CN103309244B - 一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其专用仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶自动控制和系统仿真技术领域，具体涉及是一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其仿真方法。欠驱动无人艇半物理仿真系统，包括视景显示计算机、主控计算机、相机、图像采集卡、小型水池、小尺寸欠驱动无人艇实物模型以及操控台，相机通过安装在主控计算机主板上的图像采集卡与主控计算机连接，主控计算机采集相机拍摄的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的图像。本发明建立了一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其仿真方法，具备同研究领域内纯数字仿真系统所不具备的更接近真实系统的优点；本发明可以很方便的扩展和升级其功能，系统具有更好的可扩展性和移植性；本发明的系统构建采用的是通用的计算机和相机等器材，总体构建成本低。

Description

一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其专用仿真方法

技术领域

本发明涉及船舶自动控制和系统仿真技术领域，具体涉及是一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其仿真方法。

背景技术

目前国内对欠驱动无人艇的研究，大多集中在理论研究层面，学者们搭建了各种数字仿真平台来满足欠驱动无人艇前期控制算法有效性验证的需求，但是在已公布的科研成果中尚未发现针对欠驱动无人艇的半物理仿真系统。

半物理仿真系统是一种仿真闭环中有硬件参与的仿真系统。欠驱动无人艇的整体系统结构复杂，涉及多个学科的知识，能够针对其研究对应的系统仿真技术并建立有效可靠的仿真系统，对欠驱动无人艇的系统设计和开发具有非常重要的现实意义，如研究欠驱动无人艇关键技术、设计控制系统和验证系统有效性和可靠性等。

区别于纯数字仿真系统，欠驱动无人艇半物理仿真系统将小尺寸欠驱动无人艇实物模型加入到整个仿真闭环中，克服了纯数值仿真系统只能进行数值仿真以及需要精确无人艇数学模型的缺点，并且以实际设计需求为导向，可进行针对各种环节的仿真，及时发现欠驱动无人艇在真实运行环境下可能暴露出来的设计缺陷，并及时修正，这对缩短欠驱动无人艇实艇的研发周期、提高欠驱动无人艇实艇的可靠性有非常重要的意义，可节省大量的人力与物力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿真度、可扩展可移植性更高，成本更低的欠驱动无人艇半物理仿真系统。本发明的目的还在于提供一种欠驱动无人艇半物理仿真系统专用的仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

欠驱动无人艇半物理仿真系统，包括视景显示计算机、主控计算机、相机、图像采集卡、小型水池、小尺寸欠驱动无人艇实物模型以及操控台，视景显示计算机通过TCP/IP网络通信与主控计算机连接，接收主控计算机发送的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息；相机通过安装在主控计算机主板上的图像采集卡与主控计算机连接，主控计算机采集相机拍摄的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的图像；小尺寸欠驱动无人艇实物模型通过无线RS232串口通信与主控计算机进行通信，主控计算机接收小尺寸欠驱动无人艇实物模型发送的状态信息，并根据预设控制任务解算控制指令，控制指令包括小尺寸无人艇油门指令和舵角指令，将解算得到的控制指令通过RS232串口通信发送至小尺寸无人艇小尺寸欠驱动无人艇实物模型放置于小型水池中，可在小型水池中行驶；相机架设在小型水池上方能覆盖小尺寸欠驱动无人艇实物模型移动范围的高度，拍摄小尺寸欠驱动无人艇实物模型图像，拍摄的图像供主控计算机解算小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置信息；操控台通过串口连接至主控计算机，其操控信号作为小尺寸欠驱动无人艇的操控输入，在主控计算机协调下，通过操控台手动操控小尺寸欠驱动无人艇。

视景显示计算机将主控计算机发送的信息转换为包括小型水池三维模型、小尺寸欠驱动无人艇实物模型的三维模型和三维坐标系统的三维图形场景，用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态曲线的二维曲线，用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型仿真时刻姿态信息的仪表。

小尺寸欠驱动无人艇实物模型安装有驱动装置、蓄电池、测量姿态的数字陀螺传感器、内置无线RS232串口通信模块、模型的顶部安装了一个发光的灯；驱动装置为融合电机、减速器和螺旋桨的一体化推进器。

欠驱动无人艇半物理仿真系统专用仿真方法：

（1）主控计算机初始化，包括：

1）初始化网络通信，与视景显示计算进行通信握手，确认网络畅通；

2）初始化RS232无线串口通信，与小尺寸无人艇实物模型进行通信握手，确认通信畅通；

3）初始化相机，开始捕获图像；

4）初始化数值仿真模块；

5）初始化控制指令解算器；

6）初始化与操控台的串口通信；

（2）显示计算机初始化，包括：

1）初始化三维图形场景，在计算机显示器上绘制无人艇三维可视化模型和水池模型；

2）初始化二维曲线和仪表，在显示器上绘制曲线和仪表；

3）初始化网络通信，与主控计算机进行通信握手；

（3）小尺寸无人艇实物模型主控板初始化，包括：

1）初始化数据端口；

2）初始化串口寄存器；

3）建立姿态陀螺基准；

4）开启中断系统；

（4）小尺寸无人艇实物模型姿态数据发送，包括：

1）读取陀螺输出电压，转换为角度姿态信息；

2）通过RS232无线串口发送陀螺数据；

（5）主控计算机执行控制指令解算循环，具体为：

1）通过RS232无线串口接收小尺寸无人艇实物模型发送的姿态信息；

2）操纵相机捕获小尺寸无人艇实物模型图像，并通过图像处理解算无人艇在小型水池中的位置信息；

3）根据当前选择的控制任务，通过指令解算器解算控制指令，包括小尺寸无人艇实物模型的推进器油门指令和舵角指令；如果是手动操作，则采集操控台的油门和舵角指令；

4）通过RS232无线串口将解算的控制指令发送至小尺寸无人艇实物模型；

5）将解算得到的控制指令驱动数值仿真模块；

6）将解算得到的控制指令发送至小尺寸无人艇实物模型后，将小尺寸无人艇实物模型的位置和姿态信息发送至视景显示计算机；

（6）视景显示计算机显示更新循环，包括：

1）接收主控计算机发送的无人艇实物模型的位置和姿态信息；

2）在三维场景中，更新无人艇三维可视化模型的位置和姿态；

3）更新二维曲线和仪表中的数值；

（7）小尺寸无人艇实物模型指令接收，包括：

4）RS232无线串口中断触发，表示串口接收到了指令数据；

5）对指令数据进行解码，提取出油门数据和舵角数据；

6）主控板通过数据端口调整一体化推进器的油门和舵角。

本发明的有益效果在于：

1.本发明建立了一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其仿真方法，具备同研究领域内纯数字仿真系统所不具备的更接近真实系统的优点；

2.本发明采用模块化设计思想，针对其中的某个模块，可以很方便的扩展和升级其功能，系统具有更好的可扩展性和移植性；

3.本发明的系统构建采用的是通用的计算机和相机等器材，总体构建成本低。

附图说明

图1是本发明的电气结构框图。

图2是本发明系统中视景显示计算机中运行的视景显示程序的流程图。

图3是本发明系统中主控计算中运行的主控程序的流程图。

图4是本发明的相机架设示意图。

图5是本发明的小尺寸欠驱动无人艇实物模型电气结构框图。

图6是本发明小尺寸欠驱动无人艇实物模型主控板运行程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

图中1.相机支架，2.相机，3.小型水池，4.小尺寸欠驱动无人艇实物模型。

欠驱动无人艇是一个综合型的复杂系统，针对现有纯数字仿真系统无法很好模拟真实系统的优点，本发明提供一种欠驱动无人艇半物理仿真系统及其仿真方法，可对欠驱动无人艇的控制算法设计、有效性和可行性以及可靠性进行前期验证，及时发现并修正实际系统存在的问题，具有重要的现实意义。

为建立欠驱动无人艇半物理仿真系统，本发明采用的技术方案是：

本发明包括视景显示计算机，主控计算机，相机，图像采集卡，小型水池和小尺寸欠驱动无人艇实物模型以及操控台，其中：

视景显示计算机为普通个人计算机，通过网络通信与主控计算机连接，接收主控计算机发送的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息，完成小尺寸欠驱动无人艇模型的三维可视化显示；

主控计算机为普通个人计算机，通过RS232串口通信与小尺寸欠驱动无人艇通信，采集无人艇的姿态信息，通过图像采集卡采集相机拍摄到的小尺寸欠驱动无人艇图像，并从图像中提取无人艇的位置信息。利用采集到的姿态信息和位置信息，主控计算机根据控制任务计算无人艇的控制指令，并通过RS232发送至无人艇，完成控制任务；

相机架设在小型水池上方能覆盖小尺寸欠驱动无人艇实物模型移动范围的高度，用于拍摄小尺寸欠驱动无人艇实物模型图像，拍摄的图像供主控计算机解算小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置信息；

小型水池用于容纳小尺寸无人艇，供无人艇在其中运动；

小尺寸欠驱动无人艇实物模型用于模拟真实无人艇，放置于小型水池中，可在小型水池中行驶。无人艇实物模型通过RS232串口通信接收主控计算机发送的控制指令，也可发送自身姿态信息至主控计算机；

操控台通过串口连接至主控计算机，其操控信号可作为小尺寸欠驱动无人艇的操控输入，即用户可在主控计算机协调下，通过操控台手动操控小尺寸欠驱动无人艇。操控台上包括与实际功能一致的相关按钮和操纵杆，如“急停”和“复位”按钮，“油门”和“舵角”操纵杆，“急停”按钮用于紧急情况下关闭无人艇动力，“复位”按钮用于复位无人艇油门和舵角为初始状态，“油门”操纵杆和“舵角”操纵杆分别用于控制无人艇的油门和舵角大小。

视景显示计算机中运行视景显示程序，显示内容包括三维图形场景和二维图形，三维图形场景包括小型水池三维模型、小尺寸欠驱动无人艇实物模型的三维模型和三维坐标系统，运行时，实时展示小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态；二维图形包括二维曲线和仪表，运行时，二维曲线用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态曲线，仪表用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型当时仿真时刻的姿态信息，视景显示程序所需的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息是通过TCP/IP网络通信由主控计算机发送来的。

主控计算机中运行所述仿真系统的主控程序，主控程序接收小尺寸欠驱动无人艇实物模型通过无线RS232串口通信发送的姿态信息，通过图像采集卡采集相机拍摄的图像，并通过图像解算小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置信息，利用得到的位置和姿态信息，主控程序根据控制任务和控制算法解算出小尺寸欠驱动无人艇实物模型的油门指令和舵角指令控制信息，并通过RS232无线串口通信发送至小尺寸欠驱动无人艇实物模型，小尺寸欠驱动无人艇实物模型在控制信息的驱动下位置和姿态发生改变，主控程序还通过TCP/IP网络通信把小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息发送至视景显示计算机，下一个仿真计算循环中，主控程序继续接收信息、解算指令和发送信息至视景显示计算机。主控程序还内置了纯数值仿真模块，包含无人艇动力学运动学模型，该模块解算的结果用于与实际实物模型运行结果进行比对，有利于及时发现问题。

小尺寸欠驱动无人艇实物模型，主控板控制核心为单片机，其驱动装置为融合电机、减速器和螺旋桨的一体化推进器，推进器推进角度可调，故推进器也可起到舵的作用；能量来源为内置的蓄电池；传感器为测量姿态的数字陀螺；内置无线RS232串口通信模块，用于与主控计算机进行通信，另外，为了增强所述实物模型在相机拍摄的图像中的识别度，在所述实物模型的顶部安装了一个发光的灯。

小型水池，可采用普通船模做水池试验的水池，也可采用小型塑料充气蓄水池，充气后可膨胀成型，往里注水即可使用。

本发明欠驱动无人艇半物理仿真系统仿真方法包括以下步骤：

主控计算机初始化，具体为：

初始化网络通信，与视景显示计算进行通信握手，确认网络畅通；

初始化RS232无线串口通信，与小尺寸无人艇实物模型进行通信握手，确认通信畅通；

初始化相机，开始捕获图像；

初始化数值仿真模块；

初始化控制指令解算器；

初始化与操控台的串口通信；

主控计算机执行控制指令解算循环，具体为：

通过RS232无线串口接收无人艇实物模型发送的姿态信息；

操纵相机捕获无人艇实物模型图像，并通过图像处理解算无人艇在小型水池中的位置信息；

根据当前选择的控制任务，通过指令解算器解算控制指令，包括无人艇实物模型的推进器油门指令和舵角指令；如果是手动操作，则采集操控台的油门和舵角指令；

通过RS232无线串口将解算的控制指令发送至小尺寸无人艇实物模型；

将解算得到的控制指令驱动数值仿真模块；

主控计算机在与视景显示计算机网络通信无故障时，在将解算得到的控制指令发送至无人艇实物模型后，需将无人艇实物模型的位置和姿态信息发送至视景显示计算机；

本发明仿真方法还包括以下步骤：

视景显示计算机初始化，具体为：

初始化三维图形场景，在计算机显示器上绘制出无人艇三维可视化模型和水池模型；

初始化二维曲线和仪表，在显示器上绘制曲线和仪表；

初始化网络通信，与主控计算机进行通信握手；

视景显示计算机显示更新循环，具体为：

如果视景显示计算机与主控计算机网络通信畅通，则接收主控计算机发送的无人艇实物模型的位置和姿态信息；

在三维场景中，更新无人艇三维可视化模型的位置和姿态；

更新二维曲线和仪表中的数值；

本发明仿真方法还包括以下步骤：

小尺寸无人艇实物模型主控板初始化，具体为：

初始化数据端口；

初始化串口寄存器；

建立姿态陀螺基准；

开启中断系统；

小尺寸无人艇实物模型姿态数据发送，具体为：

读取陀螺输出电压，转换为角度姿态信息；

通过RS232无线串口发送陀螺数据；

小尺寸无人艇实物模型指令接收，具体为：

RS232无线串口中断触发，表示串口接收到了指令数据；

对指令数据进行解码，提取出油门数据和舵角数据；

主控板通过数据端口调整一体化推进器的油门和舵角；

如图1所示，本发明欠驱动无人艇半物理仿真系统包括：视景显示计算机，主控计算机，相机，图像采集卡，小型水池和小尺寸欠驱动无人艇实物模型以及操控台，其中：

视景显示计算机通过TCP/IP网络通信与主控计算机连接，接收主控计算机发送的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息；

相机通过安装在主控计算机主板上的图像采集卡与主控计算机连接，主控计算机采集相机拍摄的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的图像；

相机架设在小型水池上方能覆盖小尺寸欠驱动无人艇实物模型移动范围的高度，用于拍摄小尺寸欠驱动无人艇实物模型图像，拍摄的图像供主控计算机解算小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置信息；

小尺寸欠驱动无人艇实物模型通过无线RS232串口通信与主控计算机进行通信，主控计算机接收小尺寸欠驱动无人艇实物模型发送的状态信息，主动计算机往小尺寸欠驱动无人艇发送油门指令和舵角指令；

小尺寸欠驱动无人艇实物模型放置于小型水池中，可在小型水池中行驶；

操控台通过串口连接至主控计算机，其操控信号可作为小尺寸欠驱动无人艇的操控输入，即用户可在主控计算机协调下，通过操控台手动操控小尺寸欠驱动无人艇。操控台上包括与实际功能一致的相关按钮和操纵杆，如“急停”和“复位”按钮，“油门”和“舵角”操纵杆，“急停”按钮用于紧急情况下关闭无人艇动力，“复位”按钮用于复位无人艇油门和舵角为初始状态，“油门”操纵杆和“舵角”操纵杆分别用于控制无人艇的油门和舵角大小。

为降低成本，视景显示计算机采用的是普通的个人计算机，其中运行视景显示程序，程序显示内容包括三维图形场景和二维图形，三维图形场景包括小型水池三维模型、小尺寸欠驱动无人艇实物模型的三维模型和三维坐标系统，运行时，实时展示小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态；二维图形包括二维曲线和仪表，运行时，二维曲线用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态曲线，仪表用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型当时仿真时刻的姿态信息，视景显示程序所需的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息是通过TCP/IP网络通信由主控计算机发送来的。视景显示程序用微软公司VisualStudio6.0软件开发环境结合MultiGen-Paradigm公司的VegaPrime系列软件开发完成，小型水池和无人艇的三维模型是用MultiGen-Paradigm公司的MultiGenCreator系列软件绘制的，三维场景中的坐标系统是利用OpenGL三维图形库绘制的；二维绘图方面，二维曲线和仪表均采用微软公司的GDI绘图接口绘制，结合微软公司的MFC库中的对话框实现显示。三维场景和二维图形都将在用VisualStudio6.0中MFC的单文档视图开发的工程中显示，其中三维场景显示在视图窗口中，二维曲线显示于曲线显示对话框中，鉴于数量级的差异，位置曲线和姿态曲线分别显示于两个曲线显示对话框中，仪表显示于仪表对话框中，分别有三个仪表对话框：俯仰角仪表对话框、滚转角仪表对话框和偏航角仪表对话框。驱动三维场景和二维图形的数据来自主控计算机通过TCP/IP网络通信发送的数据，采用的通信机制为组播通信，主要是为了考虑到以后可能加入多个数据收发节点，采用组播通信效率更高，占用网络带宽低，且实现较为简单。视景显示程序的运行流程图如图2所示。

主控计算机和视景显示计算机一样，也是采用普通的个人计算机。主控计算机中运行所述仿真系统的主控程序，运行流程图如图3所示，主控程序接收小尺寸欠驱动无人艇实物模型通过无线RS232串口通信发送的姿态信息，本实施例中采用的无线串口通信模块为APC220-43无线串口模块，该模块采用GFSK调制，拥有大于100个频道，采用透明数据传输方式，可进行大数据量的数据传输，同时具有1200米的传输距离，且内置看门狗，可长时间稳定可靠运行；主控程序还通过图像采集卡采集相机拍摄的图像，本实施例中采用的相机是大恒公司的DH-GV400UC，可提供高达60fps的帧率，满足主控程序的运行实时性要求，相机的架设示意图如图4所示，配套的图像采集卡采用的是大恒公司的DH-VT140彩色/黑白图像采集卡，分辨率可达768*576像素，图像采集卡的开发包支持VisualStudio6.0的二次开发。对拍摄到的图像进行处理，从中提取出无人艇模型的轮廓，从而确定出无人艇模型在图像中的位置，利用这一位置进行透视变换即可计算出无人艇在小型水池局部坐标系中的位置。利用得到的位置和姿态信息，主控程序根据控制任务和控制算法解算出小尺寸欠驱动无人艇实物模型的油门指令和舵角指令控制信息，并通过RS232无线串口通信发送至小尺寸欠驱动无人艇实物模型，无人艇模型接收到控制指令后，调整推进油门大小和舵角，从而使得无人艇的位置和姿态发生改变，与此同时，纯数值仿真也同步进行推进，所得结果与实物模型运行结果进行对比。主控程序还通过TCP/IP网络通信把小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息发送至视景显示计算机，下一个仿真计算循环中，主控程序继续接收信息、解算指令和发送信息至视景显示计算机。和视景显示程序一样，主控程序采用微软公司的VisualStudio6.0软件开发环境，采用C++语言开发，拥有MFC单文档视图界面，主视图显示无人艇模型的图像，附加显示无人艇模型的实时位置姿态、计算出来的控制指令和其他一些代表系统运行状态的信息，图像采集是通过调用图像采集卡的SDK接口函数实现的，主要的函数为BeginHVDevice、HVGetDeviceInfo、HVSetResolution、HVAECControl、HVSetOutputWindow、HVStartSnap、HVCloseSnap和EndHVDevice等接口函数；串口通信是采用标准的WindowsWin32函数实现的，主要函数为CreateFile、SetupComm和SetCommState；组播通信采用的是伯克利套接字，用到了socket、sendto、receivefrom和closesocket等函数。

本实施例中的小尺寸欠驱动无人艇实物模型，其驱动装置为融合电机、减速器和螺旋桨的一体化推进器，推进器推进角度可调，故推进器也是舵；能量来源为内置的蓄电池；传感器为测量姿态的数字陀螺；内置无线RS232串口通信模块，用于与主控计算机进行通信。为了增加小尺寸欠驱动无人艇实物模型在图像中的可识别度，提高位置解算的精度，在模型顶部加装了一个圆形的红色LED灯。小尺寸欠驱动无人艇实物模型的电气结构框图如图5所示，主要由陀螺模块、RS232无线通信模块、主控制板、电机驱动模块、舵机驱动模块和一体化推进器构成，本实施例中，陀螺模块采用的三个单轴数字陀螺，所测角度值由电压表示，主控制板通过模拟数字信号变换得到实测角度值；RS232无线通信模块采用的是与主控计算机所用模块配套的无线串口模块APC220-43，为了提高通信可靠性，连接在串口模块上的天线安装在无人艇实物模型顶部的小孔内并伸出一部分；主控制板为无人艇实物模型电气系统的核心，板载的控制核心为ATmega328P高速单片机，片载资源为32Kb可编程Flash，1Kb容量的EEPROM，8个模数转换通道，6路PWM输出，1个片载串口以及2个八位定时器，单片机采集陀螺模块的角度信息，通过无线串口发送至主控计算机，对主控计算机发送数据的接收是用串口中断机制触发的，这样可以提升指令响应的实时性，单片机接收到指令信号后，利用定时器中断生成PWM波形驱动电机驱动模块和舵机驱动模块，完成指令的执行；电机驱动模块用于驱动一体化推进器里通过减速度连接螺旋桨的电机，起到油门控制的作用；舵机驱动模块控制用于调整一体化推进器角度的舵角调整舵机。小尺寸欠驱动无人艇实物模型的主控制板运行程序采用c语言编写，运行流程图如图6所示。

本实施例中的小型水池，采用小型塑料充气蓄水池，充气后可膨胀成型，往里注水即可使用。

本发明欠驱动无人艇半物理仿真方法包括以下步骤：

主控计算机与视景显示计算机、小尺寸无人艇实物模型建立通信；

主控计算机接收无人艇实物模型发送的姿态信息；

主控计算机操纵相机采集无人艇实物模型图像，并从图像中解算无人艇实物模型位置信息；

根据控制任务，主控计算机解算控制指令；如果是手动操作，则采集操控台的油门和舵角指令；

主控计算机将解算得到的指令发送至小尺寸无人艇模型，后者在指令操纵下位置和姿态发生改变；

主控计算机将无人艇实物模型的位置和姿态信息发送至视景显示计算机，供视景显示计算机更新显示其三维场景中的无人艇三维可视化模型位置和姿态；

本发明已用于单位内部的欠驱动无人艇科研工作，使用效果良好，反响很好，被证实是一个良好的科研平台。

以上结合附图对本发明的具体实施方式做了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种欠驱动无人艇半物理仿真系统，包括视景显示计算机、主控计算机、相机、图像采集卡、小型水池、小尺寸欠驱动无人艇实物模型以及操控台，其特征在于：视景显示计算机通过TCP/IP网络通信与主控计算机连接，接收主控计算机发送的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息；相机通过安装在主控计算机主板上的图像采集卡与主控计算机连接，主控计算机采集相机拍摄的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的图像；小尺寸欠驱动无人艇实物模型通过无线RS232串口与主控计算机进行通信，主控计算机接收小尺寸欠驱动无人艇实物模型发送的状态信息，并根据预设控制任务解算控制指令，控制指令包括小尺寸欠驱动无人艇实物模型油门指令和舵角指令，将解算得到的控制指令通过无线RS232串口发送至小尺寸欠驱动无人艇实物模型；小尺寸欠驱动无人艇实物模型放置于小型水池中，可在小型水池中行驶；相机架设在小型水池上方能覆盖小尺寸欠驱动无人艇实物模型移动范围的高度，拍摄小尺寸欠驱动无人艇实物模型图像，拍摄的图像供主控计算机解算小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置信息；操控台通过无线RS232串口连接至主控计算机，其操控信号作为小尺寸欠驱动无人艇实物模型的操控输入，在主控计算机协调下，通过操控台手动操控小尺寸欠驱动无人艇实物模型。

2.根据权利要求1所述的一种欠驱动无人艇半物理仿真系统，其特征在于：所述的视景显示计算机将主控计算机发送的信息转换为包括小型水池三维模型、小尺寸欠驱动无人艇实物模型的三维模型和三维坐标系统的三维图形场景，用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态曲线的二维曲线，用于显示小尺寸欠驱动无人艇实物模型仿真时刻姿态信息的仪表。

3.根据权利要求1或2所述的一种欠驱动无人艇半物理仿真系统，其特征在于：所述的小尺寸欠驱动无人艇实物模型安装有驱动装置、蓄电池、测量姿态的数字陀螺传感器、内置无线RS232串口模块、小尺寸欠驱动无人艇实物模型的顶部安装了一个发光的灯；驱动装置为融合电机、减速器和螺旋桨的一体化推进器。

4.一种欠驱动无人艇半物理仿真系统专用仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)主控计算机初始化，包括：

1)初始化网络通信，与视景显示计算机初始化进行通信握手，确认网络畅通；

2)初始化无线RS232串口，与小尺寸无人艇实物模型进行通信握手，确认通信畅通；

3)初始化相机，开始捕获图像；

4)初始化数值仿真模块；

5)初始化控制指令解算器；

6)初始化与操控台的无线RS232串口通信；

(2)视景显示计算机初始化，包括：

1)初始化三维图形场景，在视景显示计算机显示器上绘制小尺寸欠驱动无人艇实物模型三维可视化模型和小型水池模型；

2)初始化二维曲线和仪表，在视景显示计算机显示器上绘制曲线和仪表；

3)初始化网络通信，与主控计算机进行通信握手；

(3)小尺寸欠驱动无人艇实物模型主控板初始化，包括：

1)初始化数据端口；

2)初始化串口寄存器；

3)建立姿态陀螺基准；

4)开启中断系统；

(4)小尺寸欠驱动无人艇实物模型姿态数据发送，包括：

1)读取数字陀螺传感器输出电压，转换为角度姿态信息；

2)通过无线RS232串口发送数字陀螺传感器数据；

(5)主控计算机执行控制指令解算循环，具体为：

1)通过无线RS232串口接收小尺寸欠驱动无人艇实物模型发送的姿态信息；

2)操纵相机捕获小尺寸欠驱动无人艇实物模型图像，并通过图像处理解算小尺寸欠驱动无人艇实物模型在小型水池中的位置信息；

3)根据当前选择的控制任务，通过指令解算器解算控制指令，包括小尺寸欠驱动无人艇实物模型的推进器油门指令和舵角指令；如果是手动操作，则采集操控台的油门和舵角指令；

4)通过无线RS232串口将解算的控制指令发送至小尺寸欠驱动无人艇实物模型；

5)将解算得到的控制指令驱动数值仿真模块；

6)将解算得到的控制指令发送至小尺寸欠驱动无人艇实物模型后，将小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息发送至视景显示计算机；

(6)视景显示计算机显示更新循环，包括：

1)接收主控计算机发送的小尺寸欠驱动无人艇实物模型的位置和姿态信息；

2)在三维场景中，更新小尺寸欠驱动无人艇实物模型三维可视化模型的位置和姿态；

3)更新二维曲线和仪表中的数值；

(7)小尺寸欠驱动无人艇实物模型指令接收，包括：

1)无线RS232串口中断触发，表示该无线RS232串口接收到了指令数据；

2)对指令数据进行解码，提取出油门数据和舵角数据；

3)主控板通过数据端口调整一体化推进器的油门和舵角。