CN104360683A - 一种船舶运动控制实验系统及其工作方法 - Google Patents

一种船舶运动控制实验系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶运动控制实验系统及其工作方法，所述的系统包括主控计算机、以太网交换机、应急遥控手柄、学习计算机模块、岸上无线通信模块、船载无线通信模块、船载计算机、北斗定位系统、船用罗经和缩尺船模。本发明的主控计算机包括基于LabView开发实现的人机交互界面，应用RT-LAB将拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型生成C代码并编译加载到船载计算机，船载计算机运行实时操作系统QNX，直接运行拟实验验证的各种不同的船舶运动控制器，科研人员可利用该实验系统方便、快捷地进行各种复杂的船舶运动控制器的实验验证，减少了实验研究工作量，拓宽了实验的内容和范围。

Description

一种船舶运动控制实验系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种船舶运动自动控制及其实验验证技术领域，具体地说是基于一艘缩尺模型船建立的船舶运动控制系统实验研究平台及其工作方法，可用于各种船舶运动控制器的实验验证研究，也可用于“船舶运动控制”课程的实验教学等方面。
背景技术
海洋运输业是经济社会发展的重要基础产业，在维护国家经济安全和海洋权益、推动产业转型升级、促进对外贸易发展等方面具有重要作用。近年来，我国海运业发展迅速，这也对船舶运动控制系统的控制性能提出了更高的要求。船舶航运的安全性越来越多的依赖于船舶运动控制系统，高质量的船舶运动控制系统是实现船舶“安全、高效、节能和环保”运行目标的前提和关键。船舶运动控制器是船舶运动控制系统的核心，决定了船舶运动控制系统的稳定性、快速性和准确性等性能。船舶运动控制实验系统为各种船舶运动控制器提供实验验证平台，因此，船舶运动控制实验系统的研发对于船舶运动控制系统的发展以及保障船舶安全航行具有重要意义，也必将带来巨大的社会和经济效益。
中国专利CN102074144B公开的《船舶位置运动试验平台》、中国专利CN103576694A公开的《一种动力定位船的半实物仿真系统》、中国专利CN103117011A公开的《一种动力定位仿真试验平台及控位方法》、中国专利CN103592853A公开的《一种动力定位半实物仿真平台及方法》、王芳等在《第十五届海洋工程学术讨论会论文集》中发表的论文“深水钻井平台DP-3级动力定位半实物仿真”以及徐荣华等在《计算机工程与科学》Vol.13，No.7上发表的论文“紧凑型船舶动力定位控制半物理仿真系统研究”均公开了一种动力定位半实物仿真系统/平台。在控制器仿真验证过程中，均使用船舶或钻井平台的运动数学模型，通过数值运算得到船舶或钻井平台的运动状态，并通过半实物仿真系统/平台的实物部分模拟展现船舶或钻井平台的运动状态，从而实现控制器的仿真验证。这些半实物系统的仿真模式本质上是数值仿真，其中实物部分包括导轨上的机械结构、物理运动平台、摇摆台、转台以及可视化工作站等，上述系统/平台可实现动力定位控制器的实验验证。
孟浩等在《系统仿真学报》Vol.15，No.3上发表的论文“船舶运动半物理仿真系统”公开了一种船舶运动半物理仿真系统，该系统由运动模拟器、执行机构、船舶运动控制器、船舶运动产生器、船舶运动采集器、船舶运动演示器组成，可模拟船舶六自由度中除升沉之外的其余五个自由度的运动，可用于船舶航向、航迹以及减摇鳍控制器的仿真验证。该系统同样是应用船舶运动数学模型进行仿真运算，获得船舶的运动状态，通过全方位平面移动车及三轴转台组成的运动模拟器展现，本质上仍是一种数值仿真。
任光等在《系统仿真学报》Vol.13，No.6上发表的论文“三种船舶运动控制仿真系统”公开了一种利用缩尺船模实现的半物理仿真系统，该系统由模型船、传感器、航向/航迹控制系统组成，传感器可测量缩尺船模的运动状态。该系统可实现船舶航向、航迹控制器的验证，但不具有用户界面直观显示实验结果；要求使用者在船载工控机中编写控制器代码，不易调整控制参数；不具备应急处理模式功能，无法及时处理缩尺船模失控等紧急情况。
综上，现有的半物理仿真平台或系统存在如下问题；(1)半物理仿真平台/系统用船舶或钻井平台运动数学模型进行数值运算，得到船舶或钻井平台仿真运动状态，再通过不同的物理模块展现船舶或钻井平台的运动状态，与纯数值仿真无本质差别；(2)基于缩尺船模的半实物仿真系统，要求将拟验证控制器代码写入工控机中，当控制器较为复杂时不易编程实现，且不具备应急处理模式功能；(3)每个平台/系统仅能进行某些特定的船舶运动控制器的实验验证。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于缩尺模型船的船舶运动控制实验系统及其工作方法，实现各种不同船舶运动控制器的实验验证，包括航向、航迹、动力定位以及行进中的船舶供给等功能的控制器验证，并可方便地改变控制模式及控制参数；且具有友好的人机交互界面，可直观地显示实验验证结果，具有应急遥控手柄，可手动操纵处理紧急情况。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船舶运动控制实验系统包括岸上主控计算机、岸上以太网交换机、应急遥控手柄、岸上学习计算机模块、岸上无线通信模块、船载无线通信模块、船载计算机、北斗定位系统、船用罗经和缩尺船模。所述的岸上主控计算机与岸上以太网交换机连接，且通过安装在主控计算机上的无线接收装置和应急遥控手柄上的无线发送装置实现与应急遥控手柄之间的无线通信；所述的岸上以太网交换机与岸上学习计算机模块中的每个学习计算机以及岸上无线通信模块连接；所述的缩尺船模上安装有船载计算机、北斗定位系统、船用罗经和船载无线通信模块；所述的船载无线通信模块与岸上无线通信模块实现双向无线通信；所述的船载无线通信模块与船载计算机连接；所述的船载计算机与船用罗经和北斗定位系统连接。
所述的主控计算机包括友好的人机交互界面，该界面应用LabView开发实现，具有“船舶运动控制器选择”对话框，“启动/关闭”按钮，“操纵模式切换”按钮及“控制参数修改”按钮。通过“船舶运动控制器选择”对话框选择航向、航迹、动力定位或行进中的船舶供给等不同的拟实验验证的船舶运动控制器；通过“启动/关闭”按钮，启动或关闭实验系统；通过“操纵模式切换”按钮实现自动和手动操纵模式的切换；点击“控制参数修改”按钮，弹出拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型，使用者修改控制参数。所述的主控计算机上安装一个分布式实时运行平台软件包RT-LAB，将拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型生成C代码并编译，通过以太网交换机、岸上无线通信模块和船载无线通信模块下载到船载计算机。所述的船载计算机运行QNX实时操作系统，并安装RT-LAB软件包。所述的缩尺船模具有两种操纵模式，即自动操纵模式和手动操纵模式，在自动操纵模式下，船载计算机接收来自北斗定位系统的缩尺船模位置测量信号和船用罗经的艏向测量信号，实时运行拟实验验证的船舶运动控制器，根据控制器的控制指令自动控制操纵缩尺船模的运动，以实现船舶运动控制器的实验验证；在手动操纵模式下，船载计算机通过主控计算机、以太网交换机、岸上无线通信模块以及船载无线通信模块接收来自应急遥控手柄的手动操纵控制信号，使用者通过应急遥控手柄手动操纵缩尺船模的运动。所述的主控计算机接收来自船载计算机的缩尺船模实际运动状态信息，包括缩尺船模位置和艏向，并通过人机交互界面以历时曲线及动画形式同时显示实验结果，并保存实验结果。所述的学习计算机模块包括多台学习计算机，每个学习计算机拥有与主控计算机一样的人机交互界面，显示与主控计算机一样的界面，但不能进行控制操作。
一种船舶运动控制实验系统的工作方法，包括以下步骤：
A、船舶运动控制实验系统初始化，包括主控计算机人机交互界面初始化、主控计算机及船载计算机输入输出接口配置初始化、历史实验数据的清理；
B、使用者通过主控计算机人机交互界面中的“船舶运动控制器选择”对话框选择不同的拟实验验证的船舶运动控制器；
C、使用者通过主控计算机人机交互界面中的“启动/关闭”按钮启动船舶运动控制实验系统；
D、主控计算机将拟实验验证的船舶运动控制器Matlab/Simulink模型生成C代码并编译，通过以太网交换机、岸上无线通信模块和船载无线通信模块加载到船载计算机；
E、船载计算机接收来自北斗定位系统和船用罗经的缩尺船模实际运动状态信息，包括缩尺船模的位置、艏向信息，通过船载无线通信模块、岸上无线通信模块和以太网交换机发送给主控计算机和学习计算机模块，并在主控计算机和各学习计算机上显示；
F、在船舶运动控制器验证实验过程中，若出现缩尺船模失控的紧急情况，按下“操纵模式切换”按钮切换至手动操纵模式下，若按钮被按下，转步骤G；否则，转步骤K；
G、手动操纵模式下，应急遥控手柄通过主控计算机、以太网交换机、岸上无线通信模块和船载无线通信模块向船载计算机发送船舶手动操纵指令，缩尺船模在应急遥控手柄手动操纵下运动；
H、是否想继续进行实验，若是，转步骤I；否则，转步骤V；
I、使用者点击主控计算机人机交互界面上的“控制参数修改”按钮，弹出拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型，在Matlab/Simulink模型中修改控制参数，为继续实验做准备；
J、使用者点击主控计算机人机交互界面中的“操纵模式切换”按钮，将缩尺船模的操纵模式切换至自动操纵模式下，转步骤C；
K、船载计算机将来自拟实验验证的船舶运动控制器的缩尺船模操纵命令发送给缩尺船模的推进系统；
L、缩尺船模在拟实验验证的船舶运动控制器自动控制操纵下运动；
M、是否停止本次实验，若是，转步骤N；否则，转步骤E；
N、是否想进行下一个实验，若是，转步骤O；否则转步骤V；
O、是否要改变拟实验验证的船舶运动控制器模式，若是，转步骤R；否则，转步骤P；
P、是否需要改变拟实验验证的船舶运动控制器参数，若是，转步骤Q；否则，转步骤R；
Q、点击人机交互界面中的“控制参数修改”按钮，修改拟实验验证的船舶运动控制器参数；
R、是否需要调整缩尺船模的当前位置，若是，转步骤S；否则，转步骤U；
S、将缩尺船模的自动控制操纵模式切换至手动操纵模式，使用应急遥控手柄将缩尺船模调整至合适的位置；
T、使用者点击人机交互界面中的“操纵模式切换”按钮，切换回自动操纵模式；
U、是否改变过拟实验验证的船舶运动控制器模式，若是，转步骤B；否则，转步骤C；
V、结束实验。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、RT-LAB是一种全新的基于模型的分布式工程设计应用平台，是一种开放的、可扩展的实时运行平台，在该平台上能够实时运行MATLAB/Simulink建立的动态系统数学模型。本发明的主控计算机应用RT-LAB将拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型生成C代码并编译加载到船载计算机，船载计算机运行实时操作系统QNX，并安装RT-LAB软件包，则使用Matlab/simulink搭建的拟实验验证的船舶运动控制器就可以直接在船载计算机上实时运行了，这样，科研人员可利用这个基于缩尺船模的实验系统方便、快捷地进行各种复杂的船舶运动控制器的实验验证，包括船舶航向、航迹、动力定位、行进中的船舶供给等各种船舶运动控制器的实验验证。因此，本发明减少了实验研究工作量，拓宽了实验的内容和范围，为各种船舶运动控制器的实验验证提供了稳定可靠的实验平台，具有较好的应用前景。
2、本发明拥有“操纵模式切换”按钮，当缩尺船模失控时，使用者通过该按钮可将缩尺船模操纵模式切换至应急遥控手柄手动控制操纵模式，可避免缩尺船模在实验过程中受损。
3、本发明提供了基于缩尺船模的船舶运动控制实验系统，应用该实验系统进行的各种船舶运动控制器实验所获得的研究结果，更接近于实船实验结果，为所研究船舶运动控制器走向产品化更近了一步，且可避免实船实验的危险，降低实验成本，提高船舶运动控制器的研制效率。
4、本发明应用LabView开发人机交互界面，不仅可以历时曲线的形式显示实验结果，还可以动画的形式显示实验中的缩尺船模运动状态，使得实验结果展现更加直观、逼真，并可保存实验结果数据，为后续更深入的离线研究提供实验数据。
5、本发明拥有学习计算机模块，该模块中的每台学习计算机拥有方便、友好的人机交互界面，可提供较好的教学演示环境，可改善《船舶运动控制》课程的实验教学，更生动逼真。
6、本发明采用国产的北斗导航定位系统，具有战略意义。
附图说明
本发明共有2张附图，其中：
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明系统运行流程图。
图中：1、应急遥控手柄，2、主控计算机，3、学习计算机模块，4、以太网交换机，5、岸上无线通信模块，6、船载无线通信模块，7、北斗定位系统，8、船用罗经，9、船载计算机，10、缩尺船模。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种船舶运动控制实验系统包括岸上主控计算机2、岸上以太网交换机4、应急遥控手柄1、岸上学习计算机模块3、岸上无线通信模块5、船载无线通信模块6、船载计算机9、北斗定位系统7、船用罗经8和缩尺船模10。所述的岸上主控计算机2与所述的岸上以太网交换机4连接，且通过安装在主控计算机2上的无线接收装置和应急遥控手柄1上的无线发送装置实现与应急遥控手柄1之间的无线通信；所述的岸上以太网交换机4与岸上学习计算机模块3中的每个学习计算机以及岸上无线通信模块5连接；所述的缩尺船模10上安装有船载计算机9、北斗定位系统7、船用罗经8和船载无线通信模块6；所述的船载无线通信模块6与岸上无线通信模块5实现双向无线通信；所述的船载无线通信模块6与船载计算机9连接；所述的船载计算机9与船用罗经8和北斗定位系统7连接。
一种船舶运动控制实验系统的工作方法，如图2所示，包括以下步骤：
A、船舶运动控制实验系统初始化，包括主控计算机2人机交互界面初始化、主控计算机2及船载计算机9输入输出接口配置初始化、历史实验数据的清理；
B、使用者通过主控计算机2人机交互界面中的“船舶运动控制器选择”对话框选择不同的拟实验验证的船舶运动控制器；
C、使用者通过主控计算机2人机交互界面中的“启动/关闭”按钮启动船舶运动控制实验系统；
D、在主控计算机2上将拟实验验证的船舶运动控制器Matlab/Simulink模型生成C代码并编译，通过以太网交换机4、岸上无线通信模块5和船载无线通信模块6加载到船载计算机9；
E、船载计算机9接收来自北斗定位系统7和船用罗经8的缩尺船模10实际运动状态信息，包括缩尺船模10的位置、艏向信息，通过船载无线通信模块6、岸上无线通信模块5和以太网交换机4发送给主控计算机2和学习计算机模块3，并在主控计算机2和各学习计算机上显示；
F、在船舶运动控制器验证实验过程中，若出现缩尺船模10失控等紧急情况，可按下“操纵模式切换”按钮切换至手动操纵模式下，若按钮被按下，转步骤G；否则，转步骤K；
G、手动操纵模式下，应急遥控手柄1通过主控计算机2、以太网交换机4、岸上无线通信模块5和船载无线通信模块6向船载计算机9发送船舶手动操纵指令，缩尺船模10在应急遥控手柄1手动操纵下运动；
H、是否想继续进行实验，若是，转步骤I；否则，转步骤V；
I、使用者点击主控计算机2人机交互界面上的“控制参数修改”按钮，弹出拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型，在Matlab/Simulink模型中可修改控制参数，为继续实验做准备；
J、使用者点击主控计算机2人机交互界面中的“操纵模式切换”按钮，将缩尺船模10的操纵模式切换至自动操纵模式下，转步骤C；
K、船载计算机9将来自拟实验验证的船舶运动控制器的缩尺船模10操纵命令发送给缩尺船模10推进系统；
L、缩尺船模10在拟实验验证的船舶运动控制器自动控制操纵下运动；
M、是否停止本次实验，若是，转步骤N；否则，转步骤E；
N、是否想进行下一个实验，若是，转步骤O；否则转步骤V；
O、是否要改变拟实验验证的船舶运动控制器模式，若是，转步骤R；否则，转步骤P；
P、是否需要改变拟实验验证的船舶运动控制器参数，若是，转步骤Q；否则，转步骤R；
Q、点击人机交互界面中的“控制参数修改”按钮，修改拟实验验证的船舶运动控制器参数；
R、是否需要调整缩尺船模10的当前位置，若是，转步骤S；否则，转步骤U；
S、将缩尺船模10的自动控制操纵模式切换至手动操纵模式，使用应急遥控手柄1将缩尺船模10调整至合适的位置；
T、使用者点击人机交互界面中的“操纵模式切换”按钮，切换回自动操纵模式；
U、是否改变过拟实验验证的船舶运动控制器模式，若是，转步骤B；否则，转步骤C；
V、结束实验。

Claims (2)

1.一种船舶运动控制实验系统，其特征在于：包括岸上主控计算机(2)、岸上以太网交换机(4)、应急遥控手柄(1)、岸上学习计算机模块(3)、岸上无线通信模块(5)、船载无线通信模块(6)、船载计算机(9)、北斗定位系统(7)、船用罗经(8)和缩尺船模(10)；所述的岸上主控计算机(2)与岸上以太网交换机(4)连接，且通过安装在主控计算机(2)上的无线接收装置和应急遥控手柄(1)上的无线发送装置实现与应急遥控手柄(1)之间的无线通信；所述的岸上以太网交换机(4)与岸上学习计算机模块(3)中的每个学习计算机以及岸上无线通信模块(5)连接；所述的缩尺船模(10)上安装有船载计算机(9)、北斗定位系统(7)、船用罗经(8)和船载无线通信模块(6)；所述的船载无线通信模块(6)与岸上无线通信模块(5)实现双向无线通信；所述的船载无线通信模块(6)与船载计算机(9)连接；所述的船载计算机(9)与船用罗经(8)和北斗定位系统(7)连接；
所述的主控计算机(2)包括友好的人机交互界面，该界面应用LabView开发实现，具有“船舶运动控制器选择”对话框，“启动/关闭”按钮，“操纵模式切换”按钮及“控制参数修改”按钮；通过“船舶运动控制器选择”对话框选择航向、航迹、动力定位或行进中的船舶供给不同的拟实验验证的船舶运动控制器；通过“启动/关闭”按钮，启动或关闭实验系统；通过“操纵模式切换”按钮实现自动和手动操纵模式的切换；点击“控制参数修改”按钮，弹出拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型，使用者修改控制参数；所述的主控计算机(2)上安装一个分布式实时运行平台软件包RT-LAB，将拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型生成C代码并编译，并通过以太网交换机(4)、岸上无线通信模块(5)和船载无线通信模块(6)下载到船载计算机(9)；所述的船载计算机(9)运行QNX实时操作系统，并安装RT-LAB软件包；所述的缩尺船模(10)具有两种操纵模式，即自动操纵模式和手动操纵模式，在自动操纵模式下，船载计算机(9)接收来自北斗定位系统(7)的缩尺船模(10)位置测量信号和船用罗经(8)的艏向测量信号，实时运行拟实验验证的船舶运动控制器，根据控制器的控制指令自动控制操纵缩尺船模(10)的运动，以实现船舶运动控制器的实验验证；在手动操纵模式下，船载计算机(9)通过主控计算机(2)、以太网交换机(4)、岸上无线通信模块(5)以及船载无线通信模块(6)接收来自应急遥控手柄(1)的手动操纵控制信号，使用者通过应急遥控手柄(1)手动操纵缩尺船模(10)的运动；所述的主控计算机(2)接收来自船载计算机(9)的缩尺船模(10)实际运动状态信息，包括缩尺船模(10)位置和艏向，并通过人机交互界面以历时曲线及动画形式同时显示实验结果，并保存实验结果；所述的学习计算机模块(3)包括多台学习计算机，每个学习计算机拥有与主控计算机(2)一样的人机交互界面，显示与主控计算机(2)一样的界面，但不能进行控制操作。
2.一种船舶运动控制实验系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
A、船舶运动控制实验系统初始化，包括主控计算机(2)人机交互界面初始化、主控计算机(2)及船载计算机(9)输入输出接口配置初始化、历史实验数据的清理；
B、使用者通过主控计算机(2)人机交互界面中的“船舶运动控制器选择”对话框选择不同的拟实验验证的船舶运动控制器；
C、使用者通过主控计算机(2)人机交互界面中的“启动/关闭”按钮启动船舶运动控制实验系统；
D、主控计算机(2)将拟实验验证的船舶运动控制器Matlab/Simulink模型生成C代码并编译，通过以太网交换机(4)、岸上无线通信模块(5)和船载无线通信模块(6)加载到船载计算机(9)；
E、船载计算机(9)接收来自北斗定位系统(7)和船用罗经(8)的缩尺船模(10)实际运动状态信息，包括缩尺船模(10)的位置、艏向信息，通过船载无线通信模块(6)、岸上无线通信模块(5)和以太网交换机(4)发送给主控计算机(2)和学习计算机模块(3)，并在主控计算机(2)和各学习计算机上显示；
F、在验证船舶运动控制器的实验过程中，若出现缩尺船模(10)失控的紧急情况，按下“操纵模式切换”按钮切换至手动操纵模式下，若按钮被按下，转步骤G；否则，转步骤K；
G、手动操纵模式下，应急遥控手柄(1)通过主控计算机(2)、以太网交换机(4)、岸上无线通信模块(5)和船载无线通信模块(6)向船载计算机(9)发送船舶手动操纵指令，缩尺船模(10)在应急遥控手柄(1)手动操纵下运动；
H、是否想继续进行实验，若是，转步骤I；否则，转步骤V；
I、使用者点击主控计算机(2)人机交互界面上的“控制参数修改”按钮，弹出拟实验验证的船舶运动控制器的Matlab/Simulink模型，在Matlab/Simulink模型中修改控制参数，为继续实验做准备；
J、使用者点击主控计算机(2)人机交互界面中的“操纵模式切换”按钮，将缩尺船模(10)的操纵模式切换至自动操纵模式下，转步骤C；
K、船载计算机(9)将来自拟实验验证的船舶运动控制器的缩尺船模(10)操纵命令发送给缩尺船模(10)的推进系统；
L、缩尺船模(10)在拟实验验证的船舶运动控制器自动控制操纵下运动；
M、是否停止本次实验，若是，转步骤N；否则，转步骤E；
N、是否想进行下一个实验，若是，转步骤O；否则转步骤V；
O、是否要改变拟实验验证的船舶运动控制器模式，若是，转步骤R；否则，转步骤P；
P、是否需要改变拟实验验证的船舶运动控制器参数，若是，转步骤Q；否则，转步骤R；
Q、点击人机交互界面中的“控制参数修改”按钮，修改拟实验验证的船舶运动控制器参数；
R、是否需要调整缩尺船模(10)的当前位置，若是，转步骤S；否则，转步骤U；
S、将缩尺船模(10)的自动控制操纵模式切换至手动操纵模式，使用应急遥控手柄(1)将缩尺船模(10)调整至合适的位置；
T、使用者点击人机交互界面中的“操纵模式切换”按钮，切换回自动操纵模式；
U、是否改变过拟实验验证的船舶运动控制器模式，若是，转步骤B；否则，转步骤C；
V、结束实验。
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