专利名称：一种动力定位仿真试验平台及控位方法
技术领域：
本发明涉及的是一种动力定位仿真试验平台，本发明也涉及一种动力定位仿真控位方法。
背景技术：
随着陆地资源的日益紧张，各国都把经济发展中心转移到了资源丰富的海洋上。21世纪人类步入了海洋经济时代，人类对海洋的开发和探索的范围也越来越广，动力定位技术在海洋钻井船、深海救生船、科学考察船和布缆船等方面起到了越来越重要的作用。近些年，随着自动控制理论的发展，动力定位系统的性能也不断提高。公开号为CN102074144A的专利文件中公开了 一种船舶位置运动试验平台，该平台由上下两层组成，每层均是一个二维运动装置，且能够较好的实现船舶的位置控制，但是该平台不是六自由度的，无法模拟船舶的六自由度运动及控制。美国专利文件US10233389A1中公开了一种动力定位系统，该系统可保持水面舰船的位置和艏向，并有较好的抗干扰能力，但是该系统只能实现三自由度的动力定位功能。以上技术方案的共性在于:都是针对三自由度运动的系统进行的设计，无法对六自由度运动的船舶进行仿真试验。
发明内容
本发明的目的在于提供了可以用来进行动力定位系统的半实物仿真试验，能够模拟船舶的六自由度运动的动力定位仿真试验平台。本发明的目的还在于提供基于动力定位仿真试验平台的控位方法。本发明的目的是这样实现的:本发明的动力定位仿真试验平台包括船舶运动仿真计算机7、三自由度水平运动平台8、四自由度运动转台9、数据处理计算机4、综合显控计算机6、罗经1、GPS2和MRU3，数据处理计算机4、船舶运动仿真计算机7、三自由度水平运动平台8和四自由度运动转台9通过以太网连接成一个局域网，四自由度运动转台9安装在三自由度水平运动平台8上，罗经1、GPS2和MRU3均安装在四自由度运动转台9上并与数据处理计算机4通过串口连接，数据处理计算机4中加载有数据融合算法5。本发明的动力定位仿真试验平台还可以包括:综合显控计算机6中装有一套状态显示及平台控制软件10，所述状态显示及平台控制软件10由船舶运动仿真状态显示软件11、平台运动状态显示软件13和平台控制软件12组成，其中平台运动状态显示软件13又包含三自由度平台状态视图14和四自由度运动转台状态视图15。基于本发明的动力定位仿真试验平台的控位方法:(I)船舶运动仿真计算机将计算出来的船舶运动的位置和姿态信息通过以太网发给综合显控计算机，综合显控计算机以图形动画的方式将船舶运动的位置和姿态信息实时地显示在显示器上；(2)数据处理计算机通过串口分别从罗经、GPS和MRU采集仿真平台的位置和姿态信息，首先进行数据融合处理，然后按照通信协议进行打包封装，并通过以太网发送给综合显控计算机，由综合显控计算机将相应的信息以图形界面的方式显示在显示器上；(3)综合显控计算机接到船舶运动仿真计算机计算出的船舶位置和姿态信息以及试验平台的位置和姿态信息后，由平台控制软件计算出平台运动所需的控制指令，然后按照通信协议对控制指令分别进行打包指令处理，最后通过以太网分别发送给三自由度水平运动平台和四自由度运动转台；同时，控制指令数据也以图形界面的方式实时显示在显示器上。基于本发明的动力定位仿真试验平台的控位方法还可以包括:1、所述的船舶运动的位置和姿态信息包括:船舶的北东位置、航向角、升沉位置、纵倾角和横倾角。2、所述的试验平台位置和姿态信息包括:三自由度水平运动平台的经纬度和航向角、四自由度运动转台的横倾角、纵倾角、航向角和升沉位置；测量试验平台的位置和姿态信息的传感器为:罗经、GPS和MRU。本发明可用于模拟船舶的六自由度运动，并可结合该试验装置进行动力定位系统的半实物仿真验证及控制方法研究。
图1为本发明的动力定位仿真试验平台的结构组成示意图；图2为状态显示及平台控制软件的结构图；图3为数据信息流结构图；图4为仿真平台航向角跟踪曲线图；图5a-图5b为仿真平台北向、东向位移跟踪曲线图；图6为仿真平台轨迹跟踪曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行更详细地描述:结合图1，本发明包括船舶运动仿真计算机7、三自由度水平运动平台8、四自由度运动转台9、数据处理计算机4、数据融合算法5、综合显控计算机6、罗经1、GPS2和MRU3。其中数据处理计算机4、综合显控计算机6、船舶运动仿真计算机7、三自由度水平运动平台8和四自由度运动转台9通过以太网连接成一个局域网。数据融合算法5加载到数据处理计算机4中。数据处理计算机4和四自由度运动转台9安装在三自由度水平运动平台8上。罗经1、GPS2和MRU3均安装在四自由度运动转台9上，并与数据处理计算机4通过串口连接。图2说明了综合显控计算机6中状态显示及平台控制软件10的各个子系统间的结构关系，该软件中的船舶运动仿真状态显示软件11和平台运动状态显示软件13和平台控制软件12通过多线程的编程方式实现，从而实现了并行执行，提高了软件的执行效率。图3是动力定位仿真试验平台控位方法的数据信息流结构图，该结构图说明了动力定位仿真试验平台控位方法的数据信息处理流程。船舶运动仿真计算机实时计算出船舶六个自由度的运动信息(包括位置信息和姿态信息)，并通过以太网实时发送给主线程；同时，安装在仿真试验平台上的各种传感器不断地采集平台的位置信息和姿态信息，通过串口发送给数据处理计算机。数据处理计算机把采集到的数据首先进行数据融合处理，然后按照通信协议进行打包封装等处理后，通过以太网发送给主线程。主线程在收到船舶运动信息和仿真平台的状态信息后，分别发送给船舶运动状态视图、三自由度运动平台视图和四自由度运动转台视图进行状态显示；同时主线程将船舶运动仿真数据和试验平台的实时位置与姿态信息进行分类组合处理后，调用控制算法计算出使平台移动所需的指令。对于所计算出的控制指令，一方面由监控数据处理任务进行分类、格式转化等数据处理后，分别发给三自由度运动平台视图和四自由度运动转台视图进行显示；另一方面，按照仿真试验平台的通信协议进行打包封装等处理，之后分别发送给三自由度水平运动平台和四自由度运动转台，控制其按期望的位置和航向运动。图4-图6分别为仿真平台航向角、北东位移和轨迹的跟踪曲线图。可以看出仿真平台的实际航向角与期望航向角的最大偏差为0.9度左右，实际轨迹与期望轨迹的最大偏差为0.05米左右，可以满足跟踪需求。从实时性角度考虑，航向角跟踪平均滞后0.5秒左右，北东位移跟踪平均滞后0.8秒左右，由于船舶运动的惯性较大，因此可以满足实时性要求。
权利要求
1.一种动力定位仿真试验平台，包括船舶运动仿真计算机(7)、三自由度水平运动平台(8)、四自由度运动转台(9)、数据处理计算机(4)、综合显控计算机(6)、罗经(I) ,GPS(2)和MRU (3)，其特征是:数据处理计算机(4)、船舶运动仿真计算机(7)、三自由度水平运动平台⑶和四自由度运动转台(9)通过以太网连接成一个局域网，四自由度运动转台(9)安装在三自由度水平运动平台(8)上，罗经(1)、GPS(2)和MRU(3)均安装在四自由度运动转台(9)上并与数据处理计算机(4)通过串口连接，数据处理计算机(4)中加载有数据融合算法(5)。
2.根据权利要求1所述的动力定位仿真试验平台，其特征是:综合显控计算机(6)中装有一套状态显示及平台控制软件(10)，所述状态显示及平台控制软件(10)由船舶运动仿真状态显示软件(11)、平台运动状态显示软件(13)和平台控制软件(12)组成，其中平台运动状态显示软件(13)又包含三自由度平台状态视图(14)和四自由度运动转台状态视图(15)。
3.基于权利要求1所述的动力定位仿真试验平台的控位方法，其特征是: (1)船舶运动仿真计算机将计算出来的船舶运动的位置和姿态信息通过以太网发给综合显控计算机，综合显控计算机以图形动画的方式将船舶运动的位置和姿态信息实时地显示在显示器上； (2)数据处理计算机通过串口分别从罗经、GPS和MRU采集仿真平台的位置和姿态信息，首先进行数据融合处理，然后按照通信协议进行打包封装，并通过以太网发送给综合显控计算机，由综合显控计算机将相应的信息以图形界面的方式显示在显示器上； (3)综合显控计算机接到船舶运动仿真计算机计算出的船舶位置和姿态信息以及试验平台的位置和姿态信息后，由平台控制软件计算出平台运动所需的控制指令，然后按照通信协议对控制指令分别进行打包指令处理，最后通过以太网分别发送给三自由度水平运动平台和四自由度运动转台；同时，控制指令数据也以图形界面的方式实时显示在显示器上。
4.根据权利要求3所述的控位方法，其特征是所述的船舶运动的位置和姿态信息包括:船舶的北东位置、航向角、升沉位置、纵倾角和横倾角。
5.根据权利要求3或4所述的控位方法，其特征是所述的试验平台位置和姿态信息包括:三自由度水平运动平台的经纬度和航向角、四自由度运动转台的横倾角、纵倾角、航向角和升沉位置。
全文摘要
本发明提供的是一种动力定位仿真试验平台及控位方法。包括船舶运动仿真计算机(7)、三自由度水平运动平台(8)、四自由度运动转台(9)、数据处理计算机(4)、综合显控计算机(6)、罗经(1)、GPS(2)和MRU(3)，数据处理计算机(4)、船舶运动仿真计算机(7)、三自由度水平运动平台(8)和四自由度运动转台(9)通过以太网连接成一个局域网，四自由度运动转台(9)安装在三自由度水平运动平台(8)上，罗经(1)、GPS(2)和MRU(3)均安装在四自由度运动转台(9)上并与数据处理计算机(4)通过串口连接，数据处理计算机(4)中加载有数据融合算法(5)。本发明可用于模拟船舶的六自由度运动。
文档编号G06F17/50GK103117011SQ201310001898
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者夏国清, 武慧勇, 边信黔, 赵昂, 杨月, 栾添添 申请人:哈尔滨工程大学