信的內(nèi)容和格式不發(fā)生變化即可。因此，當(dāng)隨著仿真模式不同替換傳輸介質(zhì)時(shí)，智能控制軟件僅需在其設(shè)備驅(qū)動(dòng)層中根據(jù)仿真模式的不同調(diào)用不同的輸入輸出函數(shù)即可(半物理仿真模式下調(diào)用通過(guò)真實(shí)硬件接口進(jìn)行輸入輸出的函數(shù)，全數(shù)字仿真模式下調(diào)用通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行輸入輸出的函數(shù))，這樣就保證了智能控制軟件在不同仿真模式下整體架構(gòu)的穩(wěn)定和除設(shè)備驅(qū)動(dòng)層外其它軟件層次實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的一致，進(jìn)而保證不同仿真模式下對(duì)其驗(yàn)證的全面與有效性具有一致性。
[0073]3.構(gòu)建半物理仿真系統(tǒng)
[0074]如圖7所示，將海洋機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)連接實(shí)際設(shè)備/傳感器的硬件接口通過(guò)電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒連接到仿真工控機(jī)的硬件接口板卡上，將仿真工控機(jī)和視景顯示計(jì)算機(jī)連接到一個(gè)以太網(wǎng)上。
[0075]在半物理仿真時(shí)，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的控制信息通過(guò)連接電纜和電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒輸入到仿真工控機(jī)的硬件接口板卡，信道對(duì)象在收到控制信息后根據(jù)信號(hào)所連接的實(shí)際設(shè)備/傳感器將收到的控制信息傳遞給虛擬設(shè)備層中相應(yīng)的虛擬設(shè)備對(duì)象，各虛擬設(shè)備對(duì)象按照實(shí)際設(shè)備/傳感器的工作機(jī)理模擬其工作過(guò)程，其中虛擬動(dòng)力設(shè)備的輸出傳遞給動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算模塊并據(jù)此進(jìn)行解算，計(jì)算結(jié)束后，各虛擬設(shè)備對(duì)象根據(jù)其自身狀態(tài)及動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果按照實(shí)際設(shè)備/傳感器的通信協(xié)議通過(guò)信道對(duì)象并經(jīng)由電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒及連接電纜反饋給控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。與此同時(shí)，動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算模塊輸出信息中的位置姿態(tài)信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給視景顯示計(jì)算機(jī)，視景顯示計(jì)算機(jī)中的動(dòng)畫顯示軟件直觀再現(xiàn)虛擬航行體的運(yùn)行狀態(tài)與控制過(guò)程。上述流程在仿真過(guò)程中周期性的運(yùn)行。
[0076]4.通過(guò)局部的硬件替換和虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建全數(shù)字仿真系統(tǒng)
[0077]如圖8所示，將海洋機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)替換為普通便攜計(jì)算機(jī)，使用虛擬機(jī)軟件在普通便攜計(jì)算機(jī)內(nèi)創(chuàng)建一臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，設(shè)置其與實(shí)際控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有相同的硬件配置，并在其中安裝實(shí)際海洋機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)內(nèi)使用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在此操作系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行海洋機(jī)器人智能控制軟件，將上述便攜計(jì)算機(jī)連接到仿真工控機(jī)和視景顯示計(jì)算機(jī)所在的以太網(wǎng)上，去除實(shí)際的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒。
[0078]在全數(shù)字仿真時(shí)，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的控制信息通過(guò)以太網(wǎng)輸入到仿真工控機(jī)內(nèi)虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒中與智能控制軟件通信的網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象，此信道對(duì)象收到控制信息后回調(diào)虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒的數(shù)據(jù)解析方法，在數(shù)據(jù)解析方法中虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒根據(jù)信號(hào)所連接的實(shí)際設(shè)備通過(guò)其內(nèi)部與通信層內(nèi)各信道對(duì)象通信的網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象傳輸給通信層內(nèi)的信道對(duì)象，然后通信層內(nèi)的信道對(duì)象傳遞給虛擬設(shè)備層中相應(yīng)的虛擬設(shè)備對(duì)象，虛擬設(shè)備對(duì)象按照實(shí)際設(shè)備/傳感器的工作機(jī)理模擬其工作過(guò)程，其中虛擬動(dòng)力設(shè)備的輸出傳遞給動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算軟件模塊并據(jù)此進(jìn)行解算，計(jì)算結(jié)束后，各虛擬設(shè)備對(duì)象根據(jù)其自身狀態(tài)及動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果按照實(shí)際設(shè)備/傳感器的通信協(xié)議通過(guò)虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒反饋給控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。與此同時(shí)，動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算軟件輸出信息中的位置姿態(tài)信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給視景顯示計(jì)算機(jī)，視景顯示計(jì)算機(jī)中的動(dòng)畫顯示軟件直觀再現(xiàn)虛擬航行體的運(yùn)行狀態(tài)與控制過(guò)程。上述流程在仿真過(guò)程中周期性的運(yùn)行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于海洋機(jī)器人的兼容半物理/全數(shù)字的仿真方法，其特征在于包括以下步驟: 在仿真工控機(jī)的仿真軟件中建立多個(gè)軟件層，使其能夠在連接便攜計(jì)算機(jī)以及、通過(guò)電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒連接機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的兩種仿真模式之間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字或半物理仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海洋機(jī)器人的兼容半物理/全數(shù)字的仿真方法，其特征在于:所述建立多個(gè)軟件層具體為依次建立虛擬設(shè)備層、通信層、虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒; 建立虛擬設(shè)備層具體為建立多個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)象，模擬實(shí)際機(jī)器人所安裝的設(shè)備和傳感器功能；所述虛擬設(shè)備層通過(guò)通信層接收便攜計(jì)算機(jī)或海洋機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制信息，并發(fā)送至動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；還接收由動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型得到的傳感器信息，并發(fā)送至通信層； 建立通信層具體為建立多個(gè)信道對(duì)象，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備對(duì)象與便攜計(jì)算機(jī)或機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的通信；所述通信層接收便攜計(jì)算機(jī)或機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制信息，并發(fā)送至多個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)象；所述通信層還接收多個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)象的反饋信息，并發(fā)送至便攜計(jì)算機(jī)或機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)； 建立虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒具體為建立其內(nèi)部包含兩組網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象的虛擬設(shè)備，一組網(wǎng)絡(luò)信道對(duì)象與通信層中的多個(gè)信道對(duì)象通信，另一組與便攜計(jì)算機(jī)通信；所述虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒進(jìn)行模擬實(shí)際電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒的信號(hào)轉(zhuǎn)接以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海洋機(jī)器人的兼容半物理/全數(shù)字的仿真方法，其特征在于:所述通信層接收便攜計(jì)算機(jī)或機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制信息中，接收便攜計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制信息具體為:所述通信層通過(guò)虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒將便攜計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)至與半物理仿真時(shí)相應(yīng)的虛擬設(shè)備對(duì)象。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海洋機(jī)器人的兼容半物理/全數(shù)字的仿真方法，其特征在于:所述通信層還接收多個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)象的反饋信息，并發(fā)送至便攜計(jì)算機(jī)具體為:接收多個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)象的反饋信息，并經(jīng)虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒發(fā)送至便攜計(jì)算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海洋機(jī)器人的兼容半物理/全數(shù)字的仿真方法，其特征在于:所述便攜計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的控制軟件中驅(qū)動(dòng)層內(nèi)均包括兩組接口函數(shù)，其中一組接口函數(shù)用于半物理仿真時(shí)與仿真工控機(jī)中的通信層進(jìn)行通信，另一組接口函數(shù)用于全數(shù)字仿真時(shí)，通過(guò)仿真工控機(jī)中的虛擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒與通信層進(jìn)行通?目。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于海洋機(jī)器人的兼容半物理/全數(shù)字的仿真方法，包括以下步驟：在仿真工控機(jī)的仿真軟件中建立多個(gè)軟件層，使其能夠在連接便攜計(jì)算機(jī)以及、通過(guò)電氣信號(hào)轉(zhuǎn)接盒連接機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的兩種仿真模式之間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字或半物理仿真。本發(fā)明可在保證仿真工控機(jī)軟件及海洋機(jī)器人智能控制軟件整體架構(gòu)穩(wěn)定的條件下，通過(guò)硬件替換實(shí)現(xiàn)兼容半物理/全數(shù)字仿真的功能，并使全數(shù)字仿真與半物理仿真具有極大的等效性，為保障自主海洋機(jī)器人智能控制軟件的正確性和有效性提供有效驗(yàn)證手段。
【IPC分類】G05B17-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104678776
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310618260
【發(fā)明人】賈松力, 于闖, 梁保強(qiáng), 李寧, 胡志強(qiáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2013年11月26日