本發(fā)明涉及機器人仿真領域，具體涉及多引擎協(xié)同的機器人仿真系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、機器人仿真系統(tǒng)是在計算機技術和虛擬仿真技術的支持下，為了滿足機器人研究、開發(fā)和測試需求而產生的。隨著機器人技術的快速發(fā)展和廣泛應用，需要一種高效、安全且成本較低的方法來驗證機器人感知、規(guī)劃和控制等功能。機器人仿真系統(tǒng)提供了一個虛擬環(huán)境，使研究人員和工程師能夠在模擬的場景中對機器人進行測試和優(yōu)化，減少實驗成本和風險，并提高開發(fā)效率和技術創(chuàng)新。通過機器人仿真系統(tǒng)，可以模擬各種不同的環(huán)境、任務和機器人類型，加速機器人技術的發(fā)展和推廣，促進機器人與人類社會的融合和應用。

2、當前有很多用于不同系統(tǒng)層次的仿真工具，例如側重于系統(tǒng)建模的工具simulink,優(yōu)勢在于控制系統(tǒng)設計、動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真，特別適用于電氣、機械、航空航天、汽車等工程領域中復雜系統(tǒng)的設計、分析和優(yōu)化，但是缺點是三維渲染能力較為簡單，無法提供逼真直觀的仿真效果。除此之外，還有仿真平臺例如gazebo等，gazebo更加專注于機器人的建模、仿真和控制，也可用于傳感器的模擬，在三維渲染效果上有所提升，但是，使用gazebo模擬的傳感器和三維場景很難獲取高精度圖像。

3、為了實現(xiàn)更加多元的仿真要求，目前出現(xiàn)了一些多平臺聯(lián)合仿真的機器人仿真系統(tǒng)。例如公布號為cn116185074a的現(xiàn)有發(fā)明專利申請文獻《一種面向無人機多傳感器融合的仿真測試驗證平臺》，該現(xiàn)有仿真系統(tǒng)使用unreal?engine引擎聯(lián)合ros端的算法模塊進行無人機仿真，在unreal?engine引擎中部署三維場景和模擬傳感器，模擬的數(shù)據(jù)通過網絡通信發(fā)送給ros端，ros端的模型推理模塊和多傳感器融合模塊使用模擬數(shù)據(jù)進行計算，輸出的運動指令再發(fā)送給unreal?engine中的無人機。此仿真系統(tǒng)借助unreal?engine引擎優(yōu)秀的三維渲染能力和ros強大的功能庫，提高仿真場景真實度，提供更高精度的攝像機圖像數(shù)據(jù)，同時可以更加充分地發(fā)揮ros中各種算法、功能包的作用。但是這個仿真系統(tǒng)更適用于無人機的仿真，因為無法提供高精度的動力學模型，所以很難用于地面機器人的仿真。

4、為了結合高精度動力學模型和三維引擎強大的三維渲染能力，在公布號為cn115422723a的現(xiàn)有發(fā)明專利申請文獻《基于opendds的modelica平臺與ue4的協(xié)同仿真方法》中，在openmodelica中對機器人進行仿真建模，在unreal?engine引擎中模擬三維場景和攝像機等傳感器，使用opendds發(fā)布/訂閱模式完成兩平臺間的數(shù)據(jù)交互。此仿真系統(tǒng)可以提供更精細、可定制的動力學模型和逼真的三維場景，但同樣難以提供精細的路面機器人仿真功能，因為unreal?engine引擎中三維場景的模型信息無法被modelica獲取，modelica在進行動力學計算時，很難考慮路況對機器人模型的影響，只能依靠unrealengine引擎本身的模型碰撞。

5、目前，三維仿真技術在地面機器人領域面臨著多重挑戰(zhàn)：難以同時滿足真實感的三維渲染效果、復雜控制邏輯的表現(xiàn)和與場景交互的精細動力學模型，尤其在復雜地面環(huán)境下進行地面機器人仿真時更為顯著。同時，傳感器數(shù)據(jù)的處理、傳輸時延以及多端傳輸?shù)膹碗s性共同導致了仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互難題。此外，硬件在環(huán)的需求增加了仿真系統(tǒng)的復雜性和成本。這些問題影響著地面機器人仿真技術的發(fā)展，迫切需要創(chuàng)新性解決方案來提升仿真系統(tǒng)的全面性能和可靠度。

6、綜上，現(xiàn)有技術存在難以兼顧多元的控制算法和精細的動力學模型、仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互困難、仿真系統(tǒng)的復雜性、成本較高以及可靠性低的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題在于：如何解決現(xiàn)有技術中難以兼顧多元的控制算法和精細的動力學模型、仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互困難、仿真系統(tǒng)的復雜性、成本較高以及可靠性低的技術問題。

2、本發(fā)明是采用以下技術方案解決上述技術問題的：多引擎協(xié)同的機器人仿真系統(tǒng)包括：動力學模塊、三維仿真模塊以及通用控制器模塊；

3、動力學模塊，用以利用vortex實現(xiàn)動力學模塊，將動力學模塊作為插件，導入三維仿真模塊，以與預置三維仿真環(huán)境中的靜態(tài)模型進行力學交互操作；

4、三維仿真模塊，用以利用預置圖形化編程界面，創(chuàng)建巡邏任務、避障任務，跳轉至相應關卡，加載vortex動力學模型，發(fā)送與巡邏任務、避障任務對應的任務指令，三維仿真模塊與動力學模塊連接；

5、在ros中實現(xiàn)通用控制器模塊，用以通過訂閱接收任務啟動命令，依次啟動感知算法程序、規(guī)劃算法程序，在ue5三維仿真引擎，從三維仿真環(huán)境、vortex動力學模型中獲取傳感器信息，設定輪履機器人的行駛目標點，通過fastdds使用協(xié)議的topic進行發(fā)布；根據(jù)預置協(xié)議的topic訂閱傳感器以及形式目標點，利用感知算法程序、感知規(guī)劃程序，求取并發(fā)布輪履機器人的期望線速度、期望角速度，據(jù)以在三維仿真環(huán)境中，調整輪履機器人的位姿，通用控制器模塊與三維仿真模塊連接。

6、本發(fā)明提供了一種基于fastdds通信中間件的ros2控制系統(tǒng)、ue5三維仿真環(huán)境和vortex動力學建模聯(lián)合仿真的機器人硬件在環(huán)運動控制仿真系統(tǒng)?；趗e5三維仿真引擎，開發(fā)仿真管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對仿真過程中各類信息和數(shù)據(jù)的有效管理和展示，從而提高仿真系統(tǒng)的整體效率和可視化效果。

7、在更具體的技術方案中，利用ue5三維仿真引擎搭建三維仿真模塊，三維仿真模塊與ros2中的通用控制器模塊，通過預置通信中間件建立ue5與ros2數(shù)據(jù)通信，進行環(huán)境信息、模型信息以及控制信息的交互操作，兼容ros2的消息格式，進行控制器硬件在環(huán)的仿真測試。

8、本發(fā)明采用的ros擁有強大的算法和功能庫，方便使用dds通信協(xié)議并且后期可以與實物機器人聯(lián)合。本發(fā)明基于fastdds通信中間件，建立ue5與ros2的數(shù)據(jù)通信，兼容ros2消息格式，實現(xiàn)控制器硬件在環(huán)的仿真測試，為實際控制系統(tǒng)的開發(fā)提供可靠的支持和驗證。這些技術組合為仿真系統(tǒng)的全面發(fā)展提供了重要的技術基礎和支持，將在各類實際應用場景中展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。

9、在更具體的技術方案中，三維仿真模塊包括：交互顯示組件、傳感器組件、三維模型組件、動力學接口組件以及通信組件；

10、交互顯示組件，用以進行用戶交互操作；

11、傳感器組件，用于從預置傳感器部件庫中加載部件數(shù)據(jù)，以模擬機器人運行過程中的傳感器功能，傳感器組件與交互顯示組件連接；

12、三維模型組件，用以從外部導入三維模型庫，設置三維仿真系統(tǒng)的三維模型，三維模型組件與傳感器組件連接；

13、動力學接口組件，用于在三維仿真模塊與動力學模塊之間，進行插件數(shù)據(jù)交換，在外部動力學建模庫擴展過程中，在預置動力學建模軟件進行接口添加設置，利用動力學接口組件進行接口擴展，動力學接口組件與三維模型組件連接；

14、通信組件，用以進行三維仿真模塊與輪履機器人的外部模塊進行信息交互操作，其中，通信組件發(fā)送的信息還包括：多維傳感器信息、仿真指令以及接收控制信息，通信組件與動力學接口組件、三維模型組件及動力學接口組件連接。

15、在更具體的技術方案中，交互顯示組件還包括：

16、圖形化編程組件，用以從三維模型組件、傳感器組件獲取三維選擇模型、傳感器選擇類型以及對應算法；通過任務選擇、拖拽機器人零部件、算法模塊操作，自動生成仿真任務及任務指令，向傳感器組件、三維模型組件、動力學接口組件發(fā)送任務指令；

17、數(shù)據(jù)顯示組件，用于根據(jù)任務指令，生成并顯示從通信組件接收到的機器人控制信息，數(shù)據(jù)顯示組件與圖形化編程組件連接。

18、在更具體的技術方案中，傳感器組件包括：

19、激光雷達傳感器組件，安裝于輪履機器人的激光雷達安裝位置，以在預置三維仿真環(huán)境中，模擬激光雷達，生成3d點云數(shù)據(jù)，將3d點云數(shù)據(jù)封裝為預置協(xié)議格式并發(fā)送至通信組件；

20、imu傳感器組件，從動力學模塊中獲取輪履機器人車體的線加速度、角速度，將線加速度、角加速度封裝為預置協(xié)議格式并發(fā)送至通信組件；

21、磁力計傳感器組件，用于在三維模型組件添加輪履機器人的車體位置，以處理得到車體角度四元數(shù)。

22、本發(fā)明采用的fastdds通信中間件支持各個平臺，并且方便傳輸大體量的數(shù)據(jù)，傳輸速度快、傳輸效果穩(wěn)定。這四個部件進行聯(lián)合仿真時，可以獲得很好的三維渲染效果，并且可以兼顧多元的控制算法和精細的動力學模型。本發(fā)明所設計的仿真系統(tǒng)框架具有良好的靈活性和可擴展性，可以用于海、陸、空、天多種場景，多種類機器人的仿真任務。

23、在更具體的技術方案中，三維模型組件還包括：

24、靜態(tài)物體模型組件，包括：地圖三維模型、三維場景模型意見場景中靜態(tài)物體三維模型，以及自然特效；其中，自然特效還包括：關卡光照數(shù)據(jù)、關卡風數(shù)據(jù)；

25、動態(tài)物體模型組件，包括：輪履機器人模型，與動力學接口組件233進行數(shù)據(jù)交換操作。

26、本發(fā)明開發(fā)高精度地圖，模擬激光雷達等傳感器實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)采集與交互，加強仿真環(huán)境的真實性和可信度，為實際應用的模擬提供更為精準的基礎。本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的框架同時也適用于無人機、機械臂等其他種類的機器人的仿真需求，具有良好的靈活性和兼容性。

27、在更具體的技術方案中，通用控制器模塊包括：

28、算法控制模塊，用以訂閱ue5三維仿真引擎中的任務指令，任務指令包括：任務開始指令、任務結束指令；

29、利用動力學建模軟件vortex搭建動力學模塊，將動力學建模軟件vortex作為ue5三維仿真引擎的插件，通過vhl_interface數(shù)據(jù)交互方式，進行機器人和場景交互動力學建模，構建得到輪履機器人的vortex動力學模型，將vortex動力學模型，以預置導入方式導入ue5三維仿真引擎，利用ue三維仿真引擎的藍圖調用vortex動力學模型中的輸入輸出接口，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)交換；其中，預置導入方式包括：.mechanism資源方式。

30、本發(fā)明基于vortex動力學建模軟件，通過vhl_interface數(shù)據(jù)交互方式，實現(xiàn)高精度的機器人和場景交互動力學建模，獲得更加準確和逼真的仿真結果。vortex提供了精細的、可高度定制化的動力學建模。

31、本發(fā)明使用了ros2中豐富的算法和功能庫的同時，在ue5中搭建了真實高清的三維仿真場景；vortex集成進ue5的做法可以讓高精度動力學模型與三維仿真場景進行良好的交互，在輪履機器人行駛過程中，模擬出路面起伏效果。

32、在更具體的技術方案中，在接收到任務開始指令時，依次啟動算法模塊中的感知算法程序、規(guī)劃算法程序，以通過預置協(xié)議的topic訂閱雷達點云數(shù)據(jù)和imu、磁力計數(shù)據(jù)；在算法控制模塊接收到任務結束指令時，關閉感知算法程序、規(guī)劃算法程序。

33、在更具體的技術方案中，利用ue5三維仿真引擎，通過topic訂閱接收到期望線速度、期望角速度，通過vortex動力學模型中的輸入輸出接口，將期望線速度、期望角速度傳給動力學模型，動力學模型解算期望線速度、期望角速度，以調整三維仿真環(huán)境中的輪履機器人的位姿。

34、本發(fā)明采用的vortex動力學模型和ue5三維仿真引擎又共同為ros2算法提供了高精度的傳感器模擬數(shù)據(jù)，讓ros2中的算法發(fā)揮與機器人實物相近的作用。ue5提供了強大的三維渲染效果，并且高度兼容vortex插件。

35、在更具體的技術方案中，多引擎協(xié)同的機器人仿真方法包括：

36、s1、利用vortex實現(xiàn)動力學模塊，將動力學模塊作為插件，導入三維仿真模塊，以與預置三維仿真環(huán)境中的靜態(tài)模型進行力學交互操作；

37、s2、利用預置圖形化編程界面，創(chuàng)建巡邏任務、避障任務，跳轉至相應關卡，加載vortex動力學模型，發(fā)送與巡邏任務、避障任務對應的任務指令；

38、s3、通過訂閱接收任務啟動命令，依次啟動感知算法程序、規(guī)劃算法程序，在ue5三維仿真引擎，從三維仿真環(huán)境、vortex動力學模型中獲取傳感器信息，設定輪履機器人的行駛目標點，通過fastdds使用協(xié)議的topic進行發(fā)布；根據(jù)預置協(xié)議的topic訂閱傳感器以及形式目標點，利用感知算法程序、感知規(guī)劃程序，求取并發(fā)布輪履機器人的期望線速度、期望角速度，據(jù)以在三維仿真環(huán)境中，調整輪履機器人的位姿。

39、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點：

40、本發(fā)明提供了一種基于fastdds通信中間件的ros2控制系統(tǒng)、ue5三維仿真環(huán)境和vortex動力學建模聯(lián)合仿真的機器人硬件在環(huán)運動控制仿真系統(tǒng)?；趗e5三維仿真引擎，開發(fā)仿真管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對仿真過程中各類信息和數(shù)據(jù)的有效管理和展示，從而提高仿真系統(tǒng)的整體效率和可視化效果。開發(fā)高精度地圖，模擬激光雷達等傳感器實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)采集與交互，加強仿真環(huán)境的真實性和可信度，為實際應用的模擬提供更為精準的基礎。本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的框架同時也適用于無人機、機械臂等其他種類的機器人的仿真需求，具有良好的靈活性和兼容性。

41、本發(fā)明采用的ros擁有強大的算法和功能庫，方便使用dds通信協(xié)議并且后期可以與實物機器人聯(lián)合。本發(fā)明基于fastdds通信中間件，建立ue5與ros2的數(shù)據(jù)通信，兼容ros2消息格式，實現(xiàn)控制器硬件在環(huán)的仿真測試，為實際控制系統(tǒng)的開發(fā)提供可靠的支持和驗證。這些技術組合為仿真系統(tǒng)的全面發(fā)展提供了重要的技術基礎和支持，將在各類實際應用場景中展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。

42、本發(fā)明采用的fastdds通信中間件支持各個平臺，并且方便傳輸大體量的數(shù)據(jù)，傳輸速度快、傳輸效果穩(wěn)定。這四個部件進行聯(lián)合仿真時，可以獲得很好的三維渲染效果，并且可以兼顧多元的控制算法和精細的動力學模型。本發(fā)明所設計的仿真系統(tǒng)框架具有良好的靈活性和可擴展性，可以用于海、陸、空、天多種場景，多種類機器人的仿真任務。

43、本發(fā)明基于vortex動力學建模軟件，通過vhl_interface數(shù)據(jù)交互方式，實現(xiàn)高精度的機器人和場景交互動力學建模，獲得更加準確和逼真的仿真結果。vortex提供了精細的、可高度定制化的動力學建模。

44、本發(fā)明使用了ros2中豐富的算法和功能庫的同時，在ue5中搭建了真實高清的三維仿真場景；vortex集成進ue5的做法可以讓高精度動力學模型與三維仿真場景進行良好的交互，在輪履機器人行駛過程中，模擬出路面起伏效果。

45、本發(fā)明采用的vortex動力學模型和ue5三維仿真引擎又共同為ros2算法提供了高精度的傳感器模擬數(shù)據(jù)，讓ros2中的算法發(fā)揮與機器人實物相近的作用。ue5提供了強大的三維渲染效果，并且高度兼容vortex插件。

46、本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術中存在的難以兼顧多元的控制算法和精細的動力學模型、仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互困難、仿真系統(tǒng)的復雜性、成本較高以及可靠性低的技術問題。