張樂樂，戴永壽，李立剛

（中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

隨著水資源的廣泛開發(fā)與利用，物資運輸、人員搜救、環(huán)境保護(hù)等多方面任務(wù)需求愈加旺盛，無人船已成為最佳任務(wù)平臺[1-3]。為適應(yīng)多變的水面環(huán)境，各國正在從障礙物檢測、避障導(dǎo)航等方面加速無人船技術(shù)的研發(fā)[4]。然而，海上惡劣環(huán)境與高昂出海成本極大提高了相關(guān)算法的研發(fā)與測試難度，導(dǎo)致無人船相關(guān)技術(shù)研發(fā)周期漫長，開發(fā)效率低下。因此，用于替代出海實驗的無人船仿真測試軟件平臺的開發(fā)與實現(xiàn)已經(jīng)成為無人船技術(shù)高效發(fā)展的重要基石[5-8]。

為利于在實驗室環(huán)境中開展無人船關(guān)鍵測控算法的離線仿真測試驗證，降低實船實驗成本，縮短算法開發(fā)使用周期,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一款可在實驗室內(nèi)對相關(guān)算法測試驗證的無人船仿真測試平臺。

1 軟件總體設(shè)計

1.1 軟件功能需求分析

為保障本平臺在實驗過程復(fù)現(xiàn)時的準(zhǔn)確性，算法效果統(tǒng)計時的精準(zhǔn)性，平臺應(yīng)具備與現(xiàn)實場景相對應(yīng)的仿真環(huán)境并模擬船舶在海上的真實受力情況；能夠?qū)o人船及海面障礙物模型進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理；具備測試算法的嵌入接口，在對算法進(jìn)行測試驗證的同時，將船舶運動過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以圖表的形式渲染到可視化窗口，便于研究人員查看和記錄；統(tǒng)一存儲和管理實驗數(shù)據(jù)。此外，為對算法性能進(jìn)行評價，該平臺還應(yīng)具有算法優(yōu)劣的評價指標(biāo)。根據(jù)上述分析，平臺的具體功能如圖1 所示。

圖1 無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試平臺功能分析圖

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試平臺的功能需求分析，將平臺劃分為五個主要的功能模塊：海面環(huán)境仿真模塊、物理效應(yīng)計算模塊、插件管理模塊、決策控制模塊、可視化渲染模塊。平臺的整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試平臺架構(gòu)

在圖2 中，可視化渲染模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)聽用戶輸入和場景渲染，海面環(huán)境仿真模塊負(fù)責(zé)搭建海面場景，物理效應(yīng)計算模塊根據(jù)模型受力情況計算對象的變化狀態(tài)，決策控制模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行調(diào)度決策，插件管理模塊用于管理和動態(tài)加載待測算法插件。根據(jù)平臺實際功能和架構(gòu)，設(shè)計了圖3 所示的工作流程圖。

圖3 無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試平臺工作流程圖

當(dāng)軟件啟動后，各個功能模塊開始初始化，可視化渲染模塊開始監(jiān)聽等待用戶輸入，插件管理模塊加載需要測試的算法插件，決策控制模塊根據(jù)物理效應(yīng)計算模塊和插件管理模塊給出的信息進(jìn)行調(diào)度決策，將最新的仿真狀態(tài)渲染到可視化界面中，完成一個周期的狀態(tài)更新。

2 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

為實現(xiàn)無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試平臺的基本功能需求，方便研究人員對需要測試的算法進(jìn)行優(yōu)劣評價，選用C#語言、Unity 3D 平臺進(jìn)行開發(fā)。通過搭建模型受力計算架構(gòu)實現(xiàn)物體受力模擬，并應(yīng)用插件動態(tài)加載技術(shù)將避障導(dǎo)航算法適配到Unity 3D 平臺，保障待測算法在平臺中的穩(wěn)定運行。

2.1 基于物理效應(yīng)的模型受力計算架構(gòu)

為在虛擬世界中模擬現(xiàn)實物體的受力和運動情況，該平臺基于Unity 3D 提供的物理引擎功能進(jìn)行物體的碰撞檢測和現(xiàn)實受力模擬[9-11]。物體在現(xiàn)實世界中會受到諸多力的影響，如重力、摩擦力等，Unity 3D 中提供的物理引擎可以將這些力添加給虛擬模型，模擬虛擬模型在現(xiàn)實世界中的物理情況。在該平臺中主要使用物理引擎中的碰撞檢測功能和剛體物理學(xué)解算功能，在虛擬世界中，要保證兩模型在發(fā)生碰撞后不會穿“?！倍^，就必須為模型添加碰撞體組件。只有添加了碰撞器組件的模型，才能夠被虛擬世界感知到模型邊界，保障在模型運動過程中，如果發(fā)生碰撞，可以被軟件感知并作出回應(yīng)。三維模型只有添加剛體屬性才能被物理引擎控制，在受到外力時產(chǎn)生真實世界的運動，該平臺在基于物理引擎的剛體物理學(xué)解算功能上，搭建了模型受力計算架構(gòu)用以模擬物體現(xiàn)實受力。

根據(jù)平臺工作需要，設(shè)計了如圖4 所示的模型受力計算架構(gòu)圖，在圖4 中，Model 類是軟件中定義的模型管理類，用于統(tǒng)一存儲管理平臺中的三維模型。當(dāng)物體發(fā)生碰撞事件時，不但要受到物體間碰撞時產(chǎn)生的相互作用力，還有其本身所受到的重力和浮力，因而設(shè)計了作用力收集工具，作用力收集工具負(fù)責(zé)收集碰撞時物體受到的相互作用力以及物體本身的重力、浮力，并結(jié)合無人船上一時刻的狀態(tài)，通過計算給出無人船下一時刻的坐標(biāo)變換，完成物體下一時刻的狀態(tài)更新。

圖4 模型受力計算架構(gòu)圖

2.2 插件動態(tài)加載方法

為在軟件平臺中對無人船避障導(dǎo)航算法進(jìn)行測試驗證，需要從待測算法的封裝、DLL 插件的讀取、軟件平臺與DLL 插件交互三方面展開工作，使待測算法適配到軟件平臺并正常運行。

待測算法的封裝方面，由于軟件平臺聚焦于算法的測試驗證而不關(guān)注算法實現(xiàn)原理，因此將待測算法封裝為獨立的動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL）插件[12-13]，降低算法程序與平臺程序間的耦合性，提高平臺對多種算法的兼容性。

DLL 插件的讀取方面，在軟件平臺中應(yīng)用C#反射技術(shù)動態(tài)[14-16]讀取DLL 插件中的函數(shù)方法，完成對待測算法的調(diào)用。C#反射是操作DLL 插件元數(shù)據(jù)的類庫，其可以在類未知的情況下，通過規(guī)范化的插件接口，操作并獲取類中的字段、屬性和方法。

軟件平臺與DLL 插件交互方面，為提高DLL 插件讀取接口的復(fù)用性，對同一類別的待測算法接口進(jìn)行通用化設(shè)計。首先，在接口內(nèi)部單獨封裝只讀接口類，用于對待測算法插件的名稱、版本等屬性信息進(jìn)行標(biāo)識，以幫助區(qū)分不同版本的待測算法；其次，為了適應(yīng)多種同類待測算法插件中輸入?yún)?shù)數(shù)量的差異，使用可接收不確定數(shù)量參數(shù)的“params”關(guān)鍵字與數(shù)據(jù)基類“object”相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對不同參數(shù)數(shù)量的待測算法的參數(shù)傳遞；最后，在避障導(dǎo)航算法驗證模塊，單獨開辟路徑規(guī)劃算法插件與路徑跟蹤控制算法插件的返回值存儲空間，用于存儲DLL 插件輸出的無人船期望路徑點與期望航向航速，便于軟件平臺后續(xù)調(diào)用待測算法返回值進(jìn)行算法效果的評價與渲染。

3 可視化場景渲染

可視化場景渲染是按照一定幀率將仿真對象的狀態(tài)渲染到可視化窗口中，在無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試平臺中，為給用戶更好的仿真體驗，繪制了逼近真實的近岸虛擬海洋環(huán)境。同時在避障導(dǎo)航算法驗證模塊設(shè)計算法有效性評價指標(biāo),便于比較算法優(yōu)劣。

3.1 虛擬近岸海洋場景搭建

三維模型是仿真平臺的重要組成部分，模型的精細(xì)程度直接影響到平臺的視覺效果和真實程度，在實現(xiàn)平臺的具體功能前，先完成平臺所需的各類三維模型的繪制工作，并導(dǎo)入Unity 3D 平臺，搭建出模擬真實環(huán)境的虛擬海洋場景。

搭建虛擬近岸海洋場景所需要的三維模型主要有無人船三維模型、天空、海浪、島嶼以及海上可能出現(xiàn)的各類障礙物。Unity 3D 平臺自帶的資源庫可以滿足本平臺基本的模型需求[17]。因此，除無人船模型外，其余模型均為在資源商店下載后導(dǎo)入平臺進(jìn)行參數(shù)配置后直接用于開發(fā)。

為了更加真實的還原無人船在海上運行的實際情況，平臺中的無人船三維模型是依據(jù)無人船實物繪制而成，利用solidworks 建模軟件搭建無人船模型。無人船是由多個零件組合而成的整體，其零件的組合關(guān)系復(fù)雜。在該軟件中，主要展示無人船的被控性能和運動情況，因此，建模時不需要過多考慮各個零件之間的組合關(guān)系[18-19]。圖5 與圖6 為無人船實船與三維模型圖。

圖5 無人船實物

圖6 無人船三維模型圖

將無人船模型導(dǎo)入Unity 3D 后，繼續(xù)導(dǎo)入海浪、障礙物等環(huán)境模型，調(diào)整各個模型的尺寸比例及位置，設(shè)置燈光、相機等，完成軟件的環(huán)境場景搭建工作。

3.2 避障導(dǎo)航算法評價指標(biāo)設(shè)計

為了快速評價避障導(dǎo)航算法的優(yōu)劣，在所設(shè)計的軟件平臺中提供相關(guān)算法評價指標(biāo)的計算方法[20]。

在路徑規(guī)劃算法的評價指標(biāo)方面，給出路徑長度、轉(zhuǎn)向次數(shù)、算法運行時間三個算法有效性評價指標(biāo)。算法運行時間為程序?qū)嶋H運行時間，路徑長度D表示為：

轉(zhuǎn)向次數(shù)S表示為：

Si表示為：

其中，路徑規(guī)劃算法插件共給出n個路徑點，(xi,yi)為第i個路徑點坐標(biāo)。

在路徑跟蹤控制算法的評價指標(biāo)方面，使用平均跟蹤誤差作為算法有效性評價指標(biāo)。平均跟蹤誤差M用無人船在各時刻實際航行位置到期望航線最短距離的均值表示，如下：

其中，m為無人船沿期望航線運動過程中采樣到的航行點跡數(shù)量，(xj,yj)為第j時刻無人船實際位置，ki為無人船實際位置所對應(yīng)期望航線的斜率，bi為無人船實際位置所對應(yīng)期望航線的截距，ki、bi表示為：

4 軟件性能測試

無人船避障導(dǎo)航算法仿真測試驗證平臺包含路徑規(guī)劃算法驗證模塊與路徑跟蹤控制算法驗證模塊，為驗證平臺有效性，分別對兩大模塊進(jìn)行性能測試。

4.1 路徑規(guī)劃算法驗證模塊性能測試

為驗證路徑規(guī)劃算法驗證模塊的有效性，將已開發(fā)完成的A*算法動態(tài)鏈接庫導(dǎo)入該模塊中進(jìn)行測試，軟件平臺能夠正常讀取算法插件，運行效果如圖7 所示。

圖7 路徑規(guī)劃算法模塊測試效果

進(jìn)一步將算法在Matlab 中進(jìn)行仿真實驗，得到算法評價指標(biāo)，兩系統(tǒng)中給出的算法評價指標(biāo)如表1所示。

表1 算法在多平臺的評價指標(biāo)對比表

結(jié)合圖表可得，所設(shè)計軟件平臺顯示效果更加直觀。與Matlab 相比，二者給出的評價指標(biāo)基本吻合，軟件平臺的路徑規(guī)劃算法驗證模塊準(zhǔn)確可行。

4.2 路徑跟蹤控制算法驗證模塊性能測試

為對路徑跟蹤控制算法驗證模塊進(jìn)行有效性測試，將開發(fā)完成的LOS 引導(dǎo)率算法動態(tài)鏈接庫導(dǎo)入軟件平臺進(jìn)行測試，算法插件能夠正常讀取，運行效果如圖8 所示。

進(jìn)一步將軟件平臺得到的評價指標(biāo)與實船實驗結(jié)果相對比，兩者的算法評價指標(biāo)如表2 所示。

表2 算法在多平臺的評價指標(biāo)對比表

結(jié)合表2 可知，考慮到海浪對無人船航行的干擾，實船實驗與軟件平臺給出的評價指標(biāo)誤差在可接受范圍內(nèi)，評價指標(biāo)合理有效。且軟件平臺能夠便捷快速地復(fù)現(xiàn)算法驗證過程，實驗結(jié)果易于觀察，算法效果對比直觀。

5 結(jié)論

根據(jù)無人船實船進(jìn)行建模，并利用Unity 3D 引擎構(gòu)建虛擬了近岸海洋場景，在虛擬海洋試驗場中對無人船運動過程中的關(guān)鍵算法進(jìn)行測試，一方面，通過虛擬場景對無人船運動過程中的避障導(dǎo)航算法進(jìn)行測試驗證并展示，減緩了大量海上實驗極其耗費人力物力等資源的問題，另一方面，通過虛擬可視化技術(shù)對實驗過程及其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，為無人船技術(shù)的學(xué)習(xí)與推廣提供了可視化平臺。

目前，該仿真測試驗證平臺已應(yīng)用在實驗室無人船相關(guān)算法的測試驗證中，實踐結(jié)果表明，該套系統(tǒng)可以有效地驗證避障導(dǎo)航算法有效性，直觀地展示算法的優(yōu)劣，為算法的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，同時節(jié)省了大量物力財力，具備良好的工程應(yīng)用價值。