一种动力定位船的半实物仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过在陆地上模拟船舶运动，将设备在装船之前进行详细的实验验证，从而确保系统装船后可靠性的动力定位船的半实物仿真系统。包括仿真计算机、1#数据处理模块、1#控制模块、2#数据处理模块、2#控制模块、半实物系统，半实物系统由三自由度仿真实验平台、六自由度运动装置、传感器模块和数据接收机组成，传感器模块包括GPS模块、罗经、MRU，传感器模块安装在六自由度运动装置上，三自由度仿真实验平台安装在六自由度运动装置上。本发明结合平台和摇摆台实物、六自由度船舶数学模型及环境模型对水面船的动力定位系统进行仿真。以实现设备装船之前的实验验证。
【专利说明】一种动力定位船的半实物仿真系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过在陆地上模拟船舶运动，将设备在装船之前进行详细的实验验证，从而确保系统装船后可靠性的动力定位船的半实物仿真系统。
【背景技术】
[0002]随着全球经济的高速发展，能源的消耗越来越多。经过百年来的开采，陆地的石油资源等已经开始出现开采量下降的趋势，所以人们将目光投向了资源更为丰富的海洋。随着海上石油开发等工业的发展，与船舶控制相关的技术也越来越受到研究人员的关注，尤其是动力定位系统(Dynamic Positioning System),更是广泛应用到了海上石油开发、铺管、铺缆、援潜救生等作业上。
[0003]通过对相关专利的检索，中国专利201110149060.6发明了一种动力定位的半实物仿真及其方法，但是该专利中并未涉及模拟船舶六自由度运动的模拟装置以及故障检测等相关内容，无法实现设备装船之前的实验验证。本发明结合平台和摇摆台实物、六自由度船舶数学模型及环境(风、浪、流)模型对水面船的动力定位系统进行仿真。
【发明内容】
[0004]本发明公开了 一种模拟动力定位船运动的动力定位船的仿真系统
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]一种动力定位船的半实物仿真系统，包括仿真计算机、1#数据处理模块、1#控制模块、2#数据处理模块、2#控制模块、半实物系统，半实物系统由三自由度仿真实验平台、六自由度运动装置、传感器模块和数据接收机组成，传感器模块包括GPS模块、罗经、MRU,传感器模块安装在六自由度运动装置上，三自由度仿真实验平台安装在六自由度运动装置上:
[0007]仿真计算机将船舶位置和姿态信息、故障信息发送到位于三自由度仿真实验平台上的数据接收机；
[0008]数据接收机将船舶位置和姿态信息中船舶的前进后退速度U、横移速度V和艏摇角速度r发送给三自由度仿真实验平台；
[0009]数据接收机将船舶位置和姿态信息中船舶的横摇角度Φ、纵摇角度Θ、升沉高度h发送给六自由度运动装置；
[0010]三自由度仿真实验平台根据接收的数据信息模拟船舶的前进后退、左移右移及转艏的运动；
[0011]六自由度运动装置根据接收的数据信息模拟船舶纵摇、横摇和升沉运动；
[0012]传感器模块通过检测三自由度仿真实验平台和六自由度运动装置的运动检测到的位置信息、艏向角度和纵横摇角度分别发送给1#数据处理模块和2#数据处理模块；
[0013]1#控制模块根据1#数据处理模块发送的数据向仿真计算机反馈控制信号，对半实物系统进行跟踪校正；[0014]2#控制模块(10)根据2#处理模块(9)发送的数据向仿真计算机反馈控制信号，对仿真系统进行控制。
[0015]仿真计算机包括船舶模型仿真模块、平台控制模块、摇摆台控制模块和故障模拟模块，其中船舶模型仿真模块产生船舶位置与姿态信息，平台控制模块控制三自由度仿真实验平台，摇摆台控制模块控制六自由度运动装置，故障模块产生模拟故障信号。
[0016]GPS模块测量位置信息，罗经测量艏向角度，MRU测量纵横摇角度。
[0017]本发明的有益效果在于:本发明结合平台和摇摆台实物、六自由度船舶数学模型及环境模型对水面船的动力定位系统进行仿真。以实现设备装船之前的实验验证。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为半实物仿真系统的整体结构示意图；
[0019]图2仿真软件的结构图；
[0020]图3为数据处理结构图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明进行详细描述:
[0022]一种动力定位船的半实物仿真系统。包括一台船舶模型实时仿真计算机I (以下简称仿真计算机I )、1#数据处理模块7、1#控制模块8、2#数据处理模块9、2#控制模块10、半实物系统11构成。其中半实物系统11由三自由度仿真实验平台2 (以下简称平台2)、六自由度运动装置3 (以下简称摇摆台3)、传感器模块12和数据接收机23组成，用于展现船舶模型的真实运动。传感器模块12包括GPS模块4、罗经5、MRU6三部分，全部安装在摇摆台3上。仿真计算机I中包含船舶数学模型和海洋环境模型，可以对不同海况下的船舶运动进行仿真。系统由两个闭环构成，其中仿真计算机1、半实物系统11、1#数据处理模块7和1#控制模块8构成了系统的内部闭环系统，而2#数据处理模块9和控制模块10构成整个半实物仿真系统的闭环回路。整个系统通过以太网进行连接。
[0023]仿真计算机I包含有一套仿真软件，该软件由船舶模型仿真模块14、平台控制模块15、摇摆台控制模块16和故障模拟模块17构成。其中软件主视图18包含船舶运动位置及状态视图19和故障设置视图20，主视图18上设置两个按钮，点击后分别会弹出平台控制视图21和摇摆台控制视图22。所有数据通过主视图18打包后，发送到位于平台2上的数据接收机23进行统一处理。
[0024]将摇摆台3安装于平台2上配合使用，同时将船舶模型模块14计算出的数据发送给平台2和摇摆台3，以实现模拟船舶运动的功能。通过故障模拟模块17可以设置故障，用来丰吴拟动力定位中船舶的各种故障情况。
[0025]I)平台2和摇摆台3配合使用。其中平台2负责模拟船舶的前进后退、左移右移及转艏的运动，摇摆台3)负责模拟船舶纵摇、横摇和升沉运动。仿真计算机将船舶运动模型解算出的U、V、r发送给平台2、将Φ、Θ、h发送给摇摆台，从而使半实物系统(11)模拟船舶运动。通过1#数据处理模块(7)和1#控制模块8，对平台2和摇摆台3的位置和姿态进行实时校正，从而实现精确跟踪；
[0026]2)通过故障设置视图20可以人为进行故障设置(如推进器断线或者某个传感器故障等)，控制器检测到故障信号后及时切换控制策略，保证定位精度和船舶稳定性；
[0027]3)通过1#数据处理模块7和1#控制模块8保证了半实物系统(11)的跟踪精度和快速性，从而在仿真中，我们可以把船舶模型仿真模块14和半实物系统11看成是一个整体，忽略二者之间的网络传输延迟；
[0028]4)通过仿真计算机I提供的主视图18，可以观察船舶运动情况和航迹信息。故障设置视图20中可以设置各种故障，使得通过半实物仿真试验，测试整个动力定位系统、算法的稳定性和可靠性、调节能力以及报警情况。
[0029]船舶的位置信息和姿态信息包括:船舶相对于初始点的北东距离、升沉高度、前进后退速度、横移速度、升沉速度、航向角、艏摇角速度、纵摇角度和横摇角度。其中向平台(2)发送的数据包括前进后退速度U、横移速度V和艏摇角速度r ;向摇摆台3发送的数据包括:横摇角度Φ、纵摇角度Θ、升沉高度h。平台2和摇摆台3的反馈信息通过传感器模块12反馈给1#数据处理模块7，并通过1#控制模块8进行位置和姿态调整，以跟踪船舶模型。
[0030]图1描述了整个系统的结构框架。整个系统通过以太网进行连接，仿真计算机I和平台2上的数据接收机23相连，数据接收机23将数据按照预先设定好的协议分别发送给平台2和摇摆台3。在平台2和摇摆台3运动过程中，安装在摇摆台3上的传感器模块12通过检测平台2和摇摆台3的运动，将GPS4测量的位置信息、罗经5测量的艏向角度和MRU6测量的纵横摇角度分别发送给内环1#数据处理模块7和外环2#数据处理模块9，其中数据经1#处理模块7之后被发送到1#控制模块8，对半实物系统11进行跟踪校正，保证其跟踪船舶仿真系统的准确性和实时性；数据经2#处理模块9之后被发送到2#控制模块10，控制模块10中包含动力定位的相关控制算法，从而实现对整个系统的控制。
[0031]图2说明了本系统的一套仿真软件13。它包括船舶模型仿真模块14，该模块将计算出的船舶位置和姿态信息发送到主视图18中，并在船舶位置及状态视图19上显示出来。主视图18中同时包含故障模拟模块17，并且设计了故障设置视图20，其目的是为了设置系统故障类型，便于全面地检验动力定位系统的相关算法，并且能够验证动力定位系统的故障检测及能否正常报警，从而大大减少设备装船后的调试难度。主视图18中还包含两个按钮，分别对应平台控制视图21和摇摆台控制视图22，二者配合平台控制模块15和摇摆台控制模块16对平台2和摇摆台3进行仿真控制。平台控制视图21和摇摆台控制视图22上分别有手动操作和自动跟踪两个模式，其中手动操作是指通过人的设置进行平台2或摇摆台3的操作，自动跟踪即是半实物系统11跟踪船舶模型的运动。所有的数据使用不同协议进行打包之后发送到位于平台2上的数据接收机23，经过数据接收机23的处理之后，分别发送给平台2和摇摆台3。
[0032]图3说明了本系统的数据流程图。船舶模型通过实时解算相对于初始点的船位信息(前进速度U、横移速度V、升沉速度W、艏摇角速度r、横摇角度Φ、纵摇角度Θ、升沉高度
h)，一方面发送给主视图18用于显示船舶的实时状态，另一方面，将数据按照预先定义好的协议进行分类打包，发送给半实物系统11，进行姿态和位置实时跟踪。同时，位于摇摆台3上的传感器模块12将姿态和位置信息收集并将数据反馈，一方面用于内闭环控制，实现半实物系统11对船舶模型的精确跟踪，另一方面用于外闭环控制，验证动力定位系统的控制算法及功能。
【权利要求】
1.一种动力定位船的半实物仿真系统，包括仿真计算机(I)、1#数据处理模块(7)、1#控制模块(8)、2#数据处理模块(9)、2#控制模块(10)、半实物系统(11)，半实物系统(11)由三自由度仿真实验平台(2)、六自由度运动装置(3)、传感器模块(12)和数据接收机(23)组成，传感器模块(12)包括GPS模块(4)、罗经(5)、MRW6)，传感器模块安装在六自由度运动装置(3)上，三自由度仿真实验平台安装在六自由度运动装置上，其特征在于: 仿真计算机将船舶位置和姿态信息、故障信息发送到位于三自由度仿真实验平台(2)上的数据接收机(23)； 数据接收机将船舶位置和姿态信息中船舶的前进后退速度U、横移速度V和艏摇角速度r发送给三自由度仿真实验平台； 数据接收机将船舶位置和姿态信息中船舶的横摇角度Φ、纵摇角度Θ、升沉高度h发送给六自由度运动装置； 三自由度仿真实验平台(2)根据接收的数据信息模拟船舶的前进后退、左移右移及转艏的运动； 六自由度运动装置(3)根据接收的数据信息模拟船舶纵摇、横摇和升沉运动； 传感器模块(12)通过检测三自由度仿真实验平台(2)和六自由度运动装置(3)的运动检测到的位置信息、艏向角度和纵横摇角度分别发送给1#数据处理模块(7)和2#数据处理模块(9)； 1#控制模块(8)根据1#数据处理模块发送的数据向仿真计算机反馈控制信号，对半实物系统(11)进行跟踪校正； 2#控制模块(10)根据2#处理模块(9)发送的数据向仿真计算机反馈控制信号，对仿真系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种动力定位船的半实物仿真系统，其特征在于:所述的仿真计算机包括船舶模型仿真模块(14)、平台控制模块(15)、摇摆台控制模块(16)和故障模拟模块(17)，其中船舶模型仿真模块(14)产生船舶位置与姿态信息，平台控制模块控制三自由度仿真实验平台，摇摆台控制模块控制六自由度运动装置，故障模块产生模拟故障信号。
3.根据权利要求1所述的一种动力定位船的半实物仿真系统，其特征在于:由所述的GPS模块测量位置信息，罗经测量艏向角度，MRU(6)测量纵横摇角度。
【文档编号】G05B15/02GK103576694SQ201310563442
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】边信黔, 夏国清, 赵昂, 武慧勇, 刘相波 申请人:哈尔滨工程大学