CN103400517A - 深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统及操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统及操控方法。包括一台六自由度运动仿真计算机(1)、一台接口控制计算机(3)、三维视景显示计算机(7)、位姿测量传感器(8)、六自由度运动转台(9)，六自由度运动仿真计算机(1)中包含深潜救生艇数学模型仿真模块(18)和人机交互界面(2)，接口控制计算机(3)上中包含数据融合模块(4)、控制模块(5)和坐标转换模块(6)，位姿测量传感器(8)安装在六自由度运动转台(9)上并通过串口与接口控制计算机(3)相连接，各计算机之间通过以太网连接，实现数据资源的共享。可用于模拟带有对接裙体的深潜救生艇的六自由度对接过程。

Description

深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统及操控方法

技术领域

本发明涉及的是一种模拟深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统，可用于模拟带有对接裙体的深潜救生艇的六自由度对接过程。

背景技术

对于失事潜艇来说，等待深潜救生艇救援是最可靠、最有效的方式，也是潜艇救生发展的主要方向，研究深潜救生艇及其对接装置的设计和操控方法是非常有意义的。国内外对于对接装置的研究日益深化，目前国外已研制并使用带有活动转裙的深潜救生艇，该深潜救生艇能够在保持艇体水平的情况下与同水平呈45到60度角以内的失事潜艇进行对接。因此对于深潜救生艇对接装置和对接方法的研究是一个重要的课题。

半实物仿真系统是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起运转的一种仿真系统，它除了能提高仿真系统的研制质量外，还可以将无法准确建模的实物直接接入仿真系统，通过模型和实物直接的切换，进一步校准数学模型，直接检验系统各部分的功能，具备更高的真实度。对于深潜救生艇的研究来说，实体实验的风险高，代价大，因此建立深潜救生艇半实物仿真系统，对于援潜救生系统结构及操控方法的研究提供了方便。

经文献检索发现，美国专利文件US3507241中，描述了一个收放深潜救生艇的装置，该装置安装在一艘双体船上，位于双体船的两个船体的中间，利用该装置可以很方便的回收深潜救生艇；中国专利文件CN101607589中提出了一种深潜救生艇的动力定位装置，该装置能实现深潜救生艇四自由度(X向、Y向、Z向和艏向)的动力定位；中国专利文件CN101148193中设计了一种水下对接裙体，它包括固定裙、方向裙、角度裙三部分组成，可实现救生艇以最佳角度抵御海流，实现恶劣环境下的对接作业。以上的发明是针对某个设备或者某种算法进行的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能灵活、方便、安全的进行循环仿真，不受气象条件和场地环境的限制的深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统。本发明的目的还在于提供一种基于深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统包括一台六自由度运动仿真计算机1、一台接口控制计算机3、三维视景显示计算机7、位姿测量传感器8、六自由度运动转台9，六自由度运动仿真计算机1中包含深潜救生艇数学模型仿真模块18和人机交互界面2，接口控制计算机3上中包含数据融合模块4、控制模块5和坐标转换模块6，位姿测量传感器8安装在六自由度运动转台9上并通过串口与接口控制计算机3相连接，各计算机之间通过以太网连接，实现数据资源的共享；

所述六自由度运动转台实现纵荡、横荡、升沉三个自由度的小范围平动，以及艏摇、纵摇、横摇三个自由度的转动；

三维视景显示计算机对援救过程进行实时监控，它接收深潜救生艇及失事潜艇的位姿数据，多角度的显示深潜救生艇与失事潜艇的对接过程，利用三维建模模块对失事潜艇、深潜救生艇以及海底环境进行建模，并利用三维视景驱动模块实现三维模型的运动控制，利用OpenGL进行脐带缆的三维模拟，三维视景显示计算机7上包括救生艇对接过程三维监控界面10、推进器组动态显示界面11、对接裙体三维监控界面12及内部人员活动监控显示视图13。

基于本发明的深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统的操控方法为：

(1)六自由度运动仿真计算机1中包含深潜救生艇数学模型仿真模块18和人机交互界面2，所述深潜救生艇数学模型仿真模块18包括深潜救生艇数学模型模块14、缆绳数学模型模块15、推进器模型模块16、海洋环境数学模型模块17，各个模块相对独立；

(2)数学模型仿真计算机将深潜救生艇位置和姿态信息及对接转裙位置姿态信息发送给接口控制计算机和三维视景显示计算机，用于位姿模拟装置的运动驱动和三维视景驱动；

(3)接口控制计算机接收数学模型仿真计算机数据后，对其数据进行坐标变换处理，并结合传感器数据融合数据，产生驱动控制指令，用于对六自由度运动转台进行运动控制；

(4)接口控制计算机接收数学模型仿真计算机数据后，控制模块接收传感器数据，并根据失事潜艇和深潜救生艇的位姿信息，产生控制指令，对六自由度运动仿真计算机上的推进器模块进行控制；

(5)人机交互界面实时显示深潜救生艇数学模型仿真模块得到的深潜救生艇的位置和姿态数据，并进行二维显示，同时对失事潜艇的位姿数据、深潜救生艇的初始状态以及海况仿真条件进行设置；

(6)接口控制计算机与六自由度运动转台以及各种传感器组成一个闭环系统，使得六自由度运动转台的运动始终跟随深潜救生艇数学模型。

本发明的带活动转裙的深潜救生艇半实物仿真系统能够直观、形象的模拟深潜救生艇的定位过程及对接裙体运动情况，便于操纵人员参与救生过程模拟，对救生艇结构和操纵算法的验证提供方便。

本发明可用于模拟带有活动转裙的深潜救生艇的六自由度对接过程，并利用虚拟视觉增加仿真的沉浸感和真实感，对于援潜救生系统结构及操控方法的研究提供了研究平台。

附图说明

图1带转裙的深潜救生艇半实物仿真系统结构图。

图2虚拟现实显示子系统结构图。

图3数学模型仿真模块组成结构图。

图4系统数据关系图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，深潜救生艇的半实物仿真系统包括一台六自由度运动仿真计算机1、人机交互界面2、一台接口控制计算机3、数据融合模块4、控制模块5、坐标转换模块6、三维视景显示计算机7、位姿测量传感器8、六自由度运动转台9、深潜救生艇数学模型仿真模块18。其特征在于：人机交互界面2和深潜救生艇数学模型仿真模块18运行在六自由度运动仿真计算机1上，数据融合模块4、控制模块5和坐标转换模块6安装在接口控制计算机3上，位姿测量传感器8安装在六自由度运动转台9上，并通过串口与接口控制计算机3相连接，各计算机之间通过以太网连接，实现数据资源的共享。

六自由度运动转台可以实现纵荡、横荡、升沉三个自由度的小范围平动，以及艏摇、纵摇、横摇三个自由度的转动，适用于对深潜救生艇的对接过程进行模拟，由于对接裙体是深潜救生艇的对接装置，本发明最终利用六自由度运动转台模拟对接裙体的位置和姿态。

三维视景显示计算机的作用在于对援救过程进行实时监控，它接收深潜救生艇及失事潜艇的位姿数据，多角度的显示深潜救生艇与失事潜艇的对接过程，给予操纵和实验人员直观的视觉感受。利用三维建模模块对失事潜艇、深潜救生艇以及海底环境进行建模，并利用三维视景驱动模块实现三维模型的运动控制，利用OpenGL进行脐带缆的三维模拟，以实现一个逼真的仿真环境，增加仿真的真实性和沉浸感。同时结合图2，三维视景显示计算机7上包括救生艇对接过程三维监控界面10、推进器组动态显示界面11、对接裙体三维监控界面12及内部人员活动监控显示视图13。

基于深潜救生艇半实物仿真系统的操控方法：

(1)六自由度运动仿真计算机1上包含一整套数学模型仿真模块18及人机交互界面2。数学模型仿真模块18包括深潜救生艇数学模型14、缆绳数学模型15、推进器模型16、海洋环境数学模型17，各个模块相对独立，便于仿真过程中灵活的使用。

(2)数学模型仿真计算机将深潜救生艇位置和姿态信息及对接转裙位置姿态信息发送给接口控制计算机和三维视景显示计算机，用于位姿模拟装置的运动驱动和三维视景驱动。

(3)接口控制计算机接收数学模型仿真计算机数据后，对其数据进行坐标变换处理，并结合传感器数据融合数据，产生驱动控制指令，用于对六自由度运动转台进行运动控制。

(4)接口控制计算机接收数学模型仿真计算机数据后，控制模块接收传感器数据，并根据失事潜艇和深潜救生艇的位姿信息，产生控制指令，对六自由度运动仿真计算机上的推进器模块进行控制。

(5)人机交互界面可以实时显示数学模型计算得到的深潜救生艇的位置和姿态数据，并进行二维显示，同时可以对失事潜艇的位姿数据、深潜救生艇的初始状态以及海况等仿真条件进行设置。

(6)接口控制计算机与六自由度运动转台以及各种传感器组成一个闭环系统，使得六自由度运动转台的运动始终跟随深潜救生艇数学模型。

图3说明了数学模型仿真计算机上的数据传输关系，数学模型仿真模块18包括深潜救生艇数学模型14、缆绳数学模型15、推进器模型16、海洋环境数学模型17，各个模块相对独立，便于仿真过程中灵活的使用。其中海洋环境数学模型为深潜救生艇数学模型产生环境干扰力数据，并给缆绳数学模型提供海流信息；推进器模型接收控制模块给出的推力分配数据，计算推进器推力,并将推力信息传给深潜救生艇数学模型;缆绳数学模型接收深潜救生艇的位置和姿态数据以及海洋环境模块中提供的海流信息来计算变长度脐带缆的状态和拉力，并反馈给数学模型；深潜救生艇数学模型接收推力器数据和海洋干扰力数据，输出深潜救生艇和对接裙体的位置和姿态信息。人机交互界面可以实时显示数学模型计算得到的深潜救生艇的位置和姿态数据，并进行二维显示，同时可以对失事潜艇的位置、姿态、深潜救生艇的初始状态和海洋环境进行设置。

图4显示了深潜救生艇半实物仿真系统的数据传递关系，从该结构图可以看出整个半实物仿真系统构成一个闭环形式，数学模型仿真模块是整个仿真系统的核心，它可以计算出深潜救生艇艇体的六自由度位姿数据和对接转裙的姿态数据，视景系统将这些数据进行坐标变换，并用于驱动三维视景显示系统；同时接口计算机将这些数据进行位置和姿态的转换并将驱动数据包发送到六自由度运动平台；失事潜艇对接舱口的位置和姿态角度在人机交互界面上进行设定，人机交互界面上也可以设置海洋环境。传感器数据需要进行滤波和数据融合处理；控制模块接收滤波和融合后的数据，作为反馈数据，产生控制指令和推力分配信息，输出给推进器；推进器将产生的推力作用于深潜救生艇的数学模型上。

Claims (2)

1.一种深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统，包括一台六自由度运动仿真计算机(1)、一台接口控制计算机(3)、三维视景显示计算机(7)、位姿测量传感器(8)、六自由度运动转台(9)，其特征是：六自由度运动仿真计算机(1)中包含深潜救生艇数学模型仿真模块(18)和人机交互界面(2)，接口控制计算机(3)上中包含数据融合模块(4)、控制模块(5)和坐标转换模块(6)，位姿测量传感器(8)安装在六自由度运动转台(9)上并通过串口与接口控制计算机(3)相连接，各计算机之间通过以太网连接，实现数据资源的共享；

所述六自由度运动转台实现纵荡、横荡、升沉三个自由度的小范围平动，以及艏摇、纵摇、横摇三个自由度的转动；

三维视景显示计算机对援救过程进行实时监控，它接收深潜救生艇及失事潜艇的位姿数据，多角度的显示深潜救生艇与失事潜艇的对接过程，利用三维建模模块对失事潜艇、深潜救生艇以及海底环境进行建模，并利用三维视景驱动模块实现三维模型的运动控制，利用OpenGL进行脐带缆的三维模拟，三维视景显示计算机(7)上包括救生艇对接过程三维监控界面(10)、推进器组动态显示界面(11)、对接裙体三维监控界面(12)及内部人员活动监控显示视图(13)。

2.一种基于权利要求1所述的深潜救生艇救生过程的半实物仿真系统的操控方法，其特征是：

(1)六自由度运动仿真计算机(1)中包含深潜救生艇数学模型仿真模块(18)和人机交互界面(2)，所述深潜救生艇数学模型仿真模块(18)包括深潜救生艇数学模型模块(14)、缆绳数学模型模块(15)、推进器模型模块(16)、海洋环境数学模型模块(17)，各个模块相对独立；

(2)数学模型仿真计算机将深潜救生艇位置和姿态信息及对接转裙位置姿态信息发送给接口控制计算机和三维视景显示计算机，用于位姿模拟装置的运动驱动和三维视景驱动；

(3)接口控制计算机接收数学模型仿真计算机数据后，对其数据进行坐标变换处理，并结合传感器数据融合数据，产生驱动控制指令，用于对六自由度运动转台进行运动控制；

(4)接口控制计算机接收数学模型仿真计算机数据后，控制模块接收传感器数据，并根据失事潜艇和深潜救生艇的位姿信息，产生控制指令，对六自由度运动仿真计算机上的推进器模块进行控制；

(5)人机交互界面实时显示深潜救生艇数学模型仿真模块得到的深潜救生艇的位置和姿态数据，并进行二维显示，同时对失事潜艇的位姿数据、深潜救生艇的初始状态以及海况仿真条件进行设置；

(6)接口控制计算机与六自由度运动转台以及各种传感器组成一个闭环系统，使得六自由度运动转台的运动始终跟随深潜救生艇数学模型。

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