多引擎协同的机器人仿真系统及方法与流程

本发明涉及机器人仿真领域，具体涉及多引擎协同的机器人仿真系统及方法。

背景技术：

1、机器人仿真系统是在计算机技术和虚拟仿真技术的支持下，为了满足机器人研究、开发和测试需求而产生的。随着机器人技术的快速发展和广泛应用，需要一种高效、安全且成本较低的方法来验证机器人感知、规划和控制等功能。机器人仿真系统提供了一个虚拟环境，使研究人员和工程师能够在模拟的场景中对机器人进行测试和优化，减少实验成本和风险，并提高开发效率和技术创新。通过机器人仿真系统，可以模拟各种不同的环境、任务和机器人类型，加速机器人技术的发展和推广，促进机器人与人类社会的融合和应用。

2、当前有很多用于不同系统层次的仿真工具，例如侧重于系统建模的工具simulink,优势在于控制系统设计、动态系统建模和仿真，特别适用于电气、机械、航空航天、汽车等工程领域中复杂系统的设计、分析和优化，但是缺点是三维渲染能力较为简单，无法提供逼真直观的仿真效果。除此之外，还有仿真平台例如gazebo等，gazebo更加专注于机器人的建模、仿真和控制，也可用于传感器的模拟，在三维渲染效果上有所提升，但是，使用gazebo模拟的传感器和三维场景很难获取高精度图像。

3、为了实现更加多元的仿真要求，目前出现了一些多平台联合仿真的机器人仿真系统。例如公布号为cn116185074a的现有发明专利申请文献《一种面向无人机多传感器融合的仿真测试验证平台》，该现有仿真系统使用unreal engine引擎联合ros端的算法模块进行无人机仿真，在unreal engine引擎中部署三维场景和模拟传感器，模拟的数据通过网络通信发送给ros端，ros端的模型推理模块和多传感器融合模块使用模拟数据进行计算，输出的运动指令再发送给unreal engine中的无人机。此仿真系统借助unreal engine引擎优秀的三维渲染能力和ros强大的功能库，提高仿真场景真实度，提供更高精度的摄像机图像数据，同时可以更加充分地发挥ros中各种算法、功能包的作用。但是这个仿真系统更适用于无人机的仿真，因为无法提供高精度的动力学模型，所以很难用于地面机器人的仿真。

4、为了结合高精度动力学模型和三维引擎强大的三维渲染能力，在公布号为cn115422723a的现有发明专利申请文献《基于opendds的modelica平台与ue4的协同仿真方法》中，在openmodelica中对机器人进行仿真建模，在unreal engine引擎中模拟三维场景和摄像机等传感器，使用opendds发布/订阅模式完成两平台间的数据交互。此仿真系统可以提供更精细、可定制的动力学模型和逼真的三维场景，但同样难以提供精细的路面机器人仿真功能，因为unreal engine引擎中三维场景的模型信息无法被modelica获取，modelica在进行动力学计算时，很难考虑路况对机器人模型的影响，只能依靠unrealengine引擎本身的模型碰撞。

5、目前，三维仿真技术在地面机器人领域面临着多重挑战：难以同时满足真实感的三维渲染效果、复杂控制逻辑的表现和与场景交互的精细动力学模型，尤其在复杂地面环境下进行地面机器人仿真时更为显著。同时，传感器数据的处理、传输时延以及多端传输的复杂性共同导致了仿真系统的数据交互难题。此外，硬件在环的需求增加了仿真系统的复杂性和成本。这些问题影响着地面机器人仿真技术的发展，迫切需要创新性解决方案来提升仿真系统的全面性能和可靠度。

6、综上，现有技术存在难以兼顾多元的控制算法和精细的动力学模型、仿真系统数据交互困难、仿真系统的复杂性、成本较高以及可靠性低的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中难以兼顾多元的控制算法和精细的动力学模型、仿真系统数据交互困难、仿真系统的复杂性、成本较高以及可靠性低的技术问题。

2、本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：多引擎协同的机器人仿真系统包括：动力学模块、三维仿真模块以及通用控制器模块；

3、动力学模块，用以利用vortex实现动力学模块，将动力学模块作为插件，导入三维仿真模块，以与预置三维仿真环境中的静态模型进行力学交互操作；

4、三维仿真模块，用以利用预置图形化编程界面，创建巡逻任务、避障任务，跳转至相应关卡，加载vortex动力学模型，发送与巡逻任务、避障任务对应的任务指令，三维仿真模块与动力学模块连接；

5、在ros中实现通用控制器模块，用以通过订阅接收任务启动命令，依次启动感知算法程序、规划算法程序，在ue5三维仿真引擎，从三维仿真环境、vortex动力学模型中获取传感器信息，设定轮履机器人的行驶目标点，通过fastdds使用协议的topic进行发布；根据预置协议的topic订阅传感器以及形式目标点，利用感知算法程序、感知规划程序，求取并发布轮履机器人的期望线速度、期望角速度，据以在三维仿真环境中，调整轮履机器人的位姿，通用控制器模块与三维仿真模块连接。

6、本发明提供了一种基于fastdds通信中间件的ros2控制系统、ue5三维仿真环境和vortex动力学建模联合仿真的机器人硬件在环运动控制仿真系统。基于ue5三维仿真引擎，开发仿真管理系统，实现对仿真过程中各类信息和数据的有效管理和展示，从而提高仿真系统的整体效率和可视化效果。

7、在更具体的技术方案中，利用ue5三维仿真引擎搭建三维仿真模块，三维仿真模块与ros2中的通用控制器模块，通过预置通信中间件建立ue5与ros2数据通信，进行环境信息、模型信息以及控制信息的交互操作，兼容ros2的消息格式，进行控制器硬件在环的仿真测试。

8、本发明采用的ros拥有强大的算法和功能库，方便使用dds通信协议并且后期可以与实物机器人联合。本发明基于fastdds通信中间件，建立ue5与ros2的数据通信，兼容ros2消息格式，实现控制器硬件在环的仿真测试，为实际控制系统的开发提供可靠的支持和验证。这些技术组合为仿真系统的全面发展提供了重要的技术基础和支持，将在各类实际应用场景中展现出巨大的潜力和价值。

9、在更具体的技术方案中，三维仿真模块包括：交互显示组件、传感器组件、三维模型组件、动力学接口组件以及通信组件；

10、交互显示组件，用以进行用户交互操作；

11、传感器组件，用于从预置传感器部件库中加载部件数据，以模拟机器人运行过程中的传感器功能，传感器组件与交互显示组件连接；

12、三维模型组件，用以从外部导入三维模型库，设置三维仿真系统的三维模型，三维模型组件与传感器组件连接；

13、动力学接口组件，用于在三维仿真模块与动力学模块之间，进行插件数据交换，在外部动力学建模库扩展过程中，在预置动力学建模软件进行接口添加设置，利用动力学接口组件进行接口扩展，动力学接口组件与三维模型组件连接；

14、通信组件，用以进行三维仿真模块与轮履机器人的外部模块进行信息交互操作，其中，通信组件发送的信息还包括：多维传感器信息、仿真指令以及接收控制信息，通信组件与动力学接口组件、三维模型组件及动力学接口组件连接。

15、在更具体的技术方案中，交互显示组件还包括：

16、图形化编程组件，用以从三维模型组件、传感器组件获取三维选择模型、传感器选择类型以及对应算法；通过任务选择、拖拽机器人零部件、算法模块操作，自动生成仿真任务及任务指令，向传感器组件、三维模型组件、动力学接口组件发送任务指令；

17、数据显示组件，用于根据任务指令，生成并显示从通信组件接收到的机器人控制信息，数据显示组件与图形化编程组件连接。

18、在更具体的技术方案中，传感器组件包括：

19、激光雷达传感器组件，安装于轮履机器人的激光雷达安装位置，以在预置三维仿真环境中，模拟激光雷达，生成3d点云数据，将3d点云数据封装为预置协议格式并发送至通信组件；

20、imu传感器组件，从动力学模块中获取轮履机器人车体的线加速度、角速度，将线加速度、角加速度封装为预置协议格式并发送至通信组件；

21、磁力计传感器组件，用于在三维模型组件添加轮履机器人的车体位置，以处理得到车体角度四元数。

22、本发明采用的fastdds通信中间件支持各个平台，并且方便传输大体量的数据，传输速度快、传输效果稳定。这四个部件进行联合仿真时，可以获得很好的三维渲染效果，并且可以兼顾多元的控制算法和精细的动力学模型。本发明所设计的仿真系统框架具有良好的灵活性和可扩展性，可以用于海、陆、空、天多种场景，多种类机器人的仿真任务。

23、在更具体的技术方案中，三维模型组件还包括：

24、静态物体模型组件，包括：地图三维模型、三维场景模型意见场景中静态物体三维模型，以及自然特效；其中，自然特效还包括：关卡光照数据、关卡风数据；

25、动态物体模型组件，包括：轮履机器人模型，与动力学接口组件233进行数据交换操作。

26、本发明开发高精度地图，模拟激光雷达等传感器实现场景数据采集与交互，加强仿真环境的真实性和可信度，为实际应用的模拟提供更为精准的基础。本发明的仿真系统的框架同时也适用于无人机、机械臂等其他种类的机器人的仿真需求，具有良好的灵活性和兼容性。

27、在更具体的技术方案中，通用控制器模块包括：

28、算法控制模块，用以订阅ue5三维仿真引擎中的任务指令，任务指令包括：任务开始指令、任务结束指令；

29、利用动力学建模软件vortex搭建动力学模块，将动力学建模软件vortex作为ue5三维仿真引擎的插件，通过vhl_interface数据交互方式，进行机器人和场景交互动力学建模，构建得到轮履机器人的vortex动力学模型，将vortex动力学模型，以预置导入方式导入ue5三维仿真引擎，利用ue三维仿真引擎的蓝图调用vortex动力学模型中的输入输出接口，实现模型数据交换；其中，预置导入方式包括：.mechanism资源方式。

30、本发明基于vortex动力学建模软件，通过vhl_interface数据交互方式，实现高精度的机器人和场景交互动力学建模，获得更加准确和逼真的仿真结果。vortex提供了精细的、可高度定制化的动力学建模。

31、本发明使用了ros2中丰富的算法和功能库的同时，在ue5中搭建了真实高清的三维仿真场景；vortex集成进ue5的做法可以让高精度动力学模型与三维仿真场景进行良好的交互，在轮履机器人行驶过程中，模拟出路面起伏效果。

32、在更具体的技术方案中，在接收到任务开始指令时，依次启动算法模块中的感知算法程序、规划算法程序，以通过预置协议的topic订阅雷达点云数据和imu、磁力计数据；在算法控制模块接收到任务结束指令时，关闭感知算法程序、规划算法程序。

33、在更具体的技术方案中，利用ue5三维仿真引擎，通过topic订阅接收到期望线速度、期望角速度，通过vortex动力学模型中的输入输出接口，将期望线速度、期望角速度传给动力学模型，动力学模型解算期望线速度、期望角速度，以调整三维仿真环境中的轮履机器人的位姿。

34、本发明采用的vortex动力学模型和ue5三维仿真引擎又共同为ros2算法提供了高精度的传感器模拟数据，让ros2中的算法发挥与机器人实物相近的作用。ue5提供了强大的三维渲染效果，并且高度兼容vortex插件。

35、在更具体的技术方案中，多引擎协同的机器人仿真方法包括：

36、s1、利用vortex实现动力学模块，将动力学模块作为插件，导入三维仿真模块，以与预置三维仿真环境中的静态模型进行力学交互操作；

37、s2、利用预置图形化编程界面，创建巡逻任务、避障任务，跳转至相应关卡，加载vortex动力学模型，发送与巡逻任务、避障任务对应的任务指令；

38、s3、通过订阅接收任务启动命令，依次启动感知算法程序、规划算法程序，在ue5三维仿真引擎，从三维仿真环境、vortex动力学模型中获取传感器信息，设定轮履机器人的行驶目标点，通过fastdds使用协议的topic进行发布；根据预置协议的topic订阅传感器以及形式目标点，利用感知算法程序、感知规划程序，求取并发布轮履机器人的期望线速度、期望角速度，据以在三维仿真环境中，调整轮履机器人的位姿。

39、本发明相比现有技术具有以下优点：

40、本发明提供了一种基于fastdds通信中间件的ros2控制系统、ue5三维仿真环境和vortex动力学建模联合仿真的机器人硬件在环运动控制仿真系统。基于ue5三维仿真引擎，开发仿真管理系统，实现对仿真过程中各类信息和数据的有效管理和展示，从而提高仿真系统的整体效率和可视化效果。开发高精度地图，模拟激光雷达等传感器实现场景数据采集与交互，加强仿真环境的真实性和可信度，为实际应用的模拟提供更为精准的基础。本发明的仿真系统的框架同时也适用于无人机、机械臂等其他种类的机器人的仿真需求，具有良好的灵活性和兼容性。

41、本发明采用的ros拥有强大的算法和功能库，方便使用dds通信协议并且后期可以与实物机器人联合。本发明基于fastdds通信中间件，建立ue5与ros2的数据通信，兼容ros2消息格式，实现控制器硬件在环的仿真测试，为实际控制系统的开发提供可靠的支持和验证。这些技术组合为仿真系统的全面发展提供了重要的技术基础和支持，将在各类实际应用场景中展现出巨大的潜力和价值。

42、本发明采用的fastdds通信中间件支持各个平台，并且方便传输大体量的数据，传输速度快、传输效果稳定。这四个部件进行联合仿真时，可以获得很好的三维渲染效果，并且可以兼顾多元的控制算法和精细的动力学模型。本发明所设计的仿真系统框架具有良好的灵活性和可扩展性，可以用于海、陆、空、天多种场景，多种类机器人的仿真任务。

43、本发明基于vortex动力学建模软件，通过vhl_interface数据交互方式，实现高精度的机器人和场景交互动力学建模，获得更加准确和逼真的仿真结果。vortex提供了精细的、可高度定制化的动力学建模。

44、本发明使用了ros2中丰富的算法和功能库的同时，在ue5中搭建了真实高清的三维仿真场景；vortex集成进ue5的做法可以让高精度动力学模型与三维仿真场景进行良好的交互，在轮履机器人行驶过程中，模拟出路面起伏效果。

45、本发明采用的vortex动力学模型和ue5三维仿真引擎又共同为ros2算法提供了高精度的传感器模拟数据，让ros2中的算法发挥与机器人实物相近的作用。ue5提供了强大的三维渲染效果，并且高度兼容vortex插件。

46、本发明解决了现有技术中存在的难以兼顾多元的控制算法和精细的动力学模型、仿真系统数据交互困难、仿真系统的复杂性、成本较高以及可靠性低的技术问题。