一種無人水面艇操控性能測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無人水面艇操控性能測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)，屬于船舶控制與仿真
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人水面艇作為船舶領(lǐng)域的一個重要分支，其研宄時(shí)間較晚，發(fā)展也比較緩慢。近 年來，因?yàn)闊o人水面艇（UnmannedSurfaceVehicles,USV)具有靈活性強(qiáng)、隱蔽性好等特點(diǎn) 使其在海洋探測、海洋環(huán)境監(jiān)測以及海洋安全方面具有廣泛的應(yīng)用前景而成為國內(nèi)外的研 宄熱點(diǎn)。無人水面艇作為一種智能設(shè)備，對它的研宄涉及到流體力學(xué)、船型設(shè)計(jì)、自動控制 等諸多領(lǐng)域，因而對無人水面艇的研宄既有較高理論意義，又有工程實(shí)用價(jià)值。在對無人水 面艇進(jìn)行研宄的過程中，避免不了要對無人水面艇進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試。目前無人水 面艇仿真系統(tǒng)主要分為兩種，一種是純實(shí)物的仿真系統(tǒng)，一種是純數(shù)字的仿真系統(tǒng)。純實(shí)物 的仿真系統(tǒng)雖然仿真結(jié)果真實(shí)性強(qiáng)，但不夠靈活，易受時(shí)間、地點(diǎn)、天氣等環(huán)境因素的影響， 且成本較高；純數(shù)字的仿真系統(tǒng)雖然靈活性較強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性較好，但在純數(shù)字仿真系統(tǒng)中采取 近似或忽略無人水面艇的諸多細(xì)節(jié)，使仿真結(jié)果的真實(shí)性和可信度不高。所以，如何經(jīng)濟(jì)有 效地測試無人水面艇操控過程中各項(xiàng)性能指標(biāo)的問題出現(xiàn)。
[0003] 半實(shí)物仿真方法是將物理模型和數(shù)學(xué)模型聯(lián)合在一起進(jìn)行試驗(yàn)的一種方法，它將 實(shí)際系統(tǒng)的一部分設(shè)備和計(jì)算機(jī)相互連接，用數(shù)學(xué)仿真的方式對其中不存在或不便于實(shí)驗(yàn) 的部分系統(tǒng)進(jìn)行仿真，同時(shí)保證整個系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。該仿真技術(shù)綜合了純實(shí)物仿真和純數(shù) 學(xué)仿真兩者的優(yōu)點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)建模的簡易性，減少了費(fèi)用，便于對系統(tǒng)的模型部分進(jìn) 行靈活快捷的仿真、變更。該仿真技術(shù)在機(jī)械、電子、航天航空和武器研制等領(lǐng)域己得到了 廣泛應(yīng)用。然而半實(shí)物的無人水面艇操控仿真系統(tǒng)目前還未見公開報(bào)道，而船舶其他方面 的仿真系統(tǒng)并不能直接用于無人水面艇的操控仿真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決如何經(jīng)濟(jì)有效和真實(shí)可靠地測試無人水面艇操控過程中各項(xiàng)性能指標(biāo)的 問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種即經(jīng)濟(jì)有效又兼顧測試結(jié)果真實(shí)性強(qiáng)的無人水面艇操控性能測試 半實(shí)物仿真系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可以正常運(yùn)行。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種無人水面艇操控性能測試半實(shí) 物仿真系統(tǒng)，包括岸基控制系統(tǒng)、無線數(shù)傳系統(tǒng)，無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)、航向 模擬系統(tǒng)、自動操舵儀；所述的岸基控制系統(tǒng)與無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)通過無 線數(shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行信息交換；所述的無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)通過串口通信的方式 分別與自動操舵儀和航向模擬系統(tǒng)連接；
[0006] 所述的無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)將解算出的航向?qū)崟r(shí)的通過串口一路 發(fā)送給自動操舵儀，使自動操舵儀得到航向反饋量，另一路發(fā)送給航向模擬系統(tǒng)，使航向模 擬系統(tǒng)得控制輸入信號；
[0007] 所述的無線數(shù)傳系統(tǒng)，負(fù)責(zé)岸基控制系統(tǒng)與無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)之 間的信息交換，無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)通過無線數(shù)傳系統(tǒng)接受岸基控制系統(tǒng)的 控制指令；岸基控制系統(tǒng)通過無線數(shù)傳系統(tǒng)接受無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)反饋回 來的無人艇航行狀態(tài)信息；
[0008] 所述的岸基控制系統(tǒng)采用以S3C6410處理器為核心的ARM開發(fā)板構(gòu)成，負(fù)責(zé)無人 水面艇操控方式選擇、航行工況設(shè)置，接受處理無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)反饋回 來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行舵角、航向、航跡的信息顯示；
[0009] 所述的航向模擬系統(tǒng)由電羅經(jīng)和水平旋轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，將電羅經(jīng)放在水平旋轉(zhuǎn)臺上， 水平旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動帶動電羅經(jīng)旋轉(zhuǎn)來模擬無人水面艇的航向變化。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：
[0011] 1、本發(fā)明根據(jù)真實(shí)無人水面艇數(shù)據(jù)，基于分離建模思想，構(gòu)建無人水面艇運(yùn)動數(shù) 學(xué)模型處理系統(tǒng)，通過無線數(shù)傳系統(tǒng)，岸基控制系統(tǒng)可對無人水面艇操控方式、航行工況 進(jìn)行設(shè)置，并結(jié)合電羅經(jīng)、自動操舵儀等實(shí)物，就可以逼真地模擬無人水面艇的實(shí)際運(yùn)行狀 態(tài)，通過設(shè)計(jì)專門的軟件可方便地對無人水面艇模擬運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的信息進(jìn)行采集，有利于 相關(guān)科研單位、工廠在研制、生產(chǎn)和維修無人水面艇時(shí)對無人水面艇各項(xiàng)性能進(jìn)行測試及 評價(jià)，為更好地設(shè)計(jì)和改進(jìn)無人水面艇創(chuàng)造了良好方便的條件。同時(shí)，本發(fā)明也可作為無人 水面艇運(yùn)動控制系統(tǒng)的陸上試驗(yàn)平臺，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下經(jīng)濟(jì)高效的對無人水面艇 運(yùn)動控制算法進(jìn)行研宄，能夠加快產(chǎn)品開發(fā)速度、降低成本和節(jié)省人力物力，有利于從事于 無人水面艇相關(guān)工作的科研單位、工廠和航海類院校節(jié)省了大量的真實(shí)無人水面艇試驗(yàn)所 需的人力物力開支，提高了工作效率。
[0012] 2、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)以下功能：
[0013] (1)用戶可根據(jù)需要選擇不同的控制方式以及設(shè)置初始船速、主機(jī)轉(zhuǎn)速、初始航 向、海況參數(shù)如風(fēng)浪流強(qiáng)度、方向等。
[0014] (2)作為無人水面艇運(yùn)動控制系統(tǒng)的陸上試驗(yàn)平臺，用戶可以利用本發(fā)明對無人 水面艇的運(yùn)動控制算法進(jìn)行研宄。
[0015] (3)作為無人水面艇操控仿真系統(tǒng)，本發(fā)明可為后續(xù)相關(guān)研宄提供一套仿真平臺。
【附圖說明】
[0016] 本發(fā)明有附圖1張，其中：
[0017] 圖1是本發(fā)明一種無人水面艇操控性能測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖中：1、岸基控制系統(tǒng)，2、無線數(shù)傳系統(tǒng)，3、自動操舵儀，4、無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué) 模型處理系統(tǒng)，5、航向模擬系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述：
[0020] 如圖1所示，一種無人水面艇操控性能測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)，主要由岸基控制系 統(tǒng)1、無線數(shù)傳系統(tǒng)2、自動操舵儀3、無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)4和航向模擬系統(tǒng) 5五部分組成。
[0021] 一、岸基控制系統(tǒng)1的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
[0022] 岸基控制系統(tǒng)1負(fù)責(zé)無人水面艇操控方式選擇、航行工況設(shè)置、數(shù)據(jù)收發(fā)和處理 等功能。岸基控制系統(tǒng)1采用以S3C6410處理器為核心的ARM開發(fā)板，運(yùn)行環(huán)境為Linux 系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境為QtCreator。利用QextSerialPort類進(jìn)行串口通信程序設(shè)計(jì)，利用圖形 設(shè)計(jì)器QtDesigner設(shè)計(jì)了具有軟鍵盤輸入的用戶界面。可以通過用戶界面選擇無人艇的 控制方式和設(shè)定航向、航速，通過無線數(shù)傳系統(tǒng)2發(fā)送給無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系 統(tǒng)4,在界面中可以實(shí)時(shí)顯示由無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)4通過無線數(shù)傳系統(tǒng)2反 饋回來的舵角和航向。
[0023] 岸基控制系統(tǒng)1利用QtCreator提供的QPainter類繪制舵角、航向、航跡曲線。 通過調(diào)用updateO函數(shù)重載QWidget類的paintEvent(QPaintEvent*)方法，完成圖像 重繪或圖像刷新。由于要實(shí)時(shí)的顯示舵角、航向及航跡的變化，因此應(yīng)在定時(shí)器類QTimer 的成員函數(shù)start()中設(shè)置定時(shí)周期，定時(shí)完成時(shí)定時(shí)器會發(fā)出timeout()信號，通過Qt 中提供的connect()方法將信號timeout()與update()函數(shù)關(guān)聯(lián)，在定時(shí)完成時(shí)就調(diào)用 updateO函數(shù)。下面給出繪制舵角變化趨勢的相關(guān)程序，繪制航向變化曲線的程序類似：
[0024]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無人水面艇操控性能測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其特征在于：包括岸基控制系統(tǒng) (1)、無線數(shù)傳系統(tǒng)（2)，無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)、航向模擬系統(tǒng)（5)、自動操 舵儀（3);所述的岸基控制系統(tǒng)（1)與無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)通過無線數(shù) 傳系統(tǒng)（2)進(jìn)行信息交換；所述的無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)通過串口通信的 方式分別與自動操舵儀（3)和航向模擬系統(tǒng)（5)連接； 所述的無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)將解算出的航向?qū)崟r(shí)的通過串口一路 發(fā)送給自動操舵儀（3)，使自動操舵儀（3)得到航向反饋量，另一路發(fā)送給航向模擬系統(tǒng) (5)，使航向模擬系統(tǒng)（5)得控制輸入信號； 所述的無線數(shù)傳系統(tǒng)（2)，負(fù)責(zé)岸基控制系統(tǒng)（1)與無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系 統(tǒng)（4)之間的信息交換，無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)通過無線數(shù)傳系統(tǒng)（2)接 受岸基控制系統(tǒng)（1)的控制指令；岸基控制系統(tǒng)（1)通過無線數(shù)傳系統(tǒng)（2)接受無人水面 艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)反饋回來的無人艇航行狀態(tài)信息； 所述的岸基控制系統(tǒng)（1)采用以S3C6410處理器為核心的ARM開發(fā)板構(gòu)成，負(fù)責(zé)無人 水面艇操控方式選擇、航行工況設(shè)置，接受處理無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)（4)反 饋回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行舵角、航向、航跡的信息顯示； 所述的航向模擬系統(tǒng)（5)由電羅經(jīng)和水平旋轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，將電羅經(jīng)放在水平旋轉(zhuǎn)臺上， 水平旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動帶動電羅經(jīng)旋轉(zhuǎn)來模擬無人水面艇的航向變化。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無人水面艇操控性能測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括岸基控制系統(tǒng)、無線數(shù)傳系統(tǒng)，無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)、航向模擬系統(tǒng)、自動操舵儀；所述的岸基控制系統(tǒng)與無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)通過無線數(shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行信息交換；所述的無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)通過串口通信的方式分別與自動操舵儀和航向模擬系統(tǒng)連接。本發(fā)明根據(jù)真實(shí)無人水面艇數(shù)據(jù)，基于分離建模思想，構(gòu)建無人水面艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)，可以逼真地模擬無人水面艇的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，有利于相關(guān)單位在研制、生產(chǎn)和維修無人水面艇時(shí)對無人水面艇各項(xiàng)性能進(jìn)行測試及評價(jià)，為更好地設(shè)計(jì)和改進(jìn)無人水面艇創(chuàng)造了良好方便的條件。
【IPC分類】G05B17-02
【公開號】CN104714418
【申請?zhí)枴緾N201510152656
【發(fā)明人】沈智鵬, 姜仲昊, 代昌盛
【申請人】大連海事大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年4月1日