专利名称：船舶运动模拟装置控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统，具体是一种船舶运动模拟装置控制系统。属于船舶工程技术领域。
背景技术：
船舶运动模拟装置的控制系统不仅可以用于各种游乐场所，而且更广泛用于船舶操作方法训练和航海医学的研究，使非专业的操作人员可以方便的控制船舶运动模拟装置进行各种娱乐或训练或研究的活动。实船在海上航行时，不同吨位和不同结构的设计，不同海况下的运动状况不同。一般情况下，船舶运动可分解为升沉、横摇、纵摇、旋转、纵漂和横漂运动。例如，在6级海况下，2000吨位的船只，上下升沉(波浪的峰值)将达6～7米，横摇达15°以上，纵摇达4°以上，并且速度和加速度的变化比较复杂。人们希望能够控制船舶运动模拟装置的运动来达到模拟船舶在海洋中六级以内的各种海况下的运动，但是，由于船舶运动的复杂性和随机性，船舶运动的上下落差大，速度和加速度变化大等特点，使得船舶运动模拟装置的运动空间高达六米，模拟运动为多个运动单元的串联和并联的复合运动，运动的轨迹是不规则的海浪谱的复杂运动，因此，现有的控制系统不能够直接运用到船舶运动模拟控制中来。
经文献检索发现，中国专利申请号02155470.6，发明名称多轴伺服运动控制装置，该专利公开了一种多轴电机伺服运动控制装置，主要用于机器人灵巧手控制，也可用于机器人、数控机床等技术领域。检索中还发现，美国专利申请号为136250，专利申请名称为Motion simulator operating system and method(船舶模拟器的操作系统和方法)，该专利给出了一种运动模拟的控制系统和相对应的操作方法，先给定一系列运动模型，实验人员随时可通过功能菜单选择自己需要的运动模型。但是，该方法主要用于近距离现场控制，不适用于远距离的遥控操作，更不能直接用到船舶运动模拟控制中来。
发明内容
本发明针对背景技术中的不足和缺陷，提供一种船舶运动模拟装置控制系统，该控制系统由操作人员在操作室内通过计算机进行远程遥控操作控制，使人们可以方便的进行各种船舶运动的模拟和各种实验数据的采集。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括计算机、工控机、显示器、信号采集单元、液压控制单元、摄像机、旋转云台和图像采集卡，其连接关系为计算机通过数据传输线连接显示器和工控机，计算机通过数据传输线连接到信号采集单元，工控机通过数据传输线连接到液压控制单元，摄像机安装在可360度旋转的云台上，摄像机获得的图像通过数据线依次与图像采集卡、计算机连接，最终将图像显示到显示器上，旋转云台连接到计算机上，通过计算机进行控制。
本装置六自由复合运动由国军标颁布的标准海浪谱通过计算机编程进行控制，其运动频率、周期、加速度是可调的。根据不同的测试对象和实验内容进行选择，并可以在屏幕上进行显示。
工控机上设有开始按钮、停止按钮、运动状况显示板和运动状态选择板，运动状态选择板上有一到六级海况和随机运动、手动控制运动和正弦运动等九个选择按键。当选择好任意一种运动状况后，信号会被传送到计算机中，计算机根据选择的运动状况给出一系列的模拟运动的信号，然后这一系列信号通过数据传输线发送到工控机的控制模块，当按下开始按钮时，工控机就会根据这些信号控制液压单元，驱动油缸进行相应的模拟运动。
信号采集单元包括传感器和数据采集器。传感器包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、液压传感器等。液压传感器安装在液压控制阀门附近，温度、湿度传感器安装在船舶运动模拟装置的模拟试验舱中，其余的传感器安装在液压油缸上，传感器采集到的信号通过数据线传送到数据采集器中，然后传送到计算机中并在显示器上显示结果。
摄像机安装在可以360度旋转的旋转云台上，云台固定在模拟试验舱的舱顶上，云台的旋转运动可以通过计算机进行控制。使用专业的图像采集卡使信号能够清晰的传输到监控室。摄像头获得的图像信号通过数据线传送到图像采集卡，然后传送到计算机中，并可以随时把图像从计算机输送到显示器上。
液压控制单元包括七个电磁式液压控制阀门，应用本发明的船舶运动模拟装置设有液压油缸、液压油柜和输油管，这七个液压阀门分别设置在七条输油管上，七条输油管设置在船舶运动模拟装置的液压油柜上，这七条输油管各自连接一个液压油缸，液压阀门的位置靠近液压油柜的出油口处，分别控制七个大小液压油缸的运动，并通过液压、位移传感器形成闭路反馈系统，使油源能够及时的提供油缸适当的油压，以实现预定的油缸的运动加速度。
为了方便非专业人员的操作，是一般的工作人员不需要专门的知识就可以方便的使用该控制系统，本发明编写了可视化操作菜单。将采集到的信号和运动状况以及试验舱内的实际图像显示在显示器上，并可以通过菜单命令进行一系列运动控制和信息采集的遥控操作。控制人员可以通过简单操作，开始和结束实验，控制实验的运动速度、温度、湿度等各项实验参数，并通过摄像机在屏幕上的显示对实验过程进行即时监测和控制。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明能够根据模拟的要求，使非专业人员可以通过计算机成功的控制船舶运动模拟装置模仿船舶在海洋中的运动情况。通过显示器可以方便地检测运动情况和模拟装置上的情况。通过这个操作系统，不仅可以使模拟装置应用于娱乐和训练等简单的应用场所，而且可以进行航海医学实验等比较复杂的控制，是人们可以方便的进行各种船舶运动的模拟和各种实验数据的采集。
图1是本发明的控制系统结构示意2是本发明的控制系统原理框图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括计算机1、工控机2、显示器3、信号采集单元4、液压控制单元5、摄像机6、旋转云台7和图像采集卡8，其连接关系为计算机1通过数据传输线连接显示器3和工控机2，计算机1通过数据传输线连接到信号采集单元4，工控机2通过数据传输线连接到液压控制单元5，摄像机6设置在可旋转360度的旋转云台7上，摄像机6通过数据线依次与图像采集卡8、计算机1连接，旋转云台7连接到计算机1上。
工控机2上设有开始按钮9、停止按钮10、运动状态显示板11和运动状态选择板12。
信号采集单元4包括传感器13和数据采集器14，传感器13包括位移传感器15、速度传感器16、加速度传感器17、温度传感器18、湿度传感器19、液压传感器20，液压传感器20设置在液压控制单元5附近，温度传感器18、湿度传感器19设置在船舶运动模拟装置的模拟试验舱中，其余的传感器设置在船舶运动模拟装置的液压油缸上，传感器13通过数据线与数据采集器14连接，然后传送到计算机1中并在显示器3上显示结果。
液压控制单元5包括七个电磁式液压控制阀门21，这七个液压阀门分别设置在船舶运动模拟装置的七条输油管上，这七条输油管各自连接一个液压油缸，液压阀门的位置靠近液压油柜的出油口处，这七个液压阀门分别控制七个大小液压油缸的运动，并通过液压传感器20、位移传感器15形成闭路反馈系统。
本发明通过手动控制或者计算机自动控制两种方式进行。操作人员打开计算机1、工控机2和显示器3的电源，系统准备就绪后，显示器3上会显示人机交互的界面，此时，通过人机界面中的选择项选定运动状态，或通过工控机2上的运动状态选择板12来选择。当通过运动状态选通过运动状态选择板12选定运动状态后，工控机2便会发送相应的信号给计算机1，计算机1根据该信号设计出运动模型的一系列运动轨迹和不同时刻的各个液压油缸的运动加速度及对应的油压，并把这些运动信号传送到工控机2上。当按下开始按钮9后，工控机2便根据这些预设的信息，在不同的时刻对液压控制阀门21进行控制，即时调整油压以完成相应的运动。液压传感器20和位移传感器15、速度传感器16、加速度传感器17等传感器采集到各个时刻的运动检测信号，并把这些运动检测信号传送到数据采集器14中，经过处理后传送到计算机1中，最终以数字的形式呈现在显示器3上，以便于操作人员进行监控。同时，这些运动检测信号在计算机1中同预先设定的信号进行比较，完成闭环反馈，使工控机能够及时对运动误差进行运动补偿，提高运动控制的精度。
操作人员可以通过系统的人机界面控制旋转云台7进行360度的旋转运动，使摄像机6可以拍摄到整个试验舱室内的情况。图像传送到图像采集卡8，进行处理后，发送到计算机1中，操作人员可以通过人机界面获得这些图像，对运动舱内的情况进行即时检测。
当操作人员选定手动控制后，系统的人机界面会给出一系列的参数要求，操作人员可以通过计算机1输入如海浪曲线、模拟的船型、模拟运动相对海浪的夹角等各种参数，计算机1会根据输入的这些参数计算出相应的运动曲线，然后进行与计算机1自动控制相同的操作即可。
权利要求
1.一种船舶运动模拟装置控制系统，包括计算机(1)、工控机(2)、显示器(3)、信号采集单元(4)、摄像机(6)、旋转云台(7)和图像采集卡(8)，其特征在于还包括液压控制单元(5)，计算机(1)通过数据传输线连接显示器(3)和工控机(2)，计算机(1)通过数据传输线连接到信号采集单元(4)，工控机(2)通过数据传输线连接到液压控制单元(5)，摄像机(6)设置在可旋转360度的旋转云台(7)上，摄像机(6)通过数据线依次与图像采集卡(8)、计算机(1)连接，旋转云台(7)连接到计算机(1)上。
2.根据权利要求1所述的船舶运动模拟装置控制系统，其特征是，工控机(2)上设有开始按钮(9)、停止按钮(10)、运动状态显示板(11)和运动状态选择板(12)。
3.根据权利要求1所述的船舶运动模拟装置控制系统，其特征是，信号采集单元(4)包括传感器(13)和数据采集器(14)，传感器(13)包括位移传感器(15)、速度传感器(16)、加速度传感器(17)、温度传感器(18)、湿度传感器(19)、液压传感器(20)，液压传感器(20)设置在液压控制单元(5)附近，温度传感器(18)、湿度传感器(19)设置在船舶运动模拟装置的模拟试验舱中，其余的传感器设置在船舶运动模拟装置的液压油缸上，传感器(13)通过数据线与数据采集器(14)连接。
4.根据权利要求1或3所述的船舶运动模拟装置控制系统，其特征是，液压控制单元(5)包括七个电磁式液压控制阀门(21)，这七个液压阀门(21)分别设置在船舶运动模拟装置的七条输油管上，这七条输油管各自连接一个液压油缸，液压阀门(21)的位置靠近液压油柜的出油口处，并通过液压传感器(20)、位移传感器(15)形成闭路反馈系统。
5.根据权利要求1所述的船舶运动模拟装置控制系统，其特征是，采用手动控制或者计算机自动控制方式。
全文摘要
一种船舶运动模拟装置控制系统。属于机电一体化技术领域。本发明包括计算机、工控机、显示器、信号采集单元、液压控制单元、摄像机、旋转云台和图像采集卡，计算机通过数据传输线连接显示器和工控机，计算机通过数据传输线连接到信号采集单元，工控机通过数据传输线连接到液压控制单元，摄像机设置在可旋转360度的旋转云台上，摄像机通过数据线依次与图像采集卡、计算机连接，旋转云台连接到计算机上。本发明能够根据模拟的要求，使非专业人员可以通过计算机成功的控制船舶运动模拟装置模仿船舶在海洋中的运动情况，通过显示器可方便地检测运动情况和模拟装置上的情况，能应用于娱乐和训练等简单场所，且可进行航海医学实验等比较复杂的控制。
文档编号G09B9/06GK1529294SQ2003101079
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月16日 优先权日2003年10月16日
发明者唐矫燕, 赵群飞, 贺继林, 翁新华 申请人:上海交通大学