水下机器人由感知层、控制层、执行层组成，其中，感知层主要是从各种传感器获取信息，控制层主要是水下机器人执行算法程序、数据采集、下达指令的系统，执行层主要是指水下机器人的动力系统，如推进器等等。
由于水下机器人所采用设备一般都要求在水下工作，如传感器往往都是水下声学设备，推进器为特种水下设备，在空气中都是不能使用，这些都导致很难实现全实物仿真。控制层是智能水下机器人的核心控制系统，包括一系列的工控设备、算法实现，其数据接口、可靠性都急需通过仿真调试来验证。
故，通过采用虚拟仿真和半实物仿真两种技术可以解决上述难题。水下机器人半实物仿真平台通过对于水下机器人的控制层进行实物仿真，同时对感知层以及执行层进行虚拟仿真，不仅能够对整个水下机器人半实物仿真系统的软件逻辑进行测试，同时能够对水下机器人控制系统的硬件体系、数据接口、可靠性都进行验证。
水下机器人半实物仿真平台由硬件部分和软件部分组成。
1. 水下机器人半实物仿真平台的硬件体系结构
水下机器人半实物仿真平台的硬件体系结构由实物仿真部分与虚拟仿真部分组成。
1.1 虚拟仿真部分
虚拟仿真部分包括图形工作站，传感器数据接口机、视频转换器以及网络集线器。图形工作站主要用来实现水下机器人的视景仿真、水动力计算以及声视觉和光视觉传感器的仿真；传感器数据接口机主要用来模拟水下机器人运动信息传感器包括多普勒速度计、光纤罗经、深度计、高度计以及推进器的数据接口，其采用 TCP/IP 协议与工作站通信。
1.2 实物仿真部分
实物仿真主要包括基础控制仿真，导航处理仿真，规划处理仿真，声、光视觉处理仿真以及通讯仿真，可实现智能水下机器人的运动控制、自主避碰以及目标识别。
2. 水下机器人半实物仿真平台软件体系结构
2.1 水下机器人半实物仿真信息流
水下机器人半实物仿真平台软件体系结构与硬件相对应也分为虚拟仿真和实物仿真两部分。虚拟仿真主要包括水动力仿真、视景仿真以及视觉仿真。实物仿真部分主要是包括数据接口、各种信息流和控制流的仿真。
（1）水动力仿真主要是通过水下机器人的动力学方程和当前的控制输入来求解运动信息；
（2）视景仿真主要是为了方便地观察和监控仿真试验的过程而建立的图形化场景，它需要水动力仿真的结果作为参数，主要包括全局观察模式、跟随观察模式和探索观察模式三种观察方式；
（3）视觉仿真主要是模拟各种视觉传感器如前视声呐、摄像机；数据接口机主要是模拟各种传感器的数据格式和接口协议。
2.2 水下机器人水动力运动仿真
水下机器人半实物仿真平台的水动力仿真模型是根据水下机器人的六自由度操纵性方程，并考虑了推力器的仿真和环境的影响而得来的。其中的水动力参数是由水池中的模型试验的结果推算而来。推力器的仿真是根据机器人所用推力器的敞水试验结果得来的，对环境影响的考虑也是基于实际海洋中的情况的。其中环境的影响包括了海流的影响。考虑海流对各个自由度的作用，将其转化为在各个自由度方向上的力和力矩，由此算出各个自由度方向上的加速度，最后耦合出机器人的运动状态。在仿真前生成全局海流分布图，在仿真过程中一旦进入流区就将进行实时推算，此时机器人的运动状态就是与流场作用叠加后的结果。
2.3 运动传感器的半实物仿真
水下机器人具有较多的传感器，而其中尤为重要的是用于运动控制的运动传感器，这些传感器包括多普勒测速仪、光纤罗经、GPS、深度计和测高声呐等。这些传感器的具体仿真实现都需要较多的专业知识。为了验证水下机器人控制系统的硬件体系、数据接口和可靠性，水下机器人半实物仿真平台通过采用数据接口机模拟水下机器人控制系统的数据接口协议，同时根据实际需要模拟传感器的输出信息。水下机器人的运动信息可以通过水动力计算而获得，这些包括速度、姿态等等，这些都是艇体坐标系下的值。而在实际当中，某些传感器数据却采用大地坐标系，譬如来自多普勒传感器的速度和流速等等。
3. 水下机器人运动控制系统
水下机器人的运动控制系统属于水下机器人体系结构中的控制层，也是半实物仿真系统中的实物仿真部分。
其运行时所执行的任务按功能主要分为四类：
（1）传感器数据的获取以及规划指令的获得：这部分主要包括获取规划系统传来的目标指令、导航系统的导航信息以及获取仿真系统所提供的传感器数据。其中传感器数据又包括通过经过数据接口机处理后的速度计（DVL）、光纤陀螺（FOG）和定高声呐的仿真信息，和通过 A/D 卡获得的深度信息。
（2）基础运动控制器：这部分包括传感器数据处理、控制算法、推力分配三部分，数据处理主要是对所获得数据进行预处理（即野点剔除，数据融合），平滑滤波等；控制器的输入为数据处理之后的传感器信息和规划系统下达的目标状态值，输出为水下机器人各个运动自由度上所需的推力；推力分配则是将控制器解算出的各个自由度上的推力转化成具体的某个推力器上的电压。
（3）数据以及指令的输出：这部分包括通过 NFS 协议，将水下机器人当前状态信息传递给上层规划系统与导航系统，并通过 TCP/IP 协议，将水下机器人当前状态信息发送给水面监控系统以及将推力分配后的推力器电压指令通过D/A 卡发送给数据接口机。
（4）紧急情况处理：这部分主要包括在水下机器人出现通讯故障、硬件故障的情况下，根据故障的等级，来对水下机器人的作业情况进行适当的处理。
水下机器人半实物仿真平台通过结合实物仿真和虚拟仿真，以及引入数据接口机和实物控制系统，为水下机器人的设计和测试提供了一个全面、高效的仿真环境。这不仅提高了开发效率，还降低了测试成本，为水下机器人的研发提供了强有力的支持。
推荐案例：灵图互动水下机器人虚拟仿真实训平台
