一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過在陸地上模擬船舶運(yùn)動(dòng)，將設(shè)備在裝船之前進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而確保系統(tǒng)裝船后可靠性的動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。包括仿真計(jì)算機(jī)、1#數(shù)據(jù)處理模塊、1#控制模塊、2#數(shù)據(jù)處理模塊、2#控制模塊、半實(shí)物系統(tǒng)，半實(shí)物系統(tǒng)由三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、六自由度運(yùn)動(dòng)裝置、傳感器模塊和數(shù)據(jù)接收機(jī)組成，傳感器模塊包括GPS模塊、羅經(jīng)、MRU，傳感器模塊安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)裝置上，三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)裝置上。本發(fā)明結(jié)合平臺(tái)和搖擺臺(tái)實(shí)物、六自由度船舶數(shù)學(xué)模型及環(huán)境模型對(duì)水面船的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行仿真。以實(shí)現(xiàn)設(shè)備裝船之前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【專利說明】一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過在陸地上模擬船舶運(yùn)動(dòng)，將設(shè)備在裝船之前進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而確保系統(tǒng)裝船后可靠性的動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的消耗越來越多。經(jīng)過百年來的開采，陸地的石油資源等已經(jīng)開始出現(xiàn)開采量下降的趨勢，所以人們將目光投向了資源更為豐富的海洋。隨著海上石油開發(fā)等工業(yè)的發(fā)展，與船舶控制相關(guān)的技術(shù)也越來越受到研究人員的關(guān)注，尤其是動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System),更是廣泛應(yīng)用到了海上石油開發(fā)、鋪管、鋪纜、援潛救生等作業(yè)上。
[0003]通過對(duì)相關(guān)專利的檢索，中國專利201110149060.6發(fā)明了一種動(dòng)力定位的半實(shí)物仿真及其方法，但是該專利中并未涉及模擬船舶六自由度運(yùn)動(dòng)的模擬裝置以及故障檢測等相關(guān)內(nèi)容，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備裝船之前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本發(fā)明結(jié)合平臺(tái)和搖擺臺(tái)實(shí)物、六自由度船舶數(shù)學(xué)模型及環(huán)境(風(fēng)、浪、流)模型對(duì)水面船的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開了 一種模擬動(dòng)力定位船運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力定位船的仿真系統(tǒng)
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括仿真計(jì)算機(jī)、1#數(shù)據(jù)處理模塊、1#控制模塊、2#數(shù)據(jù)處理模塊、2#控制模塊、半實(shí)物系統(tǒng)，半實(shí)物系統(tǒng)由三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、六自由度運(yùn)動(dòng)裝置、傳感器模塊和數(shù)據(jù)接收機(jī)組成，傳感器模塊包括GPS模塊、羅經(jīng)、MRU,傳感器模塊安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)裝置上，三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)裝置上:
[0007]仿真計(jì)算機(jī)將船舶位置和姿態(tài)信息、故障信息發(fā)送到位于三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)接收機(jī)；
[0008]數(shù)據(jù)接收機(jī)將船舶位置和姿態(tài)信息中船舶的前進(jìn)后退速度U、橫移速度V和艏搖角速度r發(fā)送給三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；
[0009]數(shù)據(jù)接收機(jī)將船舶位置和姿態(tài)信息中船舶的橫搖角度Φ、縱搖角度Θ、升沉高度h發(fā)送給六自由度運(yùn)動(dòng)裝置；
[0010]三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息模擬船舶的前進(jìn)后退、左移右移及轉(zhuǎn)艏的運(yùn)動(dòng)；
[0011]六自由度運(yùn)動(dòng)裝置根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息模擬船舶縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)；
[0012]傳感器模塊通過檢測三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和六自由度運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)檢測到的位置信息、艏向角度和縱橫搖角度分別發(fā)送給1#數(shù)據(jù)處理模塊和2#數(shù)據(jù)處理模塊；
[0013]1#控制模塊根據(jù)1#數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)向仿真計(jì)算機(jī)反饋控制信號(hào)，對(duì)半實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤校正；[0014]2#控制模塊(10)根據(jù)2#處理模塊(9)發(fā)送的數(shù)據(jù)向仿真計(jì)算機(jī)反饋控制信號(hào)，對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行控制。
[0015]仿真計(jì)算機(jī)包括船舶模型仿真模塊、平臺(tái)控制模塊、搖擺臺(tái)控制模塊和故障模擬模塊，其中船舶模型仿真模塊產(chǎn)生船舶位置與姿態(tài)信息，平臺(tái)控制模塊控制三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搖擺臺(tái)控制模塊控制六自由度運(yùn)動(dòng)裝置，故障模塊產(chǎn)生模擬故障信號(hào)。
[0016]GPS模塊測量位置信息，羅經(jīng)測量艏向角度，MRU測量縱橫搖角度。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明結(jié)合平臺(tái)和搖擺臺(tái)實(shí)物、六自由度船舶數(shù)學(xué)模型及環(huán)境模型對(duì)水面船的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行仿真。以實(shí)現(xiàn)設(shè)備裝船之前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為半實(shí)物仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2仿真軟件的結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3為數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0022]一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。包括一臺(tái)船舶模型實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)I (以下簡稱仿真計(jì)算機(jī)I )、1#數(shù)據(jù)處理模塊7、1#控制模塊8、2#數(shù)據(jù)處理模塊9、2#控制模塊10、半實(shí)物系統(tǒng)11構(gòu)成。其中半實(shí)物系統(tǒng)11由三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2 (以下簡稱平臺(tái)2)、六自由度運(yùn)動(dòng)裝置3 (以下簡稱搖擺臺(tái)3)、傳感器模塊12和數(shù)據(jù)接收機(jī)23組成，用于展現(xiàn)船舶模型的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。傳感器模塊12包括GPS模塊4、羅經(jīng)5、MRU6三部分，全部安裝在搖擺臺(tái)3上。仿真計(jì)算機(jī)I中包含船舶數(shù)學(xué)模型和海洋環(huán)境模型，可以對(duì)不同海況下的船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)由兩個(gè)閉環(huán)構(gòu)成，其中仿真計(jì)算機(jī)1、半實(shí)物系統(tǒng)11、1#數(shù)據(jù)處理模塊7和1#控制模塊8構(gòu)成了系統(tǒng)的內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)，而2#數(shù)據(jù)處理模塊9和控制模塊10構(gòu)成整個(gè)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的閉環(huán)回路。整個(gè)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接。
[0023]仿真計(jì)算機(jī)I包含有一套仿真軟件，該軟件由船舶模型仿真模塊14、平臺(tái)控制模塊15、搖擺臺(tái)控制模塊16和故障模擬模塊17構(gòu)成。其中軟件主視圖18包含船舶運(yùn)動(dòng)位置及狀態(tài)視圖19和故障設(shè)置視圖20，主視圖18上設(shè)置兩個(gè)按鈕，點(diǎn)擊后分別會(huì)彈出平臺(tái)控制視圖21和搖擺臺(tái)控制視圖22。所有數(shù)據(jù)通過主視圖18打包后，發(fā)送到位于平臺(tái)2上的數(shù)據(jù)接收機(jī)23進(jìn)行統(tǒng)一處理。
[0024]將搖擺臺(tái)3安裝于平臺(tái)2上配合使用，同時(shí)將船舶模型模塊14計(jì)算出的數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3，以實(shí)現(xiàn)模擬船舶運(yùn)動(dòng)的功能。通過故障模擬模塊17可以設(shè)置故障，用來豐吳擬動(dòng)力定位中船舶的各種故障情況。
[0025]I)平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3配合使用。其中平臺(tái)2負(fù)責(zé)模擬船舶的前進(jìn)后退、左移右移及轉(zhuǎn)艏的運(yùn)動(dòng)，搖擺臺(tái)3)負(fù)責(zé)模擬船舶縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)。仿真計(jì)算機(jī)將船舶運(yùn)動(dòng)模型解算出的U、V、r發(fā)送給平臺(tái)2、將Φ、Θ、h發(fā)送給搖擺臺(tái)，從而使半實(shí)物系統(tǒng)(11)模擬船舶運(yùn)動(dòng)。通過1#數(shù)據(jù)處理模塊(7)和1#控制模塊8，對(duì)平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3的位置和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而實(shí)現(xiàn)精確跟蹤；
[0026]2)通過故障設(shè)置視圖20可以人為進(jìn)行故障設(shè)置(如推進(jìn)器斷線或者某個(gè)傳感器故障等)，控制器檢測到故障信號(hào)后及時(shí)切換控制策略，保證定位精度和船舶穩(wěn)定性；
[0027]3)通過1#數(shù)據(jù)處理模塊7和1#控制模塊8保證了半實(shí)物系統(tǒng)(11)的跟蹤精度和快速性，從而在仿真中，我們可以把船舶模型仿真模塊14和半實(shí)物系統(tǒng)11看成是一個(gè)整體，忽略二者之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲；
[0028]4)通過仿真計(jì)算機(jī)I提供的主視圖18，可以觀察船舶運(yùn)動(dòng)情況和航跡信息。故障設(shè)置視圖20中可以設(shè)置各種故障，使得通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)，測試整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)、算法的穩(wěn)定性和可靠性、調(diào)節(jié)能力以及報(bào)警情況。
[0029]船舶的位置信息和姿態(tài)信息包括:船舶相對(duì)于初始點(diǎn)的北東距離、升沉高度、前進(jìn)后退速度、橫移速度、升沉速度、航向角、艏搖角速度、縱搖角度和橫搖角度。其中向平臺(tái)(2)發(fā)送的數(shù)據(jù)包括前進(jìn)后退速度U、橫移速度V和艏搖角速度r ;向搖擺臺(tái)3發(fā)送的數(shù)據(jù)包括:橫搖角度Φ、縱搖角度Θ、升沉高度h。平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3的反饋信息通過傳感器模塊12反饋給1#數(shù)據(jù)處理模塊7，并通過1#控制模塊8進(jìn)行位置和姿態(tài)調(diào)整，以跟蹤船舶模型。
[0030]圖1描述了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。整個(gè)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，仿真計(jì)算機(jī)I和平臺(tái)2上的數(shù)據(jù)接收機(jī)23相連，數(shù)據(jù)接收機(jī)23將數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定好的協(xié)議分別發(fā)送給平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3。在平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3運(yùn)動(dòng)過程中，安裝在搖擺臺(tái)3上的傳感器模塊12通過檢測平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3的運(yùn)動(dòng)，將GPS4測量的位置信息、羅經(jīng)5測量的艏向角度和MRU6測量的縱橫搖角度分別發(fā)送給內(nèi)環(huán)1#數(shù)據(jù)處理模塊7和外環(huán)2#數(shù)據(jù)處理模塊9，其中數(shù)據(jù)經(jīng)1#處理模塊7之后被發(fā)送到1#控制模塊8，對(duì)半實(shí)物系統(tǒng)11進(jìn)行跟蹤校正，保證其跟蹤船舶仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性；數(shù)據(jù)經(jīng)2#處理模塊9之后被發(fā)送到2#控制模塊10，控制模塊10中包含動(dòng)力定位的相關(guān)控制算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。
[0031]圖2說明了本系統(tǒng)的一套仿真軟件13。它包括船舶模型仿真模塊14，該模塊將計(jì)算出的船舶位置和姿態(tài)信息發(fā)送到主視圖18中，并在船舶位置及狀態(tài)視圖19上顯示出來。主視圖18中同時(shí)包含故障模擬模塊17，并且設(shè)計(jì)了故障設(shè)置視圖20，其目的是為了設(shè)置系統(tǒng)故障類型，便于全面地檢驗(yàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)的相關(guān)算法，并且能夠驗(yàn)證動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障檢測及能否正常報(bào)警，從而大大減少設(shè)備裝船后的調(diào)試難度。主視圖18中還包含兩個(gè)按鈕，分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)控制視圖21和搖擺臺(tái)控制視圖22，二者配合平臺(tái)控制模塊15和搖擺臺(tái)控制模塊16對(duì)平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3進(jìn)行仿真控制。平臺(tái)控制視圖21和搖擺臺(tái)控制視圖22上分別有手動(dòng)操作和自動(dòng)跟蹤兩個(gè)模式，其中手動(dòng)操作是指通過人的設(shè)置進(jìn)行平臺(tái)2或搖擺臺(tái)3的操作，自動(dòng)跟蹤即是半實(shí)物系統(tǒng)11跟蹤船舶模型的運(yùn)動(dòng)。所有的數(shù)據(jù)使用不同協(xié)議進(jìn)行打包之后發(fā)送到位于平臺(tái)2上的數(shù)據(jù)接收機(jī)23，經(jīng)過數(shù)據(jù)接收機(jī)23的處理之后，分別發(fā)送給平臺(tái)2和搖擺臺(tái)3。
[0032]圖3說明了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖。船舶模型通過實(shí)時(shí)解算相對(duì)于初始點(diǎn)的船位信息(前進(jìn)速度U、橫移速度V、升沉速度W、艏搖角速度r、橫搖角度Φ、縱搖角度Θ、升沉高度
h)，一方面發(fā)送給主視圖18用于顯示船舶的實(shí)時(shí)狀態(tài)，另一方面，將數(shù)據(jù)按照預(yù)先定義好的協(xié)議進(jìn)行分類打包，發(fā)送給半實(shí)物系統(tǒng)11，進(jìn)行姿態(tài)和位置實(shí)時(shí)跟蹤。同時(shí)，位于搖擺臺(tái)3上的傳感器模塊12將姿態(tài)和位置信息收集并將數(shù)據(jù)反饋，一方面用于內(nèi)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物系統(tǒng)11對(duì)船舶模型的精確跟蹤，另一方面用于外閉環(huán)控制，驗(yàn)證動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制算法及功能。
【權(quán)利要求】
1.一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括仿真計(jì)算機(jī)(I)、1#數(shù)據(jù)處理模塊(7)、1#控制模塊(8)、2#數(shù)據(jù)處理模塊(9)、2#控制模塊(10)、半實(shí)物系統(tǒng)(11)，半實(shí)物系統(tǒng)(11)由三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(2)、六自由度運(yùn)動(dòng)裝置(3)、傳感器模塊(12)和數(shù)據(jù)接收機(jī)(23)組成，傳感器模塊(12)包括GPS模塊(4)、羅經(jīng)(5)、MRW6)，傳感器模塊安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)裝置(3)上，三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)裝置上，其特征在于: 仿真計(jì)算機(jī)將船舶位置和姿態(tài)信息、故障信息發(fā)送到位于三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(2)上的數(shù)據(jù)接收機(jī)(23)； 數(shù)據(jù)接收機(jī)將船舶位置和姿態(tài)信息中船舶的前進(jìn)后退速度U、橫移速度V和艏搖角速度r發(fā)送給三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 數(shù)據(jù)接收機(jī)將船舶位置和姿態(tài)信息中船舶的橫搖角度Φ、縱搖角度Θ、升沉高度h發(fā)送給六自由度運(yùn)動(dòng)裝置； 三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(2)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息模擬船舶的前進(jìn)后退、左移右移及轉(zhuǎn)艏的運(yùn)動(dòng)； 六自由度運(yùn)動(dòng)裝置(3)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息模擬船舶縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)； 傳感器模塊(12)通過檢測三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(2)和六自由度運(yùn)動(dòng)裝置(3)的運(yùn)動(dòng)檢測到的位置信息、艏向角度和縱橫搖角度分別發(fā)送給1#數(shù)據(jù)處理模塊(7)和2#數(shù)據(jù)處理模塊(9)； 1#控制模塊(8)根據(jù)1#數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)向仿真計(jì)算機(jī)反饋控制信號(hào)，對(duì)半實(shí)物系統(tǒng)(11)進(jìn)行跟蹤校正； 2#控制模塊(10)根據(jù)2#處理模塊(9)發(fā)送的數(shù)據(jù)向仿真計(jì)算機(jī)反饋控制信號(hào)，對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述的仿真計(jì)算機(jī)包括船舶模型仿真模塊(14)、平臺(tái)控制模塊(15)、搖擺臺(tái)控制模塊(16)和故障模擬模塊(17)，其中船舶模型仿真模塊(14)產(chǎn)生船舶位置與姿態(tài)信息，平臺(tái)控制模塊控制三自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搖擺臺(tái)控制模塊控制六自由度運(yùn)動(dòng)裝置，故障模塊產(chǎn)生模擬故障信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)力定位船的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其特征在于:由所述的GPS模塊測量位置信息，羅經(jīng)測量艏向角度，MRU(6)測量縱橫搖角度。
【文檔編號(hào)】G05B15/02GK103576694SQ201310563442
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】邊信黔, 夏國清, 趙昂, 武慧勇, 劉相波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)